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基于白质纤维束的胶质瘤患者脑功能网络分析
目的 复杂网络理论揭示了人脑结构和功能网络中的很多拓扑属性,通过基于白质纤维束的脑功能网络建模方法分析胶质瘤患者功能网络变异特性.方法 首先基于matlab平台利用spm8数据包对数据进行预处理,然后采用磁共振白质纤维束和小世界网络理论对20例正常人和20例神经胶质瘤患者进行脑功能网络建模.通过对脑功能网络连接度、簇系数和平均路径等参数分析,研究胶质瘤患者小世界拓扑属性.结果 对比正常人,被试神经胶质瘤患者脑功能网络遭到破坏,患者脑网络的小世界属性及网络容错能力明显下降,信息传输大的脑功能区区域发生转移,平均路径在额中回、旁中央小叶、顶叶等区域出现异常.结论 胶质瘤患者脑功能网络变异明显,小世界属性显著降低.
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基于弥散张量成像的脑结构网络参数研究
目的 利用复杂网络参数评估大脑特征,是探明大脑工作机制的新思路.方法 本研究基于弥散张量纤维束追踪和小世界网络理论构建脑结构网络.首先利用自动解剖标定(automated anatomical labeling,AAL)模板对大脑分区,并计算脑区间的纤维连接情况,对正常人的大脑结构进行网络建模.然后分析脑结构网络中节点度、簇系数和节点介数等网络参数,并通过引入小世界网络的介数和损伤性定义人脑结构网络的核心节点位置和特征.结果 脑结构网络具有小世界属性,且网络中存在少量的核心节点,具有较高的节点度和簇系数值.结论 利用弥散张量成像能够客观构建大脑结构网络,而核心节点的存在为揭示脑疾病的病理生理机制提供新的思路.
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额颞叶肿瘤患者手术前后大脑网络特性研究
脑肿瘤患者大脑的损伤及手术对大脑认知的影响是目前临床为关注的问题.基于静息态fMRI脑功能分析技术及小世界网络分析方法,研究9例脑额颞叶肿瘤患者的大脑肿瘤对大脑默认模式网络和感觉运动网络的影响,以及肿瘤切除对大脑功能网络特性的改变.首先基于ICA方法,研究肿瘤及手术切除对患者大脑默认网络和感觉运动网络的影响;接着构建肿瘤患者术前术后和正常对照组的小世界网络,对网络的拓扑特性和网络参数进行分析;然后运用介数中心度,求出各组的脑功能网络核心节点,并比较分析患者和正常人、患者术前术后核心节点的变化;后比较分析患者术前、术后默认模式网络和感觉运动网络中脑区的具体变化.研究结果发现,默认模式网络和感觉运动网络神经活动活跃程度降低,证明肿瘤病灶对大脑内源性网络的两个模块造成了明显的损害;患者术后的小世界属性(σ=γ/λ)显著降低(术前:3.591±0.302,术后:3.263±0.174),簇系数显著降低(术前:0.482±0.007,术后:0.454±0.011),并且脑肿瘤使核心节点向肿瘤对侧偏移.默认网络中手术后肿瘤的切除使得右侧脑区(原肿瘤侧)活动变得强烈,右脑介数中心度值明显上升(术前:0.012 5±0.000 5,术后:0.018 4±0.001 0);左脑活动有所缓和,左侧介数中心度值显著下降(术前:0.018 0±0.001 l,术后:0.012 2±0.000 6).术后部分被抑制的节点又重新激活.通过对病人的默认模式网络和感觉运动网络的研究,发现肿瘤对患者大脑功能网络有一定的破坏,术后会有所改善.研究结果表明,由于大脑高级神经皮层的重组性和代偿机制,脑肿瘤患者术后可能出现功能恢复.
