文章目录
- 摘要
- 简介
- 结果
- 受试者之间的连通性差异在大脑网络中分布不均
- 功能连接性的变化与进化皮质表面扩展高度相关
- 功能连接性可变性与大脑折叠模式相关，但与皮质厚度无关
- 功能可变性与远程连接的程度呈正相关，但与局部连接性呈负相关
- 预测认知和行为领域中个体差异的区域主要位于功能连通性高的区域
- 排除潜在的混杂因素
摘要
人们彼此之间在思维或行为上有所不同的事实源于大脑解剖结构和连通性的个体差异。在这里，我们使用重复测量的静息态功能MRI探索受试者之间的连通性差异性。功能连通性的个体差异在整个皮质中是异质的，异峰联合皮质的差异性明显较高，而单峰皮质的差异性较低。受试者之间的连通差异性与进化皮层扩张程度显着相关，表明功能差异性的潜在进化根源。连通性的变化也与沟深的变化有关，但与皮质厚度无关，与远距离连通性成正相关，而与局部连通性成负相关。荟萃分析进一步揭示，预测认知域中个体差异的区域主要位于连通性高的区域。我们的发现对理解大脑的进化和发展，指导干预以及解释神经影像学中的统计图谱具有潜在的意义。
简介
人脑的特点是神经解剖学和功能的个体差异很大，这反映在人的巨大个体差异中认知和行为。这种差异性是遗传和环境影响的共同产物，可能对不同的大脑系统产生不同的影响。例如，在发育过程中，联合皮层的结构差异性受遗传因素的影响较小，这使得产后环境因素的可变性影响更大，从而导致神经连接的多样性超出了其遗传决定因素。大量证据表明，服从高阶关联和整合过程的神经系统比涉及单峰处理的神经系统更具可变性。例如，语言区域在细胞结构定义的体积以及fMRI衍生的定位中表现出过高的比例变化。在宏观上，与运动皮层相比，联合皮层的皮层折叠的结构差异性更高。另外，长缔合的白质纤维束比光辐射和皮质脊髓束更易变。与评估大脑各个区域的结构差异性的大量工作相反，功能连接性中的个体差异性尚未得到系统的研究和量化。
个体大脑的连接组可能是最好的特征（Seung，2012）。一种用于评估连接性的强大技术是利用在静息状态下获得的功能磁共振成像数据，通常称为内在功能连接性（Fox和Raichle，2007）。内在功能连通性的个体差异可以预测健康人几个认知领域的个体表现差异以及神经精神疾病的症状严重程度。因此，量化连通性中受试者间差异性的空间分布可以为人类功能个体差异的神经基础提供新的见解。这种分布也可能对指导手术导航，解释成像结果（如果对各个受试者的结果进行平均，则不太可能在高度可变的区域获得显着效果）以及了解哪些区域最可能与行为差异有关产生实际意义。
在本文中，我们收集了23名健康受试者的内在功能连接性MRI数据，每个受试者在6个月内扫描了5次。这个独特的数据集使我们能够评估受试者间差异性的空间分布，同时根据受试者内部差异性控制测量的不稳定性。然后，将该受试者间差异性图谱直接与进化皮层扩张，解剖差异性以及远距离整合和区域分离的图谱进行比较（Sepulcre等，2010）。最后，我们进行了荟萃分析，以探讨功能连接性差异性可能与先前观察到的个体认知和行为差异之间的关系。
结果
受试者之间的连通性差异在大脑网络中分布不均
校正扰动方差后，在大脑表面的每个顶点上，对内在功能连接性之间的受试者间差异进行量化（有关详细信息，请参见在线图S1A和S1B，以及“实验程序”）。受试者间的差异性表明大脑区域之间的分布不均匀（图1）。个体差异在异质性联合皮质中最大，包括外侧前额叶和颞顶交界，而在单峰感觉和运动皮质中则最小。还评估了7个特定大脑网络内的功能差异性（Yeo等，2011；图2，最上一行）。将每个网络边界内的受试者间差异性进行平均并进行比较（图2）。我们发现，额顶控制和注意网络显示出高水平的功能可变性，而感觉运动和视觉系统的可变性最小。默认网络表现出中等程度的可变性，低于额顶和注意力网络的可变性，但高于感觉运动和视觉网络的可变性。
图1.静息态功能连接中的受试者间差异在人类皮质中是异质的
校正潜在的受试者内部差异性后，在23位受试者的每个表面顶点处量化受试者之间的差异性。 低于全局平均值的值以冷色显示，而高于全局平均值的值以暖色显示。 另请参见图S1。
图2.跨皮质网络量化的功能连接可变性
图2.跨皮质网络量化的功能连接可变性
该分析是基于我们先前将大脑分割成七个功能性网络（Yeo等人，2011）（上排），即额顶额叶控制（FPN），腹侧和背侧注意（vATN，dATN），默认（DN） ，边缘（LMB），感觉运动（Mot）和视觉（Vis）网络。 对每个网络边界内的受试者间差异性（中间行的黑色曲线）求平均值并绘制出来（底部行的条形图）。 虚线表示整个大脑皮层中受试者间差异的总体平均值。 另请参阅图S2。
