基于静息态fMRI的人脑功能网络的小世界特性

基 于 静 息 态 ｆ Ｉ 人脑 功 能 网络 的 小世 界特 性 ＭＲ 的
黄 文 涛 ，冯 Байду номын сангаас 层
（． 南 民族 大 学 电子 信 息 工 程 学 院 ， 汉 ４ ０ ７ ； １中 武 ３０ ４ ２ 中南 民族 大 学 武 汉 神 经 科 学 和 神 经 工 程 研 究 所 ，武 汉 ４ ０ ７ ） ． ３ ０ ４
鉴 于脑 功能 网络在 很宽 的 阈值 范 围存在 小世界 ， 同
时至今 没有 金标 准 ， 里根据 经验 进行设 定兼 顾连 这 通 性 和连通 花费保 守 ， 并满 足平均 度大 于节点 数 的
自然 对 数 ．
图 ２ 脑 功 能 Ｉ 络 连 接 图 网
Ｆｉ ２ Ｃｏｎ ｃｉ ｎ ｇ ａ ｈ ｆｂｒ ｉ ｕｎｃｉ ｎａ ｔ ｇ． ｎｅ ｔｏ ｒ ｐ ｏ ａ ｎ ｆ ｔｏ ｌｎｅ ｗｏｒ ｋｓ
２～２ １ ６岁 ， 均 为 ２ ． 平 ３ ８岁 ＿ ．数 据 预 处 理 采 用 ２ ］
Ｓ Ｍ ５（ ｔｐ： ／ Ｐ ｈ ｔ ／ ｗｗｗ．ｆｌ ｏ ．ｕ １ ａ ．ｕ ／ 和 ｉ ．ｉｎ ｃ． ｃ ｋ ）
目前 以探 索 节 点 和边 的拓 扑关 系 的复 杂 网络 （ｏ ｌｘｎ ｔ ｏ ｋ ） 论 已 经 成 为 一 门横 跨 多个 ｃｍｐｅ ｅｗ ｒ ｓ 理 研 究 领域 的新 的科 学 ．复 杂 网 络也 在 生 物 医学 领
暗示 少量 的长程 连 接 既有 利 于 脑 神经 连 接 的局 部 功能 分化 和连 接成本 约束 ， 又有 利于不 同脑 功能 区
之 间正常 长距 信息传 输 和整合． 人脑演 化形 成小世
界拓 扑功 能结 构有利 于 弹性 应对 生理 功能损 伤｛ ， 有利 于适 应快 速变 化 的认 知需 要 以及 以经 济 节 约
差异．
关 键 词 ： 杂 网 络 ； 世 界 ；脑 功 能 连 接 ； 息 态 ； 能 磁 共 振 成 像 复 小 静 功
中 图 分 类 号 ：Ｏ４ ４ ２ １ ． ；Ｒ７ １ ０ ４ ．４ 文 献 标 识 码 ：Ａ
人 脑 约 有 １０ ０亿 个 神 经 元 ， 一 个 开 放 的 ０ 是
摘
要： １ 从 ９个 健 康 志 愿 者 静 息 态 的 功 能 磁 共 振 成 像 中 提 取 了 时 间 序 列 ， 算 了 ９ 计 Ｏ个 脑 区 的
功 能 相 关 性 ， 定 阈值 建 立 脑 功 能 网 络 的 无 向简 单 图 ， 后 计 算 了 一 些 网络 测 度 ．结 果 显 示 人 脑 设 然 功 能 网络 具 有 小 世 界 特 性 ；性 别 分 层 后 并 没 有 发 现 各 网 络 测 度 在 全 脑 水 平 有 显 著 性 的 性 别
２ 结果 与 分 析
２ １ 脑 功 能 网 络 的 构 建 ．
