【正文】 病患者與健康老年人組，分別構(gòu)建基于低頻 BOLD信 號(hào)的腦功能網(wǎng)絡(luò)；構(gòu)建基于高分辨率腦電信號(hào)的腦功能網(wǎng)絡(luò)，并對(duì)比其與 fMRI腦網(wǎng)絡(luò)屬性的異同；比較輕度認(rèn)知障礙和早期阿爾茨海默病患者與健康老年人在上述指標(biāo)的差異； (3) 腦結(jié)構(gòu)和功能網(wǎng)絡(luò)的關(guān)聯(lián)性分析：研究腦結(jié)構(gòu)和功能網(wǎng)絡(luò)在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)屬性、核心區(qū)域的關(guān)系，建立腦結(jié)構(gòu) 功能網(wǎng)絡(luò)關(guān)聯(lián)模型，分析輕度認(rèn)知障礙和早期阿爾茨海默病患者與健康老年人組在此關(guān)聯(lián)模型上的差異； (4) 腦結(jié)構(gòu)和功能網(wǎng)絡(luò)異常屬性的臨床相關(guān)性研究：研究不同臨床和認(rèn)知功能評(píng)定指標(biāo)與上述發(fā)現(xiàn)的腦網(wǎng)絡(luò)異常屬性的相關(guān)性； (5) 輕度認(rèn)知障礙轉(zhuǎn)化預(yù)測(cè)標(biāo)志的研究 ：對(duì)輕度認(rèn)知障礙患者進(jìn)行隨訪，根據(jù)其是否轉(zhuǎn)化為阿爾茨海默病對(duì)輕度認(rèn)知障礙患者進(jìn)行分組，對(duì)比已轉(zhuǎn)化為阿爾茨海默病者和未轉(zhuǎn)化者在基線期腦結(jié)構(gòu)和功能網(wǎng)絡(luò)上的差異，尋找預(yù)測(cè)其轉(zhuǎn)化的腦網(wǎng)絡(luò)生物標(biāo)志。 研究內(nèi)容： 結(jié)合課題一、二和三，從腦網(wǎng)絡(luò) 水平 對(duì)精神分裂癥 和阿爾茨海默病腦結(jié)構(gòu)和功能網(wǎng)絡(luò)的異常模式進(jìn)行系統(tǒng)研究。 （ 1） 研究腦膠質(zhì)瘤對(duì)腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)和腦功能網(wǎng)絡(luò)的影響及 其與 相關(guān) 神經(jīng)功能的關(guān)系，明確慢性局灶性腦損害 的 腦功能重組機(jī)制。 （ 1） 結(jié)合臨床功能評(píng)價(jià)，研究腦梗死后 13 病人 局部腦 網(wǎng)絡(luò) （例如大腦 皮質(zhì) 丘腦 ） 動(dòng)態(tài)改變模式，分析腦梗死后 遠(yuǎn)隔部位的繼發(fā)性損害 與局部腦網(wǎng)絡(luò) 動(dòng)態(tài)變化模式和患者神經(jīng)功能 的關(guān)系。 (3) 人 急性 腦梗死后腦網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)的早期變化與患者預(yù)后的關(guān)系研究 ： 研究腦梗死后腦網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)的早期變化與腦梗死患者預(yù)后的關(guān)系，探索研究腦網(wǎng)絡(luò)的變化模式能否作為預(yù)后評(píng)估的影像學(xué)標(biāo)志。爭(zhēng)取在以上科學(xué)問題的研究方面取得突破，達(dá)到預(yù)期的研究目標(biāo)，同時(shí)發(fā)表影響因子大于 5 的論文 10 篇以上，其中力爭(zhēng)影響因子大于 10的論文 24 篇。 4. fMRI 腦網(wǎng)絡(luò)的神經(jīng)電生理機(jī)制研究。 3. 腦電與 fMRI 信息融合的腦網(wǎng)絡(luò)研究 。