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抑郁症情绪面孔加工的大脑功能网络研究
研究抑郁症患者和正常人在不同的情绪认知任务下大脑功能网络是否存在差异.采用了相位同步的方法以衡量不同脑区间的连接强度,运用网络参数全局和局部效率来刻画大脑的小世界拓扑结构.选取16个抑郁症患者和14个正常被试进行正负情绪面孔搜索的认知任务,同时记录头皮脑电.选择低gamma (30 ～ 50 Hz)和高gamma (50～80 Hz)两个频段的数据建立相位同步矩阵.结果显示:抑郁症患者组的全局相位同步值高于正常组;低gamma频段网络成本区间在(0.25～0.50)内,高gamma频段网络成本区间为(0.25-0.55),情绪加工网络的全局和平均局部效率介于随机网络和规则网络之间,具有小世界特性;在高gamma频段,在大效费差下(网络成本为0.3),全局效率值在组间有显著性差异,此时局部效率无显著性差异发现;在网络成本为0.5时,发现抑郁症组在左顶颞区和枕区的局部效率显著高于正常组,在情绪间未发现显著性差异.综上反映了抑郁症患者情绪加工网络的异常特性,为抑郁症患者神经网络机制的研究提供了一定的参考.
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局灶性脑损害患者视觉注意环路的小世界网络属性分析
目的:探讨局灶性脑损害患者视觉注意网络的连通性及其小世界特征.方法:对2例局灶性后顶叶损害、2例背外侧前额叶损害、2例颞叶损害(其中1例为手术前后)和1例锥体束损害患者进行静息态fMRI检测,然后进行功能网络建立和小世界属性分析.结果:所有局灶性脑损害患者的脑功能网络在给定阈值范围(0.05-0.5)内都具有小世界属性.局灶性后顶叶、背外侧前额叶、颞叶和锥体束损害患者之间,Gamma系数差异(P＜0.05)和Sigma系数差异(P＜0.01)均具有显著性意义.结论:小世界网络分析为视觉注意网络的连通性研究提供了一个非常有价值的方法.我们推测,小世界网络检测方法应该可以作为局灶性脑损害神经功能损害的影像学生物标记.
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正常人运动皮质的功能连接网络及其小世界性
目的 利用静息态fMRI观察运动皮质的功能连接网络及其小世界性.方法 对90名健康成年志愿者行静息态fMRI数据采集,分别以双侧M1区为种子点获得全脑正性及负性功能连接脑图.以这些区域作为节点,计算其平均聚类系数Cp和平均短路径长度Lp、全脑随机网络属性Crand和Lrana；按照公式γ=Cp/C怕nd＞1和λ=Lp/Lrand≈1分别计算γ及λ值,以验证其小世界网络属性.结果 静息态以M1区为种子点的正激活区域主要包括双侧初级运动皮质、运动前区及辅助运动区；负激活区域包括双侧额上回、楔前叶、缘上回、角回、双侧颞上回及小脑后叶.在矩阵稀疏度0.1≤Sparsity＜0.5范围内,这些区域的小世界属性符合γ=Cp/Crand＞1及λ=Lp/Lrand≈1.结论 运动皮质的正性连接主要集中在运动系统内,负性连接与脑的默认网络类似,运动皮质功能网络具有小世界性.
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阿尔茨海默病患者脑功能网络小世界属性改变及其与认知功能的相关性
目的 利用图论分析方法观察阿尔茨海默病(AD)患者脑功能网络小世界属性改变及其与认知功能的相关性.方法 对42例AD患者(AD组)和31名正常志愿者(对照组)进行神经心理学评估,并采集静息态fMRI数据,构建小世界网络,计算小世界网络属性参数,包括聚类系数(Cp)、短路径长度(Lp)、标准化聚类系数(γ)、标准化短路径长度(λ)及小世界性(σ).以独立样本t检验比较2组间小世界网络属性的差异,以偏相关分析评估小世界网络属性与认知评分的相关性.结果 在不同稀疏度下,AD组及对照组d均＞1,表示AD患者及正常受试者脑功能网络均具有小世界属性.AD组小世界属性参数Lp、λ大于对照组(P均＜0.05),AD组与对照组间Cp、γ差异均无统计学意义(P均＞0.05).AD患者Cp与听觉词语学习测验(AVLT,即时)、AVLT(延迟)评分呈正相关(r=0.646,P＜0.001;r=0.438,P=0.008),Lp与AVLT(即时)评分呈负相关(r=-0.381,P=0.035).结论 AD患者脑功能网络的小世界属性发生改变,且与情景记忆能力具有相关性.脑功能网络小世界属性改变能够较好地反映AD患者的病理生理改变.