ＲＩ Ｅ Ｇ［ 和 ＭＥ ¨ 多种 手段 采集 的有关 阿 ［ 、Ｅ 。 ８ Ｇ ｌ等 。 尔兹 海默病 的病 例 对 照脑 功 能 网络 数 据 进行 分 析 后发 现 ： 对照 相 比 ， 例表 现失 去小世 界特性 ， 与 病 存 在易 受损 的 网络 中心 （ ｕ ｓ ． 精 神 分 裂 症 做 的 ｈｂ）对
第４ ５卷 第 ４期
２１ ０ １年 １ ２月
华中师范大学学报 （ 自然 科 学 版 ）
Ｊ ＯＵＲＮＡＬ ＯＦ Ｈ ＵＡＺ ＨＯＮＧ ＮＯＲＭ ＡＬ Ｕ ＮＩ ＶＥＲＳ ＴＹ（ ｔ ｃ． Ｉ Ｎａ ．Ｓ ｉ）
Ｖｏ ． ５ Ｎｏ ４ １４ ．
Ｄｅ ． ２ １ ｃ ０１
文章 编 号 ： ０ ０ １ ９ （ ０ １ ０ — ５ ５ ０ １ ０ —１０ ２ １ ）４０ ６—４
自组 织 的 复 杂 巨 系统 ， 能 分 化 与 功 能 整 合 是 其 功 两 大 基 本 组 织 原 则 ．人 们 一 直 采 用 如 脑 电 图 （ Ｅ 、 磁 图 （ Ｇ） 功 能 磁 共 振 成 像 （Ｍ－ Ｅ Ｇ） 脑 ＭＥ 和 ｆ Ｒ） Ｉ 等非 侵 入 式 探 测 手 段 来 观 测 人 脑 在 任 务 或 静 息 下 的信 号 ， 索 人 脑 的 结 构 和 功 能 组 织 模 式 ， 探
， 时还 计 算 累积 度 量 指 标 小 同
１ ． ～ ３ ． ， 于节点 数 Ｎ一 ９ ， 大于节 点数 Ｎ ８ ２ ４ ８小 ０但
的 自然对数 （ （０ ｉ ９ ）一 ４ ５ ） ｎ ． Ｏ ．计算 得 到 静 息态 脑
世界 性测 度 一 ｘ ｘ． 了考察 网络 中全 局及 局部 ／ 为
的静 息 态 ｆ ＭＲＩ 功 能连 接 影 像 数 据 进 行 复 杂 网 脑 络分 析 ， 证 其 是 否 具 有 小 世 界 特 性 ， 时 还 考 验 同
方 面随着 技 术 的进 步 ， 别 是 ３ 特 斯 拉 ） 特 Ｔ（
的普及 ， 至是 ７ 甚 高场 ｆ Ｉ 甚 Ｔ ＭＲ 的推 出 ， 空 间分 其 辨 率得 到 提高 ， 间 分 辨 率也 得 到极 大 改 善 ； 一 时 另 方 面 随着 静息状 态 脑 功 能 研 究 的 很 多优 点 逐 步 被
域得 到广 泛 的应 用 ， 具体 在 脑 结 构 、 能 和效 用 网 功 络 的探索 上取得 了初步 的成果 ． 功能 网络描 述空 脑 间上 分离 的脑皮 层 各节 点之 间 的时间统计 性相 关 ，
目前 为简 单 起 见 一 般 被 看 成 为 无 向 网 络 ．１ ９ ９８ 年 ， ｔ 和 Ｓｒｇ ｔ 发 现 许 多 实 际 网 络 具 有 小 Ｗａｔ ｓ ｔ ａｚ ｏ 世界 网络 特 性＿ ， ３ 随后 人 们 发 现 在 很 宽 的 阈 值 范 ］
网络 的统计 量 主要 计 算 聚集 系数 （ 和特 征 Ｃ）
路 径 长度 （ ］ 为 了降低取样 偏差 还计 算 网络脑 Ｌ） ．