針對(duì)人的腦電 (EEG)記錄，構(gòu)建相應(yīng)的腦 功能 網(wǎng)絡(luò)和 因果網(wǎng)絡(luò) ，發(fā)展動(dòng)態(tài)腦網(wǎng)絡(luò)方法。 經(jīng)費(fèi)比例： 18% 承擔(dān)單位： 中國人民解放軍國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)、中國科學(xué)院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所、中南大學(xué) 課題負(fù)責(zé)人： 胡德文 學(xué)術(shù)骨干： 雷皓、 沈璐 、 劉哲寧 、沈輝、丁義明 課題 基于電生理的腦網(wǎng)絡(luò)研究 預(yù)期目標(biāo)： 借助神經(jīng)電生理技術(shù)的高時(shí)間分辨特性，闡明部分 fMRI 功能網(wǎng)絡(luò)的神經(jīng)機(jī)制，豐富較高頻段的腦功能信 息的網(wǎng)絡(luò)特征。 2. 結(jié)構(gòu)連接度量及合理性問題。提出一系列基于多模態(tài)磁共振影像的腦連接度量、腦網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建、屬性分析 的新理論和新方法 。它可以匯總多個(gè)同類研究結(jié)果，并對(duì)研究效應(yīng)進(jìn)行定量合并的分析研究過程，是一種科學(xué)、明確、可重復(fù)的研究方法。擬利用新的腦連接跟蹤算法，采用目標(biāo)區(qū)分割和互相關(guān)矩陣算法相結(jié)合的方法，對(duì)相關(guān)腦區(qū)做進(jìn)一步的細(xì)化 ；（ 3） 基于功能磁共振影像的腦圖譜構(gòu)建： 基于靜息功能磁共振影像的連接模式，運(yùn)用圖像處理中的分割和合并算法，對(duì)腦區(qū)進(jìn)行細(xì)分。 9 5. 課題設(shè)置 課題 面向腦網(wǎng)絡(luò)的腦圖譜研究 預(yù)期目標(biāo)： 利用成像技術(shù)構(gòu)建面向腦網(wǎng)絡(luò)研究的 腦圖譜，發(fā)展其適用性的評(píng)價(jià)方法，解決腦網(wǎng)絡(luò)研究中的腦區(qū)定義問題 ；提供一個(gè)能 被國際同行廣泛使用的腦圖譜； 發(fā)表影響因子大于 5 的論文 15 篇 以上 ， 力爭(zhēng)影響因子大于 10 的論文 13 篇 ，申請(qǐng)專利47 項(xiàng)，申請(qǐng)軟件著作權(quán)登記 13 項(xiàng) 。 本項(xiàng)目承擔(dān) 單位 擁有 : (1) 多臺(tái)國際先進(jìn)水平的 磁共振掃描設(shè)備 (天津醫(yī)科大學(xué)總醫(yī)院、 首都醫(yī)科大學(xué)宣武醫(yī)院和首都醫(yī)科大學(xué) 附屬北京 天壇醫(yī)院、中山大學(xué)附屬第一醫(yī)院 、安徽醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院、中南大學(xué)湘雅醫(yī)院和湘雅二院 )，并且配備多通道線圈和最新序列，可獲得高質(zhì)量的結(jié)構(gòu)、功能和擴(kuò)散張量圖像； (2) 高場(chǎng) 和 小動(dòng)物磁共振成像儀和多臺(tái)超導(dǎo)核磁共振波譜儀 (中國科學(xué)院武 漢數(shù)學(xué)與物理研究所武漢磁共振研究中心 )， (3) 128 道腦電系統(tǒng) 、 電壓敏感染料腦皮層光學(xué)成像設(shè)備 、 皮層微電極胞外活動(dòng)檢測(cè)記錄儀 、 64 通道微電極陣列活體動(dòng)物電生理數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) (電子科技大學(xué) 、中國人民解放軍 國防科學(xué)技術(shù) 大學(xué) 和中國科學(xué)院昆明動(dòng)物研究所 )。 