功能连接性的变化与进化皮质表面扩展高度相关
发现在额叶，颞叶和顶叶联合皮层区域，功能连接性差异最高。这些大脑区域是系统发育较晚的区域（Kaas，2006； Smaers等，2011），对于复杂和人类特定的认知功能（如推理和语言）（Goldman-Rakic，1988）至关重要。由于进化史通常由系统发育树表示，因此在系统发育晚期区域中存在较高差异性的事实可能表明功能连接性差异性的进化根源。为了验证这一假设，我们将功能差异图（图1和3B）与成年猕猴和David van Essen及其同事提供的成人成年猕猴PALS-B12图集（图3A）之间的区域进化皮层扩张图进行了比较（ Hill等，2010b； van Essen和Dierker，2007； http：//sumsdb.wustl.edu/sums/directory.do？id = 7601585）。在整个表面水平上，进化扩展和功能差异性显着相关（r = 0.52，p <0.0001；图3C），表明功能差异性的程度与进化皮质扩展有关。为了验证这种相关性不受相邻顶点之间的空间依赖性的影响，我们随机抽取了7％的顶点1,000次，并根据这些顶点子集计算了相关系数。如Durbin-Watson检验所确认，这些顶点在空间上是独立的（请参见实验程序）。本文中所有报告的相关系数均已使用此程序进行了测试，并且不受相邻顶点之间的空间依赖性的影响。
图3.功能连接的可变性和皮质的扩展性高度相关
（A）成年猕猴和普通人成年PALS-B12地图集之间的区域进化皮质扩展。 数据由van Essen及其同事提供（van Essen和Dierker，2007年）。 在整个表面水平上，进化扩展和功能差异性（B）显着相关（r = 0.52，p <0.0001）。 相关性显示在散点图（C）中，其中每100个顶点由一个小圆圈表示。
功能连接性可变性与大脑折叠模式相关，但与皮质厚度无关
众所周知，在个体之间，皮质折叠模式在某些区域是一致的，而在另一些区域则是高度可变的（Hill等，2010a）。在这里，我们研究了功能连接可变性如何与已知的解剖学可变性相关。使用FreeSurfer估算每个受试者的沟深（见定义和注意事项的实验程序）和皮质厚度（图4A和4B）。为了正确地建模解剖差异性，我们采用了类内相关性（ICC；请参见实验程序），充分考虑了受试者内部的差异性。与先前的发现一致（Hill等人，2010a），在外侧额叶和颞顶区，沟深度的变化最为明显，而在运动皮层中的变化较小。默认网络显示适中的沟深变化。相比之下，皮质厚度显示出非常明显的模式，运动区域的差异性很高，而额前额网络的差异性很低（关于七个功能网络的量化，也请参见图S3）。当在全脑表面进行定量时，沟深变化与功能性变化呈中等但显着的相关性（r = 0.30，p <0.0001），而皮质厚度的变化性与功能性变化不相关（r = 0.05，p> 0.05）。
图4.功能和解剖差异性之间的关系
功能连接性的差异性与沟深度的差异性（A）显着相关，而与皮质厚度的差异性（B）则不显着相关。 使用类内相关性（ICC）计算对象间的解剖差异性，并适当考虑对象间的差异性。 沟深的变化与功能的变化具有显着的相关性（r = 0.30，p <0.0001），而皮质厚度的变化与功能的变化不相关（r = 0.05，p> 0.05）。 另请参阅图S3。
功能可变性与远程连接的程度呈正相关，但与局部连接性呈负相关
已经提出，功能连接的发展重组的特征是功能连接集线器从感觉运动皮层向默认（Fransson等，2011）和额顶网区域（Power等，2010）转移。在成年人中，已知功能连接优先在感觉和运动皮层区域内形成局部连接，而远距离连接的集线器则位于系统发育和个体发育较晚的多峰联合皮质中（Sepulcre等人，2010）。在这里，我们探讨了人脑的这种特殊网络组织是否与功能可变性相关。根据Sepulcre等人的研究，在大脑体积中的每个体素处，对远距离和局部功能连接的程度进行了量化。 （2010）。远距离连接定义为距离大于25 mm的两个区域之间的连接（r> 0.25）。局部连接定义为12 mm以内的连接（r> 0.25）。远距离连通性的百分比（图5A）显示出整个大脑皮层的功能差异性（r = 0.32，p <0.0001）具有中等但显着的相关性（图5B）。在以局部连通性为主的区域内（图5A中的蓝色区域），功能差异性与局部连通性程度呈负相关（r = -0.33，p <0.0001）（图5C）。功能可变性和连接程度之间的关系在默认网络中得到了例证。据报道，默认网络是局部和远程皮层-皮层相互作用的混合中心（Sepulcre等，2010）。在我们的数据中，我们在默认网络中观察到中等程度的功能可变性，这与功能可变性与远程连接程度相关但与局部连接程度负相关的观点一致。
