心理所開發出衡量人腦功能活動動態穩定性的新指標

　　近日，中國科學院心理研究所行為科學重點實驗室嚴超贛研究組在腦成像領域期刊NeuroImage發表了題為Stability of dynamic functional architecture differs between brain networks and states 的實驗論文。該文章作者開發了一種衡量人腦功能活動動態穩定性的新指標，揭示了穩定性指標在大腦不同網絡間分布的規律，證明了該指標在被試處于靜息態和接收自然刺激條件時的變化模式。

　　人類的大腦能夠既靈活又穩定地接收和處理來自內外部環境紛繁復雜的信息，其關鍵在于分布式的神經連接可以對信息形成穩定的表征。雖然大腦的功能組織模式是動態變化的，但仍呈現出一定程度的穩定性，即腦功能活動或連接模式在一個連續狀態內的多個時段（長度約一分鐘）之間表現出相似性。雖然已有許多對腦動態性特征的研究，然而目前對腦功能穩定性的研究非常有限，對于大腦各網絡的穩定性分布模式仍不清楚。

　　相對于感覺運動加工的單模態腦區（unimodal region），負責高級認知加工的聯合腦區（high-order association region），其功能連接更具廣泛性和全局性。從動態（dynamic）角度看，高級聯合腦區作為整合不同模態信息的核心腦區，需要根據特定需求適時地動態切換其與不同腦區的連接，因而它們的動態功能穩定性比單模態腦區更低。但是，已有一些研究從靜態（static）的角度考察了腦功能連接在多次掃描之間的穩定性（即可重復性），揭示了不一樣的模式，即高級聯合腦區的穩定性更高。

　　該研究擬通過實證研究，從動態的角度，逐個體素精確地描繪出腦功能穩定性的分布，檢驗上述兩個關于腦功能穩定性的假設。此外，研究還進一步考察腦功能穩定性如何受自然情境任務的調節。

　　該研究把單個體素的動態功能穩定性定義為該體素的全腦動態功能連接（dynamic functional connectivity）的前后一致性，以肯德爾和諧系數測定（圖1）。

　　實驗一從公開數據庫CoRR(Consortium for Reliability and Reproducibility)獲取具有重復測量設計的靜息態（resting state）功能磁共振成像（fMRI）數據；比較了不同腦區、特別是高級聯合腦區和單模態腦區的功能穩定性差異，并檢驗腦功能穩定性指標的可靠性。結果顯示，在靜息態下高級聯合腦區呈現高穩定性，尤其是位于默認網絡的腦區，而初級感覺運動腦區則呈現相對較低穩定性（圖2A、C）。功能穩定性在不同腦區和腦網絡之間的差異在同一組被試前后兩次測量間是一致的（圖2B、D），反映了這一指標良好的重測信度。

　　在建立了腦功能穩定性的具體測量方法之后，實驗二進一步從公開數據庫HBN獲取兩組fMRI數據，一組作為發現組，另一組作為驗證組，這兩組數據采集了兒童和青少年在觀看電影時和靜息態的腦活動圖像。通過觀影狀態和靜息態的比較，考察腦功能穩定性如何受到自然情境任務的調節，并重點關注視覺聯合皮層與視覺初級皮層的差異。對發現組的分析結果顯示，相比于靜息態，初級視覺皮層的功能穩定性在觀看電影時降低了；相反，視覺加工通路的高級聯合腦區的功能穩定性在觀看電影時升高了（圖3A）。驗證組的分析也發現了觀影狀態和靜息態之間類似的功能穩定性差異，說明了這一結果具有良好的可重復性（圖3B）。該研究對腦功能穩定性分布模式和受自然情境任務調節模式的研究成果，從動態網絡角度為大腦的穩定性特征提供了證據支持，并有望為發展心理狀態檢查和疾病診斷的神經標志物提供參考。

　　該研究第一作者為李樂，通訊作者為嚴超贛，受中科院百人計劃、國家自然科學基金（81671774、81630031）、國家重點研發計劃（2017YFC1309902）、中科院心理所科研啟動經費等支持。該論文已于9月29日于NeuroImage在線發表。

圖1. 腦動態功能穩定性計算圖示

圖2. 腦動態功能穩定性的全腦分布模式及網絡分布情況

圖3. 腦動態功能穩定性在觀看電影時和在靜息態下的差異