我們的前期工作 為本項(xiàng)目奠定了理論和方法學(xué)基礎(chǔ)。 本項(xiàng)目的特色是： (1) 信息科學(xué)、神經(jīng)科學(xué)和臨床醫(yī)學(xué)等多學(xué)科結(jié)合及大跨度綜合交叉； (2) 國際前沿的基礎(chǔ)科學(xué)問題的研究與解決重大腦疾病的早期診斷和干預(yù)這一國家重大需求緊密結(jié)合。 神經(jīng)精神疾病早期診斷、預(yù)后判斷和療效評(píng)價(jià)的網(wǎng)絡(luò)水平生物標(biāo)志 （ 1） 利用腦卒中和腦 膠質(zhì)瘤作為 局部性腦損害模型、精神分裂癥 和 阿爾茨海默病作為 彌漫性腦損害模型，探索這 兩 類不同類型的腦損害對(duì)腦 解剖 和功能網(wǎng)絡(luò)的影響；研究局部性腦損害后在 神經(jīng)功能恢 復(fù)過程中腦網(wǎng)絡(luò)的變化模式 及其影像學(xué)指標(biāo)在預(yù)后判斷中的作用，以及在網(wǎng)絡(luò)水平上發(fā)現(xiàn)阿爾茨海默病和精神分裂癥早期診斷、預(yù)后判斷及療效評(píng)價(jià)的 影像學(xué) 標(biāo)志。具體實(shí)施方案如下： 利用多模態(tài)成像技術(shù)構(gòu)建面向腦網(wǎng)絡(luò) 研究的 腦圖譜 (1) 基于結(jié)構(gòu)磁共振數(shù)據(jù)的腦圖譜： 目前腦 網(wǎng)絡(luò)研究中應(yīng)用最廣的AAL(Automated Anatomical Labeling) 圖譜，有些功能較為復(fù)雜的腦區(qū)的功能分區(qū)不明確，如扣帶、前額葉、輔助運(yùn)動(dòng)皮層、海馬等，本 項(xiàng)目 基于 T 和 T磁共振圖像，采用手工勾畫和自動(dòng)分割算法相結(jié)合的方法，構(gòu)建群體腦圖譜；開發(fā)新的基于圖像的數(shù)據(jù)分割算法構(gòu)建腦圖譜； (2) 基于擴(kuò)散磁共振數(shù)據(jù)構(gòu)建腦圖譜：在基于結(jié)構(gòu)影像 進(jìn)行腦 分區(qū)的基礎(chǔ)上，利用擴(kuò)散磁共振成像對(duì)感興趣區(qū)進(jìn)一步細(xì)分。本項(xiàng)目五個(gè)課題的相互關(guān)系如圖 1 所示， 它 們構(gòu)成一個(gè)從基礎(chǔ)到臨床、再從臨床到基礎(chǔ)的交互關(guān)系，理論研究為臨床 研究 奠定基礎(chǔ)，臨床 研究 為理論研究提供 驗(yàn)證與評(píng)價(jià) 。 4 三、研究方案 1. 學(xué)術(shù)思路 本項(xiàng)目的核心學(xué)術(shù)思想 ： 腦高級(jí)功能是由多個(gè)腦區(qū)交互作用來實(shí)現(xiàn)的， 腦網(wǎng)絡(luò)研究 能 為理解腦信息加工機(jī)制開辟 新途徑 ， 為腦疾病的早期診斷和預(yù)后及療效評(píng)價(jià)提供新視角 。 3. 人才培養(yǎng) 預(yù)計(jì)培養(yǎng)國家杰出青年科學(xué)基金獲得者 13 名，國家教育部 “長江學(xué)者獎(jiǎng)勵(lì)計(jì)劃 ”特聘教授 12 名，中國科學(xué)院 “百人計(jì)劃 ”入選者 12 名。 2. 五年預(yù)期目標(biāo) (1) 利用成像技術(shù) 建立適合腦疾病和腦網(wǎng)絡(luò)研究、有明確生物學(xué)意義的腦圖譜及其適用性的驗(yàn)證方法體系 ，解決腦網(wǎng)絡(luò)研究中的腦節(jié)點(diǎn)定義問題。