大规模皮层网络拓扑影响精品资料

1、大:规彳吏层冈经-拓扑影【1向1材料与方法1.1T1磁共振加权影像75例年龄范围在5070岁之问右利手的健康老年人被作为受试对象其中39例女性36例男性。75例对象的半均年龄为(60.5±!5.2)岁。受教育程度12,20年之问半均受教育程度为(16.6土:2.2)年。MMSE评分的范围在25,-30分之问半均评分是(29.3土1.0)分具体对象特征如表1所示。所有的磁共振影像数据都在美国业利桑那大学附届医院采集。受试者纳入标准:无精神异常史及其它影响中枢神经系统的疾病简易精神状态里表检查评分均>25分汉密尔顿抑郁评里表10分。采用GESiignaU3.0T核磁共振扫描仪基丁二

2、维扰相梯度回波序列(3D-S5PG采集204张连续冠状面T1加权像(T1WI),扫描参数如下:TR5.3ms,TE2.0m：sTI500ms翻转角度150矩阵:256X:56FOV=256mm25()mm层厚1mr%1.2【DTI大脑结构连接组构建所有数据均通过基丁Ubuntu半台的工作站调用FreieSurfer软件包14-16进行自动化分析处理。分理流程与表面处理流程程包括图像灰度标准化到Talairac)h空问的配准白质(WhiteM/latteWM1)的分割等表面处理流二维重建从白质曲面向向外膨胀吐曰到灰质外面和白质曲面问的距离T-average算法计算皮层厚外膨胀/曰膨胀曲面。后与模

3、板进行高维配准对皮层进行自动分区1皮层的厚度。De;>ikari-Kiliany脑区(左右半脑各35个厚度因此最后/曰到68个)的皮层厚度。每个区所有占八、的厚度的半均划分的68个脑区被义区问皮层厚度的皮尔逊析处理过程分为体积处两大部分。体积处理流、不均匀磁场的校正、7_、非脑组织的去除和与灰质(GreyMatterGM)程包括对白质曲面进行出发沿看灰质梯度方表面曲面。义灰质曲为脑皮层厚度采用度18。灰质外表面向膨胀曲面经过球状形变依据Desikan-Kiliany图谱9同时计算每个区域图谱将全脑分为70个),其中月并体没有灰质个脑区(左右半脑各34脑区的皮层厚度为该脑值。Desikan

4、-Kiliany模板所为脑网络中的节占八、脑相关系数代表网络的边。将75例对象按昭八、年龄分为四组即5055岁(11例）、55-60岁(26例）、60，65岁(18例）、65,70岁(20例）。每组每个样本每个脑区的皮层厚度先通过回归去除脑区半均厚度、年龄和性别的影响用残差作为原始的皮层厚度进行后续计算随后计算任息两个脑区皮层厚度的皮尔逊相关系数次曰到相关系数矩阵。其中xi表示其中一个脑区皮层厚度的弟i个样本值表示该脑区皮层厚度的半均值；yi表示另一个脑区皮层厚度的的弟i个样本值表示此脑区皮层厚度的半均值；n为样本值数里这里n为75相关性分析后/曰到相关系数连接矩阵。这里/曰到的相关系数有正有

5、负对所有的相关系数取绝对值/曰到矩阵Cij(，j=1,2,368)接看选阈值对Cij进行二值化即若Cij大丁阈值则置1反之则置0这样就次曰到二值化矩阵Aij(i，j=1,2,368)。每一组的皮层厚度网络G有N个节占八、K条边N=：68如果所有组取相同的阈值进行二值化那么二值化后每个组皮层厚度网络G边的数里有可台匕北不同对应不同的网络拓扑结构这样就不台匕北很好的比较组问年龄的变化对网络拓扑结构的影响。我们这里利用Desikan等1)提出的网络稀疏度概念解决了这一问题。稀疏度S被义为网络中实际存在的边数与最大可台匕北存在的边数的比值即S=K/N(N-l)Z；2。选同一个稀疏度二值化所有相关矩阵C

6、ij后网络G有相同的节占八、数和边数。目刖稀疏度值的选择还不存在金标准。因此我们在一范围内(5%-40°每隔1%选取一个稀疏度既使/曰"寸所有的网络全连通乂保证其满足小世界届性。如果稀疏度太小可台匕北使/曰边的数里太少而形成一个稀疏连接的图存在孤立节占八、不台匕北全连通；如果稀疏度太大可台匕北使/曰"寸边的冗余里太大不满足小世界届性2()。至此成大脑皮层厚度网络的构建(图1）。1.3网络分析成大脑皮层厚度网络构建后选用图论分析法计算网络的拓扑届性。本文主要用到节占八、度、节占八、的聚类系数、节占八、的最短路径长度、节占八、的中介中心性这样一些拓扑届性。小世界网络介

7、丁规则网络和随机网络之问它既具有与规则网络类似的较高的聚类系数乂具有与随机网络类似的较短的最短路径长度(图2）。在每个稀疏度下计算出网络的半均最短路径长度Lp和半均聚类系数Cp。然后随机获/曰10C个与实际网络具有相同节占八、数、度分布的随机网络Lr、Cr为这些随机网络的半均聚类系数和半均最短路径长度。对四组对象的半均最短路径长度Lp、半均聚类系数Cp以及小世界特征入:=Lp/Lr和Y=Cp/Cr进行比较Hub，节占八、是指网络中最为重要的节占八、网络中许多其它节占八、之问的信息传输都需要经过该节占八、本文选用归一化的中介中心性BCi来义hub节占八、网络的全局效率Egob义为网络中所有节占八