功能 网络 与相 同规模 随机 网络两 个 比值 ， 即归一化 的聚 集系数 为 ｙ＝ ｃ ｃ ／ 长度 — Ｌ ｉ ／ 和归 一化 的特 征 路径 ２ ２ 复 杂 网络 统计 量和小 世界 特性 ． 所有样 本脑 功 能 网络 的平 均 度 （ ＞的范 围 为 是
＊Ｅ ｍａｌ ｃ ｕ ｗｔ ｙ ｈ ｏ ｃ ｒ． ｎ — ｉ：ｃ ｎ ｈ ＠ ａ ｏ ． ｏ ｃ ． ｎ
华 中 师范 大学 学 报 （ 自然 科 学 版 ）
第４ ５卷
换 ， 针对 低 频 进 行 相 关 性 分 析． 以脑 区 作 为 节 点 ， 区功 能相 关性 作 为 边 ， 定 阈值 构 建 无 向简 脑 设 单 图． 如果 阈值 设定 太高 ， 图将 变得非 连通 ； 如果 设 定 太 低 ， 通 密 度 过 大 ， 连通 花 费 保 守 相违 背． 连 与
圈 霜
ｓ ４ ＩＩ ｕ ｂ１ ｓ ｕｂ３ １ Ｉ ２。ＨＩ
度 ．可 以看 出 ） １ ≈ １ ｄ １ 即 以上 参 量 与 小 ， ＞ ， ，＞ ，
考察 各 网络统 计参量 的性 别差 异． 有计算 和统 计 所
在 Ｒ（ ｔｐ： ／ ｈ ｔ ／ ｗｗｗ． ｒ ｊｃ． ｒ ／ 和 Ｍａ ｌｂ （ ｔ ｒｐ ｏｅ ｔ ｏ ｇ ） ｔ ａ ｈ
ｔ ： ／ ｗ． ｔｗｏｋ ．ｏ ） 件 平 台上 进 行 ， ｐ ／ ｗｗ ｍａｈ ｒ ｓ ｃｒ 软 ｎ 利
特 别 期 望 能 服 务 于 客 观 准 确 的 对 一 些 “ 接 失 连
围 内人 脑 功 能 网 络 也 具 有 小 世 界 特 性 ＿ ． 些 病 ４ 一 ］ 例对 照 研 究 发 现 脑 神 经 精 神 疾 病 患 者 的 脑 功 能
网 络丧 失 小 世界 特 性 ， 因此 小 世 界 特 性 有 可 能 作
人 们认 识 到 （ 以数 据 驱 动 进行 研 究 ， 不需 要 丰 富 的
察人 类 的脑 功 能 网 路 在 全 脑 水 平 是 否 具 有 性 别
差 异．
先 验性 知 识 以便 去 验证 某个 假设 ； 探索 消耗 所谓 能 “ 能量 的脑 自发 性 神 经 活 动 ； 便 对 一 些 特 殊 暗” 方 人群进行数据采样等） ，利 用 Ｏ ａ ｇ ｗａ等人 开 创 的 血 氧水 平 依 赖 的 ｆ Ｉ 术 来 探 索 静 息 状 态 下 的 ＭＲ 技 人脑 功 能 网络成 为 目前 的 研 究 热 点 ， 以致 人 们 类
调 ” 神经 精 神 疾 病 口 （ 阿 尔 兹 海 默病 、 痫 以 脑 如 癫 及 精 神 分 裂 症 等 ） 行 早 期 诊 断 、 防 和 药 物 治 进 预
疗评估．
一
为 临床 影 像 学诊 断 的指 标 ． 以前 的研 究 还 显 示 人 脑 功能 具 有 性 别 差 异 ｌ 本 文 将 对 健 康 正 常 人 ５ 伽．