推動(dòng)信息科學(xué)、神經(jīng)科學(xué)和臨床醫(yī)學(xué)等學(xué)科的大跨度綜合交叉，促進(jìn)基礎(chǔ)研究向臨床應(yīng)用的轉(zhuǎn)化，為重大腦疾病的早期診斷和早期預(yù)警這一國家重大戰(zhàn)略需求做出實(shí)質(zhì)性貢獻(xiàn)，培養(yǎng)一批優(yōu)秀青年科技人才，使我國在腦網(wǎng)絡(luò)研究這一國際科學(xué)前沿領(lǐng)域占有一席之地。 (4) 揭示彌漫性腦損害 (阿爾茨海默病和精神分裂癥 )對(duì)腦結(jié)構(gòu)和功能網(wǎng)絡(luò)影響的本質(zhì)特性，在網(wǎng)絡(luò)水平上發(fā)現(xiàn)阿爾茨海默病和精神分裂癥早期診斷、3 預(yù)后判斷及療效評(píng)價(jià)的 影像學(xué) 標(biāo)志，為這些疾病的臨床早期診斷和療效評(píng)價(jià)等提供有效的方法和途徑。（ 4） 在 SCI 收錄的期刊上發(fā)表論文 80100 篇，其中 IF5 的 30 篇以上， 力爭(zhēng) IF10 的 5 篇 左右 ； (5) 出版腦網(wǎng)絡(luò)研究專著 1 部； (6) 申請(qǐng)國家發(fā)明專利 15項(xiàng)左右，軟件著作權(quán) 登記 10 項(xiàng)左右。本項(xiàng)目分五個(gè)課題，前三個(gè)課題研究構(gòu)建腦網(wǎng)絡(luò)的兩個(gè)基本要素所必需的腦圖譜和腦連接的計(jì)算理論 和方法，后 兩 個(gè)課題以臨床 研究 為主，但第四課題還兼顧方法學(xué)和應(yīng)用兩個(gè)方面。在上述三個(gè)課題的基礎(chǔ)上，第四個(gè)課題研究局部性腦損害 (腦卒 中和腦膠質(zhì)瘤 )對(duì)腦結(jié)構(gòu)和功能網(wǎng)絡(luò)的影響，并采用經(jīng)顱磁刺激技術(shù) 和 經(jīng)顱直流電刺激技術(shù) 模擬局部性腦損害， 研究特定腦區(qū)及特定腦連接的功能意義，探索局部性腦損害后神經(jīng)功能恢復(fù)過程中腦網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)變化模式以及這些模式是否能作為預(yù)后判斷的影像學(xué)標(biāo)志；第五個(gè)課題研究彌漫性腦損害 (精神分裂癥和阿爾茨海默病 )對(duì)腦結(jié)構(gòu)和功能網(wǎng)絡(luò)的影響，在網(wǎng)絡(luò)水平上探索阿爾茨海默病和精神分裂癥早期診斷、預(yù)后判斷及療效評(píng)價(jià)的 影像學(xué) 標(biāo)志。 利用多模態(tài)成像技術(shù)建立腦連接 及模式動(dòng)物實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方法 (1) 利用腦形態(tài)信息 (包括皮層厚度、復(fù)雜度以及密度等形態(tài)學(xué)指標(biāo) )以及白質(zhì)纖維束等，建立符合臨床和生物學(xué)意義的腦結(jié)構(gòu)連接度量； (2) 建立基于多 張量 模型的 DTI 纖維跟蹤算法，以克服纖維交叉等目前確定性跟蹤算法無法有效解決的問題； (3) 研究快速的高角度分辨率擴(kuò)散成像算法，實(shí)現(xiàn)圖像質(zhì)量與掃描時(shí)間之間的最優(yōu)平衡，并在擴(kuò)散分布模型的建立和求解算法上取得突破，實(shí)現(xiàn) 腦區(qū)纖維連接的精確度量； (4) 基于功能磁共振影像數(shù)據(jù)，利用信息論和圖論的方6 法建立符合實(shí)際的腦功能網(wǎng)絡(luò)，并對(duì)其小世界和無尺度等網(wǎng)絡(luò)屬性進(jìn)行分析； (5) 研究基于神經(jīng)電生理數(shù)據(jù)的腦網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方法，以 