注意的结构脑网络及相关脑区的遗传倾向

发布时间：2018-01-03 01:36

本文关键词：注意的结构脑网络及相关脑区的遗传倾向　出处：《山东大学》2017年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：注意是认知神经科学领域的重要问题,是指对外界物理环境或主观记忆存储中的某些方面进行准备和处理的认知过程。尽管对于注意功能的组成存在很多争议,但是近年来的脑影像研究一致认为注意可以分为三个独立的子系统:警觉,定向和执行控制。警觉是指对外界形成或保持高敏感度的能力,负责提高警惕应对外界的刺激;定向是指从不同的感官刺激中选取特定信息的能力;执行控制是指检测并解决反应中冲突的能力。注意网络测试(ANT)可以在一次任务中区分警觉、定向和执行控制的行为表现。功能神经影像研究表明注意的三个子系统之间是相互独立的,具有不同的解剖学基础。然而,由于对注意理论认识的不一致以及影像模态的多样性,注意功能的大脑解剖和功能基础仍不是很明确。人脑是由众多脑区在结构和功能上相互连接形成的庞杂网络,大脑通过网络的协同作用完成各种高级功能。研究表明,大脑网络具有显著的"小世界"属性,兼具随机网络和规则网络的拓扑优势,即大脑具有较高的集聚系数和较小的最短路径长度,这表明大脑脑区内部具有高密度的短连接,并且脑区之间存在稀疏的长连接,反映了大脑网络的模块化特征以及节点间信息快速高效传输的能力。这也证明了大脑在局部信息集成和全局信息整合间的最优平衡。因此,大尺度脑网络分析方法为探索认知功能与解剖结构的整合作用以及大脑动力学潜在的生物机制提供了新视角。基于弥散张量成像(DTI)的纤维追踪以及大脑皮质的分割,可以构建大脑的解剖网络,基于图论的网络分析方法可以揭示网络的基本拓扑特征,并探究认知功能潜在的网络属性关系。将脑网络方法应用到神经精神疾病研究当中,可以测量网络拓扑属性的异常变化,为探究神经精神疾病和认知障碍的解剖基础提供新的视角。大脑结构和功能的发育受到遗传因素和环境因素共同的影响。遗传度是指遗传因素对人群中某一性状影响的程度;遗传相关性则是指两种表型之间基因的重叠程度。研究基因、环境因素对大脑结构-功能的影响可以确定大脑形态改变与认知功能的关联,并能进一步探索神经精神疾病的成因。双生子法是目前最常采用的遗传分析的方法。同卵双生子具有完全相同的基因型,其性状差异主要归因于环境因素;异卵双生子具有50%相同的基因型,其性状差异是基因和环境因素共同影响的结果。使用神经影像方法测量大脑结构或功能特征作为中间表型,这些量化指标能够大大提高基因发掘,提高了统计分析在检测基因影响中发挥的效力。并且,这些方法也是相对稳定的,使用小样本量即可完成检测观察。研究发现,大脑平均皮层厚度受遗传因素的影响高达81%,总皮质表面积的遗传度高达89%。此外,大脑是通过不同脑区的协调作用来实现高级认知功能,不同脑区受遗传因素和环境因素影响的程度也是不同的,探究各个脑区结构的遗传模式对于理解人类大脑正常发育和病理机制就显得尤为重要。使用皮质厚度、表面积作为表型研究对象,能够缩小影响大脑结构的数量性状位点的搜索范围。并且,皮质厚度和表面积两者之间是遗传独立和表型独立的,这表明皮质厚度和表面积这两种测量方式要优于体积,应当分别应用于影像遗传学研究。因此,双生子法为测量遗传度以及执行控制功能与大脑皮质厚度、表面积的遗传相关性和环境相关性提供了可能。本研究利用DTI和T1数据,基于确定性纤维追踪算法和大脑皮质分割构建大脑解剖网络,研究注意功能与大脑解剖网络拓扑属性的关系;探究注意功能与各脑区皮质厚度的关系;并利用双生子法探究执行控制功能与皮质厚度、表面积的遗传相关性和环境相关性。本研究分为三个部分,摘要如下:第一部分:大脑解剖网络与注意功能的相关性研究目的:注意功能是指对外界物理环境或主观记忆存储中的某些方面进行准备和处理的认知过程,近年来的脑影像研究一致认为注意可以分为三个独立的子功能:警觉,定向和执行控制。以往研究主要使用任务态磁共振的方法关注每个脑区在注意网络中的独立作用,而忽视了大脑网络中各脑区间的交互作用。