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正常老年人大脑功能网络的小世界性
目的 利用静息态BOLD-f MRI探讨正常老年人脑功能网络是否具有小世界性.方法 20名健康老年志愿者纳入研究.采集静息态BOLD-fMRI数据.应用SPM 5软件进行数据预处理,利用解剖学自动标记模板将大脑分成90个区域,提取每个区域内所有体素的时间序列平均值,计算每2个区域之间的Pea rson相关系数,构建N×N(N=90)的相关性矩阵R,并对矩阵进行Fisherr toz变换.采用直接定义阈值T和设定矩阵稀疏度两种方法确定阈值,根据小世界性的定义:当γ=Gp/Crand ＞1,且λ=Lp/Lrand≈1时(C为平均聚类系数,L为平均路径长度,p表示规则网络,rand表示随机网络),认为该网络具有小世界性.结果 在直接定义阈值T条件下,γ值为1.3157±0.3572(1.0005～2.1882),λ值为1.0149±0.0226(1.0000～1.0796);在设定矩阵稀疏度条件下,γ值为1.3299±0.2330(1.0759～1.9574),λ值为1.0152±0.0190(1.0001～1.0679).两种方法均表明该网络具有小世界性.结论 正常老年人脑功能网络具有小世界性.
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儿童抽动秽语综合征小世界网络研究
目的 应用静息态功能MRI(rs-fMRI),对儿童抽动秽语综合征(TS)患儿脑小世界网络特征,以及TS的网络区域属性与临床症状的相关性进行研究.方法 选择2015年9月至2017年8月,于四川大学华西第二医院就诊,并且被诊断为儿童TS的25例患儿为研究对象,纳入研究组.选择同期于本院进行体检的22例健康儿童,纳入对照组.采集2组受试儿的rs-fMRI相关数据,采用GRETNA软件进行分析,得到全脑网络属性与区域网络属性有差异的脑区,并且对其临床资料进行相关性分析.采用x2检验,对2组受试儿的性别构成比进行比较.采用独立样本f检验,对2组受试儿的年龄进行比较.采用Wilcoxon秩和检验,对2组受试儿的受教育年限进行比较.采用非参数置换检验,对2组受试儿的全脑及局部网络属性参数进行比较.采用直线相关性分析,对节点效率(e)减低脑区的曲线下面积(AUC)与《耶鲁综合抽动症状量表(YGTSS》》总评分进行相关性分析.本研究遵循的程序符合四川大学华西第二医院人体试验委员会所制定的伦理学标准,得到该委员会批准,分组征得受试儿监护人的知情同意,并与之签署临床研究知情同意书.结果 ①研究组与对照组受试儿的性别构成比、年龄、受教育年限等一般临床资料比较,差异均无统计学意义(P＞0.05).②研究组受试儿的YGTSS评分结果:躯体抽动总评分为(13.32±2.94)分,发声抽动总评分为(4.84士5.10)分,YGTSS总评分为(42.16±12.59)分.③研究组和对照组受试儿全脑网络均表现出小世界网络属性.与对照组相比,研究组受试儿的全脑效率(Eglob)显著降低,2组比较,差异有统计学意义(P=0.014 1);而特征路径长度(Lp)、标准化特征路径长度(λ)则均显著增加,差异均有统计学意义(P=0.008 2、0.035 7).与对照组相比,研究组左侧后扣带回(PCC)的e显著降低,2组比较,差异有统计学意义(P＜0.000 1);而右侧壳核e亦显著减低,差异有统计学意义(P=0.000 3),这2组数据均采取错误发现率(FDR)校正.④研究组受试儿左侧岛盖部额下回及右侧颞极e减低区的AUC值与YGTSS总评分,均呈负相关关系(r=-0.444 3,P=0.026 1;r=-0.462 2,P=0.020 0).结论 本研究揭示了儿童TS全脑网络具有小世界网络属性.TS患儿神经网络全脑及其诸个节点属性与正常儿童比较存在差异,其Eglob减低,而Lp、λ增加,趋向于向规则网络转换.儿童TS患儿的神经网络全脑诸个节点属性异常脑区,聚集于大脑皮质-纹状体-丘脑-大脑皮质(CSTC)环路,这揭示其脑网络特点,对评估儿童TS的疾病状态及对该病的治疗,提供了全脑网络生物学标志物.