利 用其高時(shí)間分辨率特性研究腦功能網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)過程和信息傳遞的方向； （ 6） 利用模式動(dòng)物（獼猴和大鼠）研究腦連接的生理意義，對(duì)腦連接和腦網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算理論和方法進(jìn)行驗(yàn)證；（ 7） 利 用阿爾茨海默病和精神分裂癥作為疾病模型驗(yàn)證上述方法的臨床可用性； (8) 發(fā)展融合神經(jīng)電生理與 功能磁共振成像 的方法與技術(shù)，以借助神經(jīng)電生理的高時(shí)間分辨特 性，闡明部分 功能磁共振成像 功能網(wǎng)絡(luò)的神經(jīng)機(jī)制，推動(dòng)對(duì)腦功能網(wǎng)絡(luò)的更全面而深入的認(rèn)識(shí)。 3. 創(chuàng)新點(diǎn)與特色 本項(xiàng)目的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)： (1) 針對(duì)現(xiàn)有腦圖譜 比較粗糙、某些腦區(qū) 功能分區(qū)不明 確、 代表性不強(qiáng) 等 問題， 采用多模態(tài)腦影像數(shù)據(jù) 建立的 腦功能和解剖連接模式，建立適合于 腦疾病和腦網(wǎng)絡(luò)研究、有明確生物學(xué)意義的腦圖譜及其適用性的驗(yàn)證方法體系 的腦圖譜，為實(shí)現(xiàn)腦網(wǎng)絡(luò)研究的源頭創(chuàng)新提供基礎(chǔ) ； (2) 結(jié)合高空間和時(shí)間分辨率影像，利用非線性動(dòng)力學(xué)模型，建立有生 物學(xué)意義和臨床適用的腦連接，發(fā)展系統(tǒng)（多層次、動(dòng)態(tài)、因果和非線性）的腦連接計(jì)算理論與方法，為腦網(wǎng)絡(luò)的臨床應(yīng)用奠定理論和方法學(xué)基礎(chǔ) ；（ 3） 突破傳統(tǒng)的僅研究孤立腦區(qū)的局限，7 提出從腦網(wǎng)絡(luò)水平上 整體性 探求腦疾病 早期診斷、預(yù)后判斷及療效評(píng)價(jià) 的新思想。 (2) 臨床 數(shù)據(jù)積累 ：本項(xiàng)目組是在多年合作的基礎(chǔ)上自然形成的團(tuán)隊(duì)，共同承擔(dān)了包括 “國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目 ”、 “科技部十一五支撐計(jì)劃項(xiàng)目 ”、 “973 項(xiàng)目課題 ”等項(xiàng)目和計(jì)劃，積累了大量的腦卒中 、 腦膠質(zhì)瘤 、 精神分裂癥 和 阿爾茨海默病 患者的磁共振影像和電生理數(shù)據(jù) 及 研究經(jīng)驗(yàn)， 合作 發(fā)表了許多高水平的論文。 本項(xiàng)目承擔(dān)單位優(yōu)良的軟、硬件環(huán)境為本項(xiàng)目提供 支撐條件 本項(xiàng)目依托和承擔(dān)單位集合了 2 個(gè) 國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 、 1 個(gè)國家級(jí)國際聯(lián)合研究中心 、 2 個(gè)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 、 1 個(gè)衛(wèi)生部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 、 2 個(gè)國家重點(diǎn)學(xué)科 和 1個(gè)院 校合作研究中心 ， 具備完善的技術(shù)平臺(tái)。