静息态功能连接模式的动态重配及其应用研究

Cognitive flexibility is a vital capability of the human beings. However, its neural basis remains largely unclear. Moreover, little is known concerning effects of age or diseases on human cognitive flexibility. Task-related brain activation has been used to explore the neural mechanisms of cognitive flexibility. Although a few or dozens of cognitive tasks were utilized, it is hard to describe virtually infinite variety of human cognitive actions. Recently, emerging evidence emphasizes dynamics of resting-state (spontaneous) brain activity reflecting the exploration of rich functional organization. Using resting-state fMRI technique, our current study will explore the neural basis of cognitive flexibility based on dynamic functional connectivity methods, including: 1) propose a probabilistic model to quantify the dynamic reconfiguration of functional connectivity patterns for each brain region; 2) to identify the flexible hubs and inflexible regions in three groups of healthy volunteers with different ages (i.e., adolescent group, young adult group, and older adult group), as well as changes of the flexibility of high-level cognitive control regions with age; and 3) to explore the effects of adolescent generalized anxiety disorder on the flexibility of high-level cognitive control regions. This study can provide new insights into organizational principles of human brain.

认知灵活性是人类具有的最重要能力之一。不过对其神经基础仍然不明确。另外，年龄或者疾病状态对认知灵活性的影响也知之甚少。以往的研究主要利用与实验任务有关的脑激活方法研究认知灵活性的神经机制。但是仅仅采用几种或者几十种认知任务很难全面地描述人类丰富的认知活动。最近出现的证据强调静息态（自发）脑活动的动力学行为反映了大脑在不断地探索各种可能的功能组织。本课题将采用静息态功能磁共振成像技术和基于动态的功能连接方法探究人类认知灵活性的神经基础。主要内容包括：1）提出一种概率模型来定量描述功能连接模式时空动态的灵活性；2）利用这种模型来探索不同年龄段健康被试（青少年组，年轻的成人组和老年组）大脑中最灵活和最稳定的脑区分布，以及年龄对高级认知控制相关脑区灵活性的影响；3）研究青少年广泛性焦虑症对高级认知控制相关脑区灵活性的影响。这项研究将对人脑的功能组织原理提供一种新的认识。

人类具有一种无与伦比的能力就是能够灵活地、适应性地执行各种各样的有目的任务。这种认知灵活性给神经科学领域提出了一个最基本的问题：人类的大脑是如何进行信息处理以灵活地应对各种认知需求。近年来越来越多的影像学证据表明静息态（自发）脑活动的动力学行为反映了大脑在不断地探索一系列可能的功能组织，能够更加一般性地描述人类丰富多彩的认知活动。本课题主要采用静息态功能磁共振成像技术和基于动态功能连接的方法研究大脑内在功能灵活性的组织规律。研究内容主要包括：（1）我们提出了一种新的概率模型框架并结合复杂性测量（香农熵）来定量描述静息态功能连接模式的时空动力学行为，揭示了人类大脑内在功能灵活性图谱，即发现大脑的高级联合皮层呈现较高的功能灵活性，初级感觉皮层呈现较低的功能灵活性；进一步将脑区灵活性方法应用于研究不同年龄段健康被试以揭示大脑内在功能灵活性的毕生发展规律，结果发现背外侧前额叶功能灵活性随年龄呈∩型的变化，而侧顶叶功能灵活性随年龄呈∪变化；（2）将脑区灵活性方法应用于人-猴比较研究以揭示大脑内在功能灵活性图谱在不同物种之间的进化规律，结果发现猕猴和人类大脑内在功能灵活性图谱具有一定的相似性，特别是前额叶；（3）我们又提出了一种新的图论指标（邻居分散指数）来描述脑区的内在功能多样性，结果发现额顶和突显网络相关脑区呈现较高的功能多样性，而初级感觉脑区呈现较低的功能多样性；（4）将脑区灵活性方法应用于研究青少年广泛性焦虑症，初步结果发现患者视觉相关脑区的内在功能灵活性小于健康对照组，两侧杏仁核和岛叶之间出现功能连接的概率降低。本项目从方法学的建立到应用做了一系列工作，为大脑内在功能组织原则提供了新的见解，也为人类发育、老龄化、人类进化、以及脑疾病的神经基础提供了新的认识。通过提出一种概率模型框架来描述复杂大脑系统的功能配置，也可能对人工智能系统的设计起到一定的启发作用。