基于脑网络表征学习的个体脑老化进程研究

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人口老龄化加剧是我国当今面临的严重社会问题,因此老化研究显得尤为必要。伴随衰老的重要变化之一就是脑功能的退化,以及随之而来的行为能力的退化。然而目前针对成人脑老化全阶段的研究还不够全面和深入,对成人发育和老化过程中脑功能连接和行为能力的个体差异的变化的理解尚不够。提出并完善健康脑老化模型,能够为老化相关精神疾病以及脑退行性疾病的研究提供理论基础,进而推进临床诊断。为此,本研究开展了基于脑网络表征学习的个体脑老化进程研究。基于包含543名健康成人(年龄18-88岁)的大型数据集中的静息状态功能磁共振成像(fMRI)数据,本研究开展了如下三个方面的工作:(1)个体水平的脑功能网络与年龄关系研究。此项工作从功能连接的静态属性、动态属性以及网络拓扑属性等三个方面分析了功能连接与年龄关系,进一步基于三类功能连接特征进行个体年龄预测。实验结果表明人脑功能连接呈“网内连接随年龄减弱,网间低级连接随年龄减弱,高级连接随年龄增强”的变化,且基于脑功能连接可以达到对个体年龄很好的预测(MAE=7.68岁,R2=0.61)。这些结果从个体的角度初步揭示了人脑功能老化的发展轨线,也验证了功能连接用以衡量人脑功能老化的有效性。(2)群组水平的脑功能连接的个体差异性发展研究。此项研究以10岁为一个年龄窗口,引入个体差异值(Ind Var)这一指标,分别从体素级、网络级、解剖距离三个角度,对功能连接的Ind Var随年龄变化进行分析,描述其空间分布和差异变化。实验结果表明:1)大脑整体Ind Var随着年龄显著增加,其中在高级功能网络中Ind Var一直很高,但在初级功能网络中Ind Var开始较低,然后随年龄增加;2)短、中、长程连接的强度和数量均随着年龄的增加,呈“倒U型”变化;3)短程连接、中程连接、长程连接均与Ind Var呈负相关。此项研究率先揭示了脑老化过程中群组水平的脑功能连接的个体差异性发展模式。(3)行为水平大脑认知和运动能力老化研究。基于个体差异性,分别对运动能力和流体智力(g F)进行老化分析。实验结果表明:1)感觉运动区域相关功能连接的Ind Var与力匹配任务中的行为能力的差异有关,同时不同性别之间差别比较明显;2)功能连接的Ind Var与g F差异显著正相关,大脑认知功能的个体差异性表现为智商的显著差异。本文的创新性在于:(1)揭示了成年人成熟和衰老过程中功能连接个体差异模式随年龄的变化,提出功能连通性个体差异存在两种不同的变化模式;(2)伴随脑老化出现的功能连接个体差异性的增加证实了大脑中的衰老过程和成熟过程是两种相反的模式,呈现从发育成熟到衰老的U形轨迹,这一发现部分解释了衰老过程中认知维持的巨大变异性,支持了“认知维持”假说;(3)从大脑功能连接个体差异的角度,对老化过程中运动能力、认知能力的差异变化进行研究,证明大脑的功能差异性可以反映行为表现。
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