关键词： 抽动秽语综合征 静息态功能磁共振成像 小世界网络 儿童 -
用小世界网络模型研究SARS病毒的传播
用小世界网络模型对非典型肺炎的传染动力学行为做了数值模拟研究.在传染模型中加入了负反馈机制与信息流效应.我们的模拟结果成功地得到了和现实病毒扩散相同的趋势.我们的主要研究结果是:负反馈机制可以有效地抑制非典型肺炎的蔓延,但在某些情况下可能引起感染人数的反复性振荡.另外,保持信息的透明度是战胜非典型肺炎的重要保证.
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阿尔茨海默病患者的大脑功能网络小世界性
目的 利用静息态血氧水平依赖功能磁共振(BOLD-fMRI)数据,构建大脑功能网络,探讨阿尔茨海默病(AD)患者脑功能网络的小世界属性是否改变.方法 收集2009年1月至2010年6月复旦大学上海医学院附属华山医院神经内科门诊33例AD患者和20名健康老年志愿者参加试验.受试者行简易智能状态检查( MMSE)和Mattis痴呆评定量表(DRS)测试,评估其认知水平.采集静息态BOLD-fMRI数据,计算90个区域之间的相关系数,构建N×N(N =90)的相关性Z值矩阵.检验AD患者和正常老年人大脑网络的小世界属性,通过双样本t检验探索AD患者相关参数变化.结果 行为学结果:AD组和正常对照组MMSE平均分值分别为20.6±2.3、28.2±1.8.AD组和正常对照组DRS平均分值分别为96 ±11、123±14.两组差异均有统计学意义(均P＜0.01).在0.1≤Sparsity≤0.4范围内,AD组和正常对照组均符合小世界属性.但AD患者的聚类系数和平均路径长度在所有阈值点均显著大于正常对照组(P＜0.05).结论 AD患者的大脑功能网络仍具有小世界属性,但聚类系数和平均路径长度均高于正常人,提示AD患者脑功能网络信息传递能力和脑区之间信息整合能力受损,该发现对从网络角度研究AD病理机制具有重要意义.
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小世界网络中埃博拉病毒传播的研究
目的 为更好地防御和控制埃博拉病毒疫情,需要建立病毒在高度聚集的人类社会中的传播数学模型.方法 建立了包含潜伏节点的小世界网络传播模型(SEIR模型),并对病毒的实际传播情况进行了仿真,进而使用模型研究初始感染人数及社会的人群聚集度(关联度)对病毒传播过程的影响.结果 模型的仿真结果与病毒实际报道的传播情况相符,表明所构建的模型对疫情防控具有现实指导意义.病毒的传播速度与初始染病人数和关联度具有明显的正相关关系,因此在潜伏期内对病毒传播进行干预以及对感染者进行隔离可对疫情进行有效控制.
