近日，中國科學(xué)院行為科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗室嚴超贛研究組在腦成像領(lǐng)域頂級期刊NeuroImage發(fā)表了題為《Stability of dynamic functional architecture differs between brain networks and states》的實(shí)驗論文。該文章作者開(kāi)發(fā)了一種衡量人腦功能活 動(dòng)動(dòng)態(tài)穩定性的新指標，揭示了穩定性指標在大腦不同網(wǎng)絡(luò )間分布的規律，證明了該指標在被試處于靜息態(tài)和接收自然刺激條件時(shí)的變化模式。

　　人類(lèi)的大腦能夠既靈活又穩定地接收和處理來(lái)自?xún)韧獠凯h(huán)境紛繁復雜的信息，其關(guān)鍵在于分布式的神經(jīng)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(dòng)態(tài)變化的，但仍呈現出一定程度的穩定性，即腦功能活動(dòng)或連接模式在一個(gè)連續狀態(tài)內的多個(gè)時(shí)段（長(cháng)度約一分鐘）之間表現出相似性。雖然已有許多對腦動(dòng)態(tài)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(wǎng)絡(luò )的穩定性分布模式仍不清楚。

　　相對于感覺(jué)運動(dòng)加工的單模態(tài)腦區（unimodal region），負責高級認知加工的聯(lián)合腦區（high-order association region），其功能連接更具廣泛性和全局性。從動(dòng)態(tài)（dynamic）角度看，高級聯(lián)合腦區作為整合不同模態(tài)信息的核心腦區，需要根據特定需求適時(shí)地動(dòng)態(tài)切換其與不同腦區的連接，因而它們的動(dòng)態(tài)功能穩定性比單模態(tài)腦區更低。但是，已有一些研究從靜態(tài)（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(lián)合腦區的穩定性更高。

　　本研究擬通過(guò)實(shí)證研究，從動(dòng)態(tài)的角度，逐個(gè)體素精確地描繪出腦功能穩定性的分布，檢驗上述兩個(gè)關(guān)于腦功能穩定性的假設。此外，研究還進(jìn)一步考察腦功能穩定性如何受自然情境任務(wù)的調節。

圖1. 腦動(dòng)態(tài)功能穩定性計算圖示

　　本研究把單個(gè)體素的動(dòng)態(tài)功能穩定性定義為該體素的全腦動(dòng)態(tài)功能連接（dynamic functional connectivity）的前后一致性，以肯德?tīng)柡椭C系數測定（圖1）。

　　實(shí)驗一從公開(kāi)數據庫CoRR(Consortium for Reliability and Reproducibility)獲取具有重復測量設計的靜息態(tài)（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(lián)合腦區和單模態(tài)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(tài)下高級聯(lián)合腦區呈現高穩定性，尤其是位于默認網(wǎng)絡(luò )的腦區，而初級感覺(jué)運動(dòng)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(wǎng)絡(luò )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），反應了這一指標良好的重測信度。

圖2. 腦動(dòng)態(tài)功能穩定性的全腦分布模式及網(wǎng)絡(luò )分布情況

　　在建立了腦功能穩定性的具體測量方法之后，實(shí)驗二進(jìn)一步從公開(kāi)數據庫HBN獲取兩組fMRI數據，一組作為發(fā)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(guān)看電影時(shí)和靜息態(tài)的腦活動(dòng)圖像。通過(guò)觀(guān)影狀態(tài)和靜息態(tài)的比較，考察腦功能穩定性如何受到自然情境任務(wù)的調節，并重點(diǎn)關(guān)注視覺(jué)聯(lián)合皮層與視覺(jué)初級皮層的差異。對發(fā)現組的分析結果顯示，相比于靜息態(tài)，初級視覺(jué)皮層的功能穩定性在觀(guān)看電影時(shí)降低了；相反，視覺(jué)加工通路的高級聯(lián)合腦區的功能穩定性在觀(guān)看電影時(shí)升高了（圖3A）。驗證組的分析也發(fā)現了觀(guān)影狀態(tài)和靜息態(tài)之間類(lèi)似的功能穩定性差異，說(shuō)明了這一結果具有良好的可重復性（圖3B）。本研究對腦功能穩定性分布模式和受自然情境任務(wù)調節模式的研究成果，從動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò )角度為大腦的穩定性特征提供了證據支持，并有望為發(fā)展心理狀態(tài)檢查和疾病診斷的神經(jīng)標志物提供參考。

圖3. 腦動(dòng)態(tài)功能穩定性在觀(guān)看電影時(shí)和在靜息態(tài)下的差異

　　本研究第一作者為李樂(lè )博士，通訊作者為嚴超贛研究員，受?chē)易匀豢茖W(xué)基金（81671774、81630031），國家重點(diǎn)研發(fā)計劃（2017YFC1309902），中科院心理所科研啟動(dòng)經(jīng)費等項目支持。該論文已于2019年9月29日于NeuroImage在線(xiàn)發(fā)表，文章鏈接地址為：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1053811919308213。

　　論文信息：

　　Li, L., Lu, B., Yan, C.G. (2019). Stability of dynamic functional architecture differs between brain networks and states. Neuroimage, 116230, doi:10.1016/j.neuroimage.2019.116230.