基于脑网络的认知障碍评估方法及应用

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大脑由上千亿个神经元细胞组成。以神经元为基本单位,再通过百万亿突触组成巨大的脑网络。脑网络可以实现认知、学习等多种功能。基于脑网络进行认知障碍评估是当前的热点问题。轻度脑创伤(mild traumatic brain injury,mTBI)发生率高达所有脑创伤的76%-83%,所以在普通民众和军人群体中都受到了特别关注。并且,患者在伤后会出现不同程度的认知障碍现象。因此,我们将轻度脑创伤选作基于脑网络的认知障碍评估方法的研究对象。本文主要以人类和恒河猴轻度脑创伤数据集为例,进行脑网络拓扑结构研究、脑功能连接模式分析研究和脑网络功能趋势性变化研究。主要研究内容如下:人类mTBI患者脑网络拓扑结构组间差异研究。基于复杂网络分析思想,我们探究了mTBI患者相较于健康对照者脑网络全局/局部拓扑结构差异。我们发现,二者的全局性脑网络拓扑结构属性并无显著差异,且轻度脑创伤并不会影响脑网络的小世界效应。但各局部指标均存在具有显著组间差异的脑区。mTBI患者在行为学测验中表现出认知障碍,且其局部指标和行为学指标之间具有相关性。上述结果表明:由于脑网络拓扑结构改变将会导致认知障碍,为我们基于脑网络拓扑结构属性进行认知障碍评估提供了依据。人类mTBI患者脑功能连接模式分析研究。我们基于静态功能连接、多指标融合和动态功能连接三大特征集并结合不同的模式分析方法,对轻度脑创伤患者和健康对照者进行分类,发现大脑动态功能连接模式可以有效辨别轻度脑创伤。上述结果表明:大脑动态功能连接模式,可以作为基于脑网络进行认知障碍评估的潜在神经影像学生物标记物。恒河猴患mTBI后脑网络功能趋势性变化研究。基于跨物种比较研究思想和纵向追踪研究思想,我们采集了恒河猴伤前和伤后30min、48h、17d、47d以及77d的功能磁共振成像数据进行分析。我们发现,全局效率和最短路径长度在轻度脑创伤后所呈现出的趋势,共同反映了脑功能“补偿-受损-恢复”的趋势过程。上述结果表明:针对恒河猴等灵长类模式动物开展的跨物种比较研究,使得基于脑网络对认知障碍进行动态化的过程评估成为可能。
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