本研究旨在采用图论分析的方法探究注意功能的三种子网络的神经解剖基础。材料和方法:本研究从山东省青岛市募集了 65名健康受试者,使用ANT获取任务得分,并进行磁共振扫描,采集所有被试的DTI图像和T1图像。使用FSL软件进行DTI图像的预处理,使用PANDA软件基于确定性纤维追踪和皮质分割构建大脑的解剖网络,并使用Brainnetome fMRI工具包计算脑网络的拓扑属性,最后使用SPSS进行统计分析。结果:研究发现构建的大脑解剖网络具有明显的小世界属性,并且执行控制功能与大脑解剖网络的全局效率呈显著正相关。进一步发现,执行控制与一系列脑区的节点效率显著相关,包括左侧背外侧额上回、左侧海马旁回、双侧丘脑、双侧苍白球等。警觉功能与左侧丘脑、右侧顶下回的节点效率显著相关,定向功能与右侧中央旁小叶和右侧枕下回的节点效率显著相关。结论:我们的结果从网络连接的角度,为参与注意功能的脑区间的基本结构连接提供了有效的信息。基于图论的大尺度脑网络分析方法为探索认知功能背后的解剖与功能的整合作用提供了新的思路,为探究注意缺陷相关的神经精神疾病和神经障碍的解剖基础提供新的视角。第二部分:大脑皮质厚度与注意功能的相关性研究目的:大脑皮层是神经元高度折叠的复杂结构,皮层厚度反应了神经纤维网的细胞结构特性。但是注意功能的三个子网络与各脑区皮质厚度的关系仍不十分明确。本研究旨在通过测量得到大脑皮质厚度的数据,并分别探究其与警觉、定向和执行控制的相关性。材料和方法:本研究从山东省青岛市募集了 84名健康受试者,使用ANT作为认知任务,获取所有被试的警觉、定向和执行控制的效率得分。使用GE磁共振扫描仪采集受试者的T1结构图像,应用CBRAIN平台下的CIVET软件计算大脑的皮质厚度,然后使用SPSS进行多元回归分析,分别计算与注意的三个子网络相关的脑区。结果:研究发现警觉功能与左侧额上回眶部和右侧中央旁小叶的皮质厚度显著相关,定向功能与右侧梭状回、右侧海马旁回、右侧内侧额上回和左侧楔前叶的皮质厚度显著相关,执行控制功能与左侧前扣带回和右侧顶下回的皮质厚度显著相关。结论:本研究阐述了注意的三个子系统与大脑脑区皮质厚度的相关性,这不仅揭示了注意的神经解剖基础,也为进一步探索大脑结构-行为的相关性奠定了基础。第三部分:大脑皮质厚度、表面积与执行控制功能的遗传相关性研究目的:大脑结构、功能的发育受到遗传因素和环境因素共同的影响。然而目前对于执行控制功能和皮质厚度、表面积的遗传相关性研究较少。本研究旨在利用双生子结构图像分别探究执行控制与这两种皮质属性的遗传相关性和环境相关性。材料和方法:本研究从山东省青岛市双生子库招募了 37对健康双生子。使用ANT作为认知任务,检测注意的三种比率得分。进行3.0T磁共振扫描获取T1图像,应用CBRAIN平台下的CIVET计算得到大脑的皮质厚度、表面积。使用Solar软件分别计算执行控制、皮质厚度和表面积的遗传度,并计算执行控制与这两种结构表型的遗传相关性和环境相关性。结果:执行控制功能的遗传度为0.356,其与后扣带回、颞上回颞极、颞中回颞极的皮质厚度具有显著的遗传相关性;与辅助运动区和颞下回的皮质厚度具有较高的环境相关性,与背外侧额上回和顶上回的皮质厚度具有环境相关的倾向。此外,执行控制还与直回、距状皮质的表面积具有遗传相关性,与额上回眶部、内侧额上回、额中回眶部、海马旁回的表面积有显著的环境相关性。结论:研究表明影响执行控制的基因在不同程度上影响后扣带回、颞极的皮质厚度以及直回的表面积,探究各个脑区结构的遗传模式能够帮助理解人类大脑正常发育和病理机制,并且这些结果为进一步进行全基因组关联分析奠定了基础。
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【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：R322.8

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