用 Ｐ ｊ ｋ（ ｔｐ： ／ ｌｄ ．ｆ ．ｕ ｉｊ ｉｐ ｂ ｎ ｔ ａｅ ｈ ｔ ／ ｖ ａ ｏ ｍｆ ｎ ．ｓ／ ｕ ／ ｅ ｌ
ｗｏｋ ／ ａｅ ／ 进行作 图． ｒ ｓ ｐｊｋ ）
世 界理 论期 望 的结 果相 吻合 ．
人 们 已采用 复 杂 网络 的分 析 方 法 对 基 于 ｆ Ｍ—
Ｄ ＡＲ Ｆ（ ｔｐ ／ ｒｓｆ ｉ ｎ ｔｆｒ ｍ／ ＡＲ Ｆ） Ｐ Ｓ ｈｔ ：／ ｅｔ ． ｅ／ｏｕ ＤＰ Ｓ ｍｒ
软件 包 完 成 ．提取 ９ Ｏ个 脑 区 的时 间序列 后 ， 用 采 Ａｃ ａｄ等 人 的 方 法 进 行 最 大 重 叠 离 散 小 波 变 ｈｒ
收 稿 日期 ： ０ １０ —７ ２ １－６０ ． 基 金 项 目 ：国 家 自然科 学 基 金 项 目（ １ ４ １ ４ ； １０ ７３ ） 中南 民族 大 学 自然科 学 基 金 项 目（ Ｚ ９０ ） 中南 民族 大 学 神 经 科 学 ＹＺ ０ ０ ４ ； 和 神 经 工程 重 点 实 验 室 研 究 基 金 项 目（ Ｊ０ ０ １． Ｘ Ｓ９０）
信息 传递 的有 效性 以及成 本 花 费 还计 算 了 网络 效
率 和网络 成本～ 进行 两样 本 的 Ｗｅｃ ． １ ｈ近似 ｔ 验 检
功能 网络 的统 计量 如表 １所示 ． 了进 行 比较 ， 为 编 写程 序代 码构 建节 点 数 和边 数 相 同 的规 则 网络 和
随机 网络 ， 网络统计 量 如 表 １（ 则 网络 的统计 各 规 参量 没有 显示 ） 数 据 显 示脑 功 能 网 络具 有 规 则 网 ， 络 的大 聚集 系数 又具 有 随 机 网络 的 小 特征 路 径 长
脑功 能 网络研 究 也 得 出类 似 的 结 论［ Ｊ综 合 以上 ＝． ｌ 研究 ， 静息 态下 的人脑 功 能 网络具 有 小 世 界特 性 ，
在 脑 功能 网络关联 矩 阵的基 础上 ， 选择 阈值满 足 图连通 ， 即任 何 节点 的最 小 度 不 小 于 １ 如样 本 ． ｓ ｂ ３ １ （ 和 ｓ ｂ ２ ８ （ ） 阈值 分别 设 定 为 ｕ １ ４ １ 男） ｕ ３５ ０女 的 ０ ２ 和 ０ １ ， 连 接 密 度 分 别 为 ２ ． 和 ．９ ．０ 则 ３４ ２ ． ， ５ ９ 如图 １ 他 们 各 自的脑 功 能 网 络 连 接 图 为 ， 图 ２ 对 其他 样本 分 别 构 建 类 似 无 向简 单 图 ， 面 ． 后 的计算 基 于这些 邻接 矩阵 进行分 析．
似人 类 基 因组 学 提 出 了 所 谓 的“ 人 功 能 连 接 组 千
学 ’ ． ’ ［
１ 材 料 和 方 法
本研 究采 用 静 息 态 ｆ Ｉ 人 功 能 连 接 组 学 ＭＲ 千
部分 实验 数据 （ ｗａｋ数据 集 ） １ Ｎｅ ｒ ， ９个 样本 （ ９男 ，
１ ０女 ） 男 性组 ２ ～３ ： ３ ９岁 ， 平均 为 ２ ． ４ ４岁 ； 性组 女