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阿尔茨海默患者大脑功能网络的中央节点性改变
目的 网络的中央节点性是对网络中某节点重要性的评估指标,反映了该节点的信息传递能力.本研究基于静息态fMRI数据,采用图论方法探讨阿尔茨海默病(Alzhemier's disease,AD)对大脑功能网络中央节点性的影响.方法 采集33例AD患者和20例正常老年人的静息态BOLD-fMRI数据,应用SPM5和DPARSF软件进行预处理,提取大脑90个区域的平均时间序列构建相关矩阵,以网络代价Cost为阈值,计算Cost=0.2时两组受试者90个脑区的中央节点性值,用双样本t检验分析AD组90个脑区的中央节点性值与正常人是否存在显著差异.结果 阿尔茨海默病患者右扣带回后部(近枕下回)、右舌回和右豆状核壳的中央节点性值较正常人显著降低,右枕中回、左缘上回和左颞极颞上回的中央节点性值较正常人显著增高.结论 AD患者扣带回后部及豆状核等脑区的信息传递能力降低.脑内可能存在代偿机制,以代偿这些重要脑区的功能减低.
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阿尔茨海默病和轻度认知障碍中基于图论分析的脑结构和脑功能网络研究进展
阿尔茨海默病是以记忆及其他认知功能进行性减退为特征的神经退行性疾病。近年来，结合结构、功能磁共振成像技术与图论分析的研究，发现阿尔茨海默病和轻度认知障碍患者大脑网络存在局部和全局拓扑属性异常改变，这不仅为了解其病理生理学机制提供了新的视角，也为疾病的诊断寻找到新的影像学标志。作者主要回顾近年来人脑网络在轻度认知障碍和阿尔茨海默病中的研究进展，尤其是基于图论分析的脑结构和脑功能网络拓扑结构的研究，并提出现存的问题和未来研究方向。
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胶质瘤功能连接网络的静息态脑磁图研究
目的 通过静息态脑磁图评估胶质瘤对人类大脑功能连接网络的影响.方法 本研究共采集20例胶质瘤患者及20例健康受试者的静息态脑磁图数据,在Delta频段,Theta频段,Alpha频段,Beta频段,低Gamma 频段和高Gamma频段6个频段上分别构建网络,对比分析两组功能连接网络之间的差异.结果 胶质瘤患者脑功能连接网络在Alpha频段呈现显著的小世界网络特性；与健康对照组相比较,胶质瘤患者功能连接在低Gamma 和高Gamma频段出现显著下降(P＜0.05),左侧半球胶质瘤在beta频段脑功能连接显著高于右侧(P＜0.05),而性别、年龄对脑功能连接的影响并无统计学意义.结论 胶质瘤患者大脑小世界网络特性出现改变；同时胶质瘤患者在低Gamma和高Gamma频段出现功能连接显著下降,左右大脑半球胶质瘤对患者Beta频段功能连接网络的影响有显著差异.
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额叶低级别胶质瘤患者认知功能与手术前后小世界网络特性的fMRI研究
目的 探讨低级别胶质瘤患者(LGG)认知功能及手术前、后脑结构功能网络的改变情况.方法 对8例拟诊为额叶LGG患者于手术前、后分别进行静息态脑功能(resting-state fMRI)数据采集.术前及术后运用中文版蒙特利尔认知评估量表(MoCA)进行评估,并与8名正常志愿者对照研究.结果 病例组术前、术后认知评分平均值分别为(22.5±1.5)分和(21.8±2)分,对照组(27.9±2.1)分,患者组评分低于对照组,差异有统计学意义(P＜0.05).以0.05≤Kcost≤0.35为网络阈值,术前、术后患者脑网络均符合小世界特性,局域效应Elocal对照组大于术前、术后LGG组,全局效应Eglobal术前、术后LGG组都高于对照组,当术后小世界属性(σ=2.49)低于术前(σ=2.68),术前信息传输大的脑功能区分别为后扣带回,缘上回,岛叶；术后则分别为楔前叶、距状沟和额上回.术前脑功能网络大簇系数分别为嗅皮质、颞横回和距状沟；术后分别为豆状核、颞横回和枕上回.术前信息传输的平均路径小于术后,且小世界属性参数与中文版蒙特利尔认知评估呈正相关.结论 LGG伴有认知功能改变,手术前、后均符合具有小世界网络属性.
