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过去十多年来越来越多的证据表明,静息态功能磁共振成像的研究数量处于稳步上升中。静息态与人脑内在的固有的自发活动有关,很可能反映人脑功能的基线状态。大脑的多个大规模分布式静息态功能网络又被称为固有的功能脑网络,已经确认其在系统神经科学和临床神经科学领域作为有用工具的潜力。特别地,默认网络与典型的信息交互有关,对于理解人脑的基本机制、探索神经精神疾病潜在的病理生理变异非常重要。默认网络包含的脑区在特定任务条件下表现出显著的负激活,在人脑不执行特定任务时仍然保持高度活跃和紧密耦合。
由于固有的功能脑网络的重要性,功能连接方法的应用已获得越来越多的关注。独立成分分析作为一种强大的数据驱动的功能磁共振成像数据的研究方法,已经被证明能够可靠地辨识固有的功能脑网络,并且得到可喜的初步结果,但是还没有彻底研究清楚。这里我们对快速发展中的静息念功能磁共振的独立成分分析的应用做一个简短回顾,进而以静息态功能磁共振成像为手段,采用独立成分分析这一新颖并且强大的计算方法,通过个体和组水平独立成分分析研究年轻精神分裂症病人和他们的健康老年父母的固有功能脑网络,以期揭示精神分裂症遗传因素对脑功能网络的影响,最后还讨论了这种数据探索中存在的理论和实际问题。
精神分裂症是遗传上复杂的严重的精神疾病。不断积累的研究表明精神分裂症的默认网络具有异常的功能连接。但是与精神分裂症有关的默认网络的遗传上脆弱性还不清楚。家系常被用来研究遗传风险因素影响下的中间型功能障碍,即所谓内表型,但是据我们所知,目前关注精神分裂症遗传风险因素和固有的功能脑网络之间的联系的研究还很少。在本研究中,我们假设年轻精神分裂症病人和他们的健康老年父母共享了相似的脑功能异常,可能是由于长期精神分裂症遗传因素的影响。
此处我们开展了一项基于相对大样本的精神分裂症病人家庭的静息态功能磁共振研究,采用独立成分分析确定默认网络固有的功能模式进而考察精神分裂症病人和他们的未罹患精神分裂症的父母的默认网络是否以及怎样发生一致的改变。在本研究中我们检查了30名年轻病人以及30名年轻健康对照、55名病人的健康父母以及29名老年健康对照的默认网络的空间成分和时间成分的差异,其中空间模式代表默认网络的固有的功能连接,时间序列则表示默认网络内部的同步活动。跟预期一致,病人组和他们的父母组在重合区域表现出相似的功能异常,即异常高的和异常低的静息功能连接,这可能是由于同一个家庭的共同影响,比如精神分裂症遗传风险因素或者环境和遗传的共同作用。最重要的发现是父母组在后扣带/楔前叶脑区出现显著降低的功能连接,在背内侧前额叶脑区出现显著增高的功能连接,与前人的精神分裂症病人及一阶亲属的研究结果部分一致。功率谱比较发现精神分裂症病人组的默认网络的0.1赫兹以下的低频活动显著低于对照,但是发现父母组的结果与病人组的结果相反。最后我们发现精神分裂症病人的默认网络的功能连接与阳性阴性症状评分相关。现有的发现支持默认网络的静息功能连接改变能够反映精神分裂症的内表型这一假设。此外我们的结果还提示默认网络在大脑中线上的两个核心脑区,内侧前额叶和后扣带/楔前叶可能是受遗传因素、其他风险因素以及精神分裂症发展调节的关键的薄弱环节。
最后我们阐述了一般的基于种子点的相关方法和数据驱动的独立成分分析方法在处理静息态功能磁共振数据上的相似点,不同点和局限,得出结论是独立成分分析已经能够提供非常有意义的结果,尽管进一步的技术上的优化和实验上的完善有助于完全地描绘和刻画高度复杂的人脑神经功能架构。总之,基于ICA的静息脑功能网络研究具有重要价值和研究前景,本文的研究方法可以推广到认知神经科学和其他神经精神疾病的应用中。