图5.功能连接性的变化与远程功能连接的程度呈正相关，但与局部连接性呈负相关
远距离连接定义为距离大于25 mm的两个区域之间的连接（r> 0.25）。 局部连接定义为12 mm以内的连接（r> 0.25）。 远距离连接的百分比投影到大脑表面（A）。 高于全球平均值的区域以黄色显示； 全局均值以下的区域以蓝色显示。 发现功能连通性差异性与整个大脑皮层远距离连通性百分比之间存在显着相关性（r = 0.32，p <0.0001）。 在以局部连通性为主的区域中，功能连通性变化与局部连通性程度（C）呈负相关（r = -0.33，p <0.0001）。
预测认知和行为领域中个体差异的区域主要位于功能连通性高的区域
内在功能连接已显示出可反映健康个体在多个认知域中个体表现的差异性（Seeley等，2007； van den Heuvel等，2009）。为了确定先前显示的与个人表现差异有关的这些区域是否与当前确定的受试者间高差异性区域重叠，我们进行了基于PubMed的研究搜索，这些研究报告了功能连接性度量与认知或行为领域的个体差异之间的关联，包括人格特质，记忆力，焦虑，冒险行为，反应抑制，智力和视觉感知（有关纳入标准，请参见实验程序；有关纳入研究的列表，请参见表S1）。共检索了15个研究，包括573个受试者和139个病灶。在脑表面进行了定量（图6），结果表明大约73％的簇与高功能差异性区域重叠。高差异性区域定义为在全球平均水平之上显示差异性并覆盖皮质表面约51％的区域。
图6.预测行为和认知领域个体差异的Loci主要位于功能连接性高的皮质区域
Loci来自一项荟萃分析，其中包括15项研究，这些研究发现了功能连接性与认知和行为领域中个体差异之间的关联。 位点已合并在卷中。 估计每个体素的病灶频率。 将结果平滑，归一化并投影到表面。 定量分析显示，与个体差异相关的簇中约有73％位于显示高功能连通性差异性的皮质区域（高于全球平均水平，总计占皮质表面的51％）。 有关纳入研究的概述，请参见表S1。
排除潜在的混杂因素
为了排除观察到的功能连通性差异是由受试者在扫描过程中头部运动之间的差异所支配的可能性，我们计算了每个受试者每次Session的平均相对位移（Van Dijk等，2012）。我们选择了10个受试者的子集，这些受试者在头部运动中显示出高于受试者间的差异，并且在功能连通性方面量化了受试者间的差异性，使用的是图1中相同的过程。从该受试者子集获得的功能差异性图显示了与如图1所示（r = 0.77，p <0.0001），这表明观察到的功能差异不是由于头部运动的受试者间差异引起的。
联合皮层区域中较高的卷积度也可能导致这些区域中被试间对齐的保真度较低（van Essen，2005）。为了研究这种潜在的困惑，我们从功能差异图上得出了沟深差异性，其中包括由于对准误差导致的差异性。图S3证明了回归后功能连通性变化的总体格局保持稳定。然而，这种方法由于忽略了皮质区域的细胞结构信息，而该误差仅部分地解决了对准误差，皮质区域相对于回旋和沟褶的位置本身是可变的。因此，我们进一步量化了几个组织学定义的建筑大脑区域（Fischl等人，2008）中的功能连通性差异性，已知这些区域对错位的敏感性不同。先前的研究表明，MT的对准误差比BA 44/45大（Yeo等，2010）。我们发现MT尽管更倾向于对齐差异性，但与BA 44/45相比，其功能连通性差异性较低（0.60）（分别为0.64和0.65）。这种差异可能表明功能可变性受到影响，但不受对齐可变性支配。但是，未来关于大脑的建筑差异性的研究将有助于更好地解决这一潜在的困惑。
我们的数据集中已经包括了两个惯用左手的受试者，以便大致代表健康人群中的惯用惯性分布。为了研究这种惯用性差异对我们结果的潜在影响，排除左撇子受试者后，重新计算受试者间功能连接性差异性（图S1C）。从这两个数据集得出的差异性图具有高度相关性（r = 0.99），这表明观察到的差异性并不受该数据集中的惯用性差异性支配。
