在2岁时认识到认知能力降低的非常早产的婴儿(≤32周的胎龄)。然而,直到3-5岁左右的童年,才能对认知能力的准确临床诊断。最近,由高级扩散张量成像(DTI)技术构建的大脑结构连接组在理解人类认知功能方面发挥了重要作用。然而,具有临床和结果信息的可用的带注释的神经影像学数据集通常有限且昂贵,无法在早产儿的研究中扩大。这些挑战阻碍了新生儿预后工具的发展,以早产儿的认知能力早期预测。在这项研究中,我们将大脑结构连接组视为2D图像,并应用了建立的深卷积神经网络,以学习大脑连接组的空间和拓扑信息。此外,转移学习技术还用于减轻不足的培训数据的问题。因此,我们开发了一种转移学习增强的卷积神经网络(TL-CNN)模型,用于使用脑结构连接素体的非常早产的婴儿在2岁时对认知评估的早期预测。总共有110名非常早产的婴儿参加了这项工作。大脑结构连接组是使用在期限年龄扫描的DTI图像构建的。Bayley III认知评估是在2岁的校正年龄进行的。我们将提出的模型应用于认知定义分类和连续认知评分预测任务。结果表明,与多个同行模型相比,TL-CNN的性能提高了。最后,我们确定了大脑区域最歧视性的认知能力。结果表明,深度学习模型可能会促进早期婴儿在期限年龄的早产儿中的后期神经发育结局的早期预测。
白质区构成了大型大脑网络的结构基础。,我们将脑部全面的拖拉术应用于30,810名成年人(英国生物银行)的扩散图像,并发现90个节点级别和851个边缘级网络连接度量的遗传力显着。多元基因组的关联分析鉴定了325个遗传基因座,其中80%以前与脑指标没有相关。富集分析涉及神经发育过程,包括神经发生,神经分化,神经迁移,神经投射引导和轴突发育,以及产前脑表达,尤其是在干细胞,天文细胞,小细胞,小胶质细胞和神经元中。多元关联概要文件牵涉到31个基因座,这是左眼语言网络核心区域之间的连通性。的精神病,神经系统特征的多基因评分也显示出与结构连通性的显着多元关联,每种都暗示了与特征相关的功能曲线的不同大脑区域集合。这项大规模的映射研究揭示了对人脑结构连接的变异的共同遗传贡献。
结果:(1)在局部大脑连接组中,整个网络特征表现出低特征路径长度,并配对中度至高全球效率,这表明局部脑连接组构建的有效性。杏仁核连接组表现出比同侧海马和帕拉希公接连接组显示更长的特征路径长度和更弱的全球效率。(2)杏仁核连接组的轮毂分散在腹侧额叶,嗅觉区域,边缘,顶部,顶部区域和皮层下核,以及枢轴的海马连接组主要位于山缘,皮层和皮层下区域内。帕拉希公接连接组的轮毂分布类似于海马结构连接组,但缺乏半球间连接以及与皮层核的连通性。(3)每个ROI的大脑局部结构连接组的亚型通过层次聚类进行分类,双侧杏仁核连接组的亚型是杏仁核 - 前额叶连接组;杏仁核 - 外侧或对侧边缘连接组和杏仁核 - 伴随连接组。双侧海马连接组的亚型主要包括域半球中的海马冲向或对侧边缘连接组和前颞张 - 海马 - 腹部颞叶枕骨。parahampocampal连接组的亚型与海马的亚型表现出相似之处。
功能连接组支持各种空间尺度通过大脑传输的信息,从宽阔的皮质区域之间的交换到构成特定信息处理机制的基础的尺度尺度,顶点连接。在成年人中,虽然粗尺度和尺度功能连接都可以预测认知,但细节尺度最多可以预测差异的两倍是粗尺度的功能连接组。然而,过去的整个脑部关联研究,尤其是使用大型发育样本的研究,重点介绍了粗糙的连接组,以了解认知个体差异的神经基础。Using a large cohort of children (age 9 – 10 years; n = 1,115 individuals; both sexes; 50% female, including 170 monozygotic and 219 dizygotic twin pairs and 337 unrelated individuals), we examine the reliability, heritability, and behavioral relevance of resting-state functional connec- tivity computed at different spatial scales.我们使用连接性超容器来改善对可靠的尺度(顶点)连接信息的访问,并将细尺度连接组与传统的包裹(粗尺度)功能连接进行比较。尽管细分尺度连接组的个体差异比粗尺度上的差异更可靠,但它们的遗传差异不大。此外,连接组的一致性和比例都影响了它们预测行为的能力,从而通过两种连接组量表都很好地预测了某些认知性状,但是其他较少的认知性状可以通过细度尺度连接组更好地预测。一起,我们的发现表明,在功能连接组的不同尺度上表示的信息处理中存在可分离的个体差异,这反过来又对遗传力和认知具有明显的影响。
