X性染色体缺失所致的人脑复杂网络异常与认知能力缺陷研究

It has been well demonstrated that the patients with incomplete X-chromosome (Turner syndrome) exhibit significant deficits in specific cognitive performances such as math skills and spatial abilities, suggesting certain abnormalities of brain structure and function in these patients. The impact of X-chromosome on the neuronal system therefore can be well determined by revealing the differences in the human brain between these patients and normal controls. On the other hand, the neuronal mechanism of specific cognition that is impaired in these patients can also be well determined through these patients, since they are valuable cognitive damage models in-vivo. ..Here,we are proposing an integrative study involving human chromosome(gene), brain and cognition. Specifically, our proposed project aims to 1)reveal how the X-chromosome affect the human brain from the perspective of complex network, and 2) how the whole-brain networks underlie specific cognitive performance. To achieve these goals, multi-modal magnetic resonance imaging techniques (structural MRI, diffusion MRI and resting-fMRI), standard neuropsychological tests and complex network analysis approaches will be employed to 1) investigate topological differences of the whole-brain networks between patients with incomplete X-chromosome and normal controls, and 2) explore the relationships between abnormalities of whole-brain networks and deficits of specific cognition in the patients. This project will also test whether and how the karyotype and age of patients affect the changes of brain networks and impairment of cognition. The findings of this project will yield important new data, which can substantially enhance our understanding of the function of X-chromosome on the neuronal system, as well as the neuronal mechanisms of specific cognition. In addition, the results from this project can also be very informative for the understanding of the genetic basis of human brain networks.

研究表明，X性染色体缺失患者(特纳综合征)表现出特异性的认知能力低下（如数学、空间能力），提示患者脑结构与脑功能存在某些异常。深入研究这些患者的脑异常将有助于阐明X性染色体对神经系统的影响及作用；另一方面，具有特定认知缺陷的X性染色体缺失患者作为难得的活体损伤模型，为研究相关受损认知能力的脑机制提供了重要契机。本项目拟采用多模态磁共振影像技术、标准神经认知测查和人脑复杂网络分析方法，从全局和系统的新兴角度来揭示X性染色体缺失患者的脑结构与脑功能网络异常及其与认知能力损伤之间的关联，这是对基因水平、脑水平及行为水平的关联整合研究。此外，我们还将探讨年龄及患者染色体核型对脑网络异常及认知损伤的影响。本项目的研究发现将为理解X性染色体对人脑网络的影响及认知能力的脑网络机制等提供重要的科学证据，同时也将为人脑复杂网络的遗传基础这一重大科学问题提供重要的新信息。

X性染色体缺失患者(特纳综合征)表现出特异性的认知能力低下，分析研究这些患者的脑异常有助于阐明X性染色体对神经系统的影响及作用；另一方面，这些具有特定认知缺陷的X性染色体缺失患者，为研究这些认知能力的脑机制提供了难得的损伤模型和活体人脑样本。..本项目的主要研究内容包括（1）采集和分析特纳患者与正常对照的多模态磁共振影像数据和认知评测，并计算脑灰质结构、脑白质微观属性、静息态脑功能自发活动强度，统计分析其组间差异；（2）利用多模态磁共振影像数据构建多模态脑网络，分析并计算其拓扑属性，统计检测特纳患者组与正常对照组在脑网络维度上的组间差异；（3）检测特纳患者与正常对照的特定子网络差异，并结合特纳患者组与正常对照组的认知能力差异，解析认知能力损伤与子网络差异之间的相关性，从而揭示这些认知能力损伤的脑网络基础。通过本项目的系统研究，我们发现特纳患者呈现特异性的皮层形态异常，且皮层厚度与IQ的相互关系也会随着X染色体缺失呈现异常；在灰质皮下核团方面，特纳女孩的左侧杏仁核底外侧表面异常凸出；而特纳女孩的全脑白质则呈现弥散性的微结构损伤。这些发现为理解X染色体对人脑结构的作用模式提供了重要参考信息。在脑网络层面，特纳女孩的左右半球脑白质网络拓扑效率均显著低于正常对照，且在区域水平呈现节点拓扑效率不对称性的异常；特别是，X染色体的缺失影响了特定的功能子网络子模块，且该子模块连接强度与数学能力存在显著相关性，提示特纳患者的数学能力损伤很可能来源于该功能子网络子模块的连接异常。这些研究发现对于理解脑网络的遗传基础、X染色体对脑连接的神经调控机制、数学认知的脑功能网络基础等提供了重要信息。最后，我们在人脑网络方法学方面也取得了重要进展，如评价了不同脑网络构架方法、建立了脑半球网络不对称分析框架、发展了脑影像新测度和新工具等。综上，本项目组取得了系列的重要研究进展，圆满完成了既定研究目标。