本項(xiàng)目的有關(guān)方法、技術(shù)路線、實(shí)驗(yàn)手段、關(guān)鍵技術(shù)等都是在上述研究基礎(chǔ)和研究經(jīng)驗(yàn)上提煉出來的，因此本項(xiàng) 目 切實(shí)可行。（ 1） 基于結(jié)構(gòu)磁共振 影像 的腦圖譜 ： 基于 T 和 T 磁共振圖像，采 用手工勾畫和自動(dòng)分割算法相結(jié)合的方法，構(gòu)建群體腦圖譜；開發(fā)新的基于圖像的數(shù)據(jù)分割算法構(gòu)建腦圖譜 ；（ 2） 基于擴(kuò)散磁共振 影像 構(gòu)建腦圖譜： 在基于結(jié)構(gòu)影像分區(qū)的基礎(chǔ)上，利用擴(kuò)散磁共振成像對(duì)感興趣區(qū)進(jìn)一步細(xì)分。 薈萃 分析是以綜合已有的發(fā)現(xiàn)為目的，對(duì)多項(xiàng)研究結(jié)果進(jìn)行綜合的統(tǒng)計(jì)學(xué)分析方法。 經(jīng)費(fèi)比例： 25% 承擔(dān)單位： 中國科學(xué)院自動(dòng)化研究所、天津醫(yī)科大學(xué)總醫(yī)院 課題負(fù)責(zé)人： 學(xué)術(shù)骨干： 于春水、范勇、劉勇、劉冰、左年明、張敬 課題 基于磁共振的腦網(wǎng)絡(luò)研究 預(yù)期目標(biāo)： 基于不同成像模態(tài) (sMRI、 fMRI、 dMRI 等 )構(gòu)建符合生物學(xué)意義的腦網(wǎng)絡(luò)。 (1) 特定任務(wù)下腦活動(dòng)檢測(cè)及定量描述算法： 研究有效的度量方法檢測(cè)特定任務(wù)下腦的活動(dòng)模式以及不同腦區(qū)之間復(fù)雜的相互依賴關(guān)系； (2) 腦自發(fā)活動(dòng)的檢測(cè)方法： 在無特定刺激信息的情況下，綜合利用空間域和時(shí)間域信息，檢測(cè)無任務(wù)狀態(tài)下腦自發(fā)功能活動(dòng)模式； (3) 功能連接的度量算法 ：研究有效的腦區(qū)連接度量方法，檢測(cè)腦區(qū)之間復(fù)雜的相互 依賴關(guān)系；建立復(fù)雜動(dòng)態(tài)模型考察功能連接在不同狀態(tài)下的動(dòng)態(tài)變化； (4) 復(fù)雜腦功能網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建及分析方法 ：基于功能磁共振影像數(shù)據(jù)，利用信息論和圖論的方法建立符合實(shí)際的腦功能網(wǎng)絡(luò)，并對(duì)其小世界和無尺度等網(wǎng)絡(luò)屬性進(jìn)行分析。 11 3. 利用阿爾茨海默病和精神分裂癥作為疾病模型驗(yàn)證上述方法的臨床可用性。 研究內(nèi)容： 1. 基于 腦電的 腦網(wǎng)絡(luò)研究 。 參考課題四和五的研究內(nèi)容，建立動(dòng) 物模型， 在課題 一 腦圖譜工作的基礎(chǔ)上進(jìn)行節(jié)點(diǎn)的選擇 ，采用 微電極陣列 (MEA)進(jìn)行 記錄，構(gòu)建相應(yīng)的腦 功能 網(wǎng)絡(luò) 和 因果網(wǎng)絡(luò) ， 研究 正常和疾病模型的 腦網(wǎng)絡(luò)的基本屬性及其 變化規(guī)律 。參考課題一、二、四和五所研究的問題和 取得的研究成果 ， 研究 大腦 的 基本功能和 部分病種腦網(wǎng)絡(luò) 的 特性 。 經(jīng)費(fèi)比例： 18% 承擔(dān)單位： 電子科技大學(xué)、中國科學(xué)院昆明動(dòng)物研究所、新鄉(xiāng)醫(yī)學(xué)院 課題負(fù)責(zé)人： 堯德中 學(xué)術(shù)骨干： 王建紅、呂路線、 禹東川 、夏陽、徐鵬