di效率,结构和功能性神经影像学方法的出现使主要的多站点效应能够映射人类连接组,该连接组被定义为包含中枢神经系统中的所有神经连接(CNS)。然而,这些效果并未结构用于检查周围神经系统(PNS)的丰富性和复杂性,这可以说是构成(被忽视的)连接组的其余部分。尽管对脊髓(SC)和PN的地图集的兴趣越来越高,这些地图集同时是立体定向,互动性,可电子脱离,可扩展性,基于人群和可变形的,但迄今为止很少关注这一至关重要的任务。尽管如此,这些完整的神经结构的地位对于神经外科计划,神经系统定位以及映射位于中枢神经系统外的人类连接组的成分至关重要。在这里,我们建议对人类连接组的定义进行修改,以包括SC和PNS,并主张创建包容性的地图集,以补充当前的电视效果,以绘制大脑的人类连接组,以增强临床教育,并在神经科学研究中有助于进步。在提供有关现有神经影像学技术,图像处理方法和算法进步的批判性概述中,可以结合起来,以创建完整的连接组,我们概述了一个蓝图,以最终映射整个人类神经系统,从而绘制整个人类神经系统,从而使我们的科学联系起来,以弥补我们的科学联系。
虽然超级和低奖励或惩罚敏感性(RS,PS)已被大大关注,这是心理病理学的突出传染性特征,但缺乏高度的神经生物学特征目前限制了他们的早期识别和神经编码。在这里,我们将来自艾伦人脑图集的微阵列数据与多模式fMRI方法相结合,以在发现复制设计中发现RS和PS的神经生物学特征(n = 655名参与者)。RS和PS都分别映射在大脑中,额 - 纹状体网络中的固有功能连接编码奖励响应能力,而额互助系统则特别参与惩罚敏感性。与RS和PS相关的这种可解散的功能连接模式在区分由社会或金钱奖励和惩罚动机驱动的决策中也是特定的。进一步的成像转录组分析表明,RS和PS的功能连接组变化与富含本体论途径的特定基因集的地形相关,包括突触传播,多巴胺能代谢,免疫反应和应激适应。在神经递质水平上,5-羟色胺神经调节剂被识别为一个关键枢纽,可调节RS和PS的固有功能连接组模式,并且此过程严重取决于其与多巴胺能,阿片类药物和Gabagagagric Systems的相互作用。总体而言,这些发现表明RS和PS的可分离神经连接组映射,并突出了它们与转录组概况的联系,这可能为与奖励/惩罚处理缺陷有关的症状学评估提供了宝贵的见解。
在支持情绪调节的额叶网络中的破坏长期与适应不良的儿童侵略有关。然而,尚未测试人类连接组中的大规模功能网络与侵略性行为之间的连通性。通过使用数据驱动的机器学习方法,我们表明情绪处理过程中连接组的功能组织预测了儿童侵略性的严重性(n = 129)。在涉及认知控制(额叶),社会功能(默认模式)和情感处理(皮层)的大规模网络内和之间确定了侵略性的连接性预测。在青少年脑认知发展研究的独立样本中,在功能连接的发现中进行了样本外复制和概括(n = 1,791; n = 1,701)。这些结果定义了基于新连通性的儿童侵略网络,该网络可以用作生物标志物,以告知有针对性的治疗以进行攻击。
中国科学院脑连接组与行为重点实验室,中国科学院脑连接组与操控重点实验室,中国科学院深圳先进技术研究院脑认知与脑疾病研究所;深港脑科学研究所,深圳,中国 4 中国科学院大学,北京,中国 5 上述作者对本文贡献相同 6 主要联系人 *通信地址:aidat@mit.edu (TA)、wildej@mit.edu (JJW)、zh.lu@siat.ac.cn (ZL)、fengg@mit.edu (GF)
图1实验设计和生成建模程序。(a)在产后第0天,将49只幼崽随机分配到不可预测的产后应力或标准饲养条件下,直到产后第26天。第70天后,处死小鼠并进行离体扩散成像。全脑概率拖拉术用于重建每只动物的结构连接。(b)使用10个节点的简化连接组的生成过程的插图。从稀疏种子网络(t = 0)开始,一次添加一个边缘,直到模拟达到观察到的连接组中发现的边缘数(t = e)。在每个步骤中都更新了接线概率的矩阵,随着网络拓扑的出现,可以进行动态变化。(c)通过系统地改变生成规则和参数组合,可以识别拓扑术语k和参数𝜂和𝛾最能最能模拟观察到的连接组的组织。