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基于突触可塑性的小世界神经网络的动态特性研究
人工神经网络具有大规模的信息处理和存储能力、良好的自适应性以及很强的学习功能、联想功能和容错功能.动态特性的研究一直是人工神经网络理论研究的重点,主要原因在于人工神经网络的应用都与网络的动态特性有关.目前,神经网络的研究主要是基于层级网络,其拓扑不能模拟真实生物神经网络.小世界网络作为大量真实复杂系统的高度抽象,具有生物神经网络特性.本研究首先构建了小世界网络并基于复杂网路理论选择出适合于小世界网络的佳参数,进而基于突触可塑性调节机制和小世界网络拓扑构建了小世界神经网络,并从放电特性、突触权重动态特性和复杂网络特性三个方面分析了小世界神经网络的动态特性.实验结果表明:随着时间的增加,小世界神经网络的兴奋性与抑制性神经元放电模式没有改变且神经元的放电时间趋于同步;小世界神经网络中各神经元间的突触权重急剧减小终趋于稳定;网络的连接减弱且信息传递效率降低,但小世界属性较为稳定.小世界神经网络的动态特性随时间而变化且相互影响:网络的放电同步特性可影响突触权重趋于小值分布,进而突触权重的动态变化也可影响复杂网络特性.
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基于协同智能的膜蛋白相互作用及其网络特性的研究
膜蛋白及其相互作用网络已经成为现在生物信息学领域研究的一个新方向.本文提出了一种基于协同智能的膜蛋白相互作用及其网络的研究方法.这里所说的协同智能指的是谱分析、模糊K近邻(KNN)算法等方法的集成.我们将生物系统看作是一系列的计算组件,这些组件之间在外界环境下相互作用可以根据要求构造出膜蛋白相互作用网络.基于以上所提出的方法,可以更加深入地发现膜蛋白相互作用及其网络具有一定的动态和集成特性,比如小世界网络、无标度分布以及分层模块结构.这些性质类似于其他已经得到广泛研究过的蛋白质相互作用及其网络.针对这些膜蛋白相互作用及其网络特性的研究将有助于以后更深入开展一些相关生物和药物的研究.
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基于弥散张量追踪技术的胶质瘤患者结构网络的节点度研究
目前临床上迫切需要一种有效的脑胶质瘤患者脑功能损伤的检测手段,理解其发病机制.本研究提出弥散张量追踪技术与“小世界”网络相结合的方法,利用脑结构网络中节点度来研究颞叶区胶质瘤患者大脑的复杂网络拓扑属性.实验结果表明:对比正常被试组,不同等级的胶质瘤患者脑网络均遭到不同程度破坏,但破坏程度与肿瘤等级无关.网络中功能连接的度分布均呈异质性较明显的指数截断幂律分布.同时胶质瘤患者组的信息传输大的脑功能区域发生转移,且存在语言功能区和感觉功能区等区域的缺失.
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多发性硬化基底节功能磁共振成像的研究进展
磁共振成像(magnetic resonance imaging,MRI)作为一种无创、准确的检查手段,越来越多地运用于疾病研究中,尤其在认知神经学领域运用广泛.目前从传统磁共振成像衍生出来的成像技术也层出不穷,如基于体素的形态学测量、灌注成像、磁共振波谱、弥散张量成像、功能连接、小世界网络等,为神经科学研究提供了更精准的技术方法,使从功能、结构异常改变推测疾病的病理生理学机制成为可能.