8、、最短路径倒数的半均值全局效率衡里全局信息在整个网络中传递的快慢网络脆弱性广泛用丁里测里网络节点的假设缺失对网络性能的影响。2结果四组对象的相关矩阵都比较复杂但也有一的相似性。左右半球的同源脑区和位丁同一半球的相邻脑区往往有较强的相关性。根据/曰到的相关系数矩阵需要选取阈值确稀疏度的范围。当稀疏度S=9%时弟四组对象(65,70岁)的大脑网络出现了孤立的节占八、；而当S=10%时四组对象的网络中均无孤立节占八、存在。当S：30%四组对象的小世界参数Y、入的变化基本收敛。因此稀疏度的范围被选为10%SK30%。在这个范围内每隔1%计算一次四组对象的网络拓扑参数Cp、Lp、Y、入如图3所示。在10

9、%30%勺区问内四组对象的Cp随看稀疏度的增加而增加而Lp、Y、入随稀疏度的增加而下降。从图中我们可以看出55,60岁对象组的Cp值低丁50，-55岁对象组的Cp值；而6065岁对象组Cp值高丁55,60岁对象组的Cp值却低丁50-，55岁对象组的Cp值；65,70岁对象组的Cp值低丁60-65岁对象组的Cp值高丁5560岁对象组的Cp值。55,，60岁对象组的Lp值低丁5055岁对象组的Lp值；60-65岁组的Lp值与65,70岁组的Lp值相近均高丁55,60岁对象组的Lp值。当稀疏度增加时Y值迅速下降但入值仅略有改变。四组对象的(T=丫/入值随看稀疏度的增加而减少反映了小世界届性的减弱。四

10、组对象的Y值大小关系为:50，55岁对象组>6065岁对象组>6570岁对象组>5560对象组>1。四组对象的入值随看稀疏度的增加而接近丁1其大小关系为:50，55岁对象组>6065岁对象组65,70岁对象组与5560对象组入值相近四组对象的入5。在稀疏度10形SK20%范围内对四组对象的Cp、Lp、Y、入进行单因素方差分析(One-WayANOV'A,结果如图4所示。对丁Cp而言四组对象方差齐性检验相伴概率为0.027各组总体方差不相等。ANOVA结果(F(3,40)=34.587P<0.001)显示,四组对象问存在显著性差异DunnetT3非参数

11、检验结果显示除60-，65岁对象组和65,70岁对象组外其它组两两之问均存在显者性差异。对丁半均最短特征路径长度Lp四组对象问均不存在显者性差异(F(3>,40)=0.17P>0.05）。对丁小世界网络届性Y而言方差齐性检验相伴概率为0.C)47各组总体方差不相等ANOVAi结果(F(3,40)：=5.509P<().05)显示四组对象问存在显者性差异。DunnettT3非参数检验结果显示50，巧5岁对象组和5560岁对象组问存在显者性差异(P=0.025）。而对丁入而言方差齐性检验相伴概率为0.015各组总体方差不相等。ANOVA.分析结果(F(3,40)：=6.528P&

12、lt;().05)显示四组对象问存在显者性差异。DunnettT3非参数检验结果显示50，55岁对象组与55,60岁对象组、55-，60岁对象组与65,70岁对象组的相伴概率分别为0.012、0.005两两之问存在显著性差异。同理在稀疏度1C%U汶30%范围内对四组对象的网络拓扑参数Cp、Lp、Y、入进行ANOV'分析结果如图5所示。与稀疏度10%c(EK20%相比小世界网络届性入组问不存在显者性差异。这可台匕北是由丁随看稀疏度的增加大脑网络的小世界届性逐渐减弱致使其随看年龄增长所发生的改变不是很明显。这些结果息味看皮层网络的小世界参数结构随年龄变化而发生了明显改变为了比较不同年龄段对

13、象的大脑皮层厚度网络hub节占八、的差异本文在稀疏度10%。下对所有网络进行二值化处理。在该稀疏度下大脑网络各节占八、全连通并且具有小世界届性而且假阳性路径的数里最少。如果节占八、的归一化的中介中心性BCi值大丁meman+2SD则该节占八、为网络中的hub节占八、表2为网络中的hub节占八、在不同对象组的变化趋势。这些脑区中有的脑区随看年龄的增长由非hub节占八、转换为hub节占八、有的脑区随看年龄的增长由hub节占八、转换为非hub节占八、。该结果与Zhu等u2(0门发现中年人与老年人在基丁灰质体积构建的结构网络中hub节占八、存在较大差异类似。稀疏度为10%）时计算四组对象构建的标准化的

14、网络脆弱性并对其进行统计分析结果如图6所示。四组对象方差齐性检验相伴概率为0.000小丁显者性水半0.()5因此认为各个组总体方差是不相等的aNovA结果显示(F(3,3961.9658P<0.001),说明四组对象问存在显者性差异DuinnetT3非参数检验结果显示5055岁对象组与60-65岁对象组、50，55岁对象组与65,70岁对象组、55,60岁对象组与60，65岁对象组、55-，60岁对象组与65,70岁对象组的相伴概率分别为0.000、0.000、0.C00、0.001、0.0)00均小丁显者性水半0.()5说明两两之问存在显者性差异。3讨论我国在未来几年所面刖所未有的重大挑战相关疾病也就成为人们是一个高效复杂的小态或疾病都会导致网络不例外。从脑网络的角以帮助我们了解大脑网丁未来制针对性地相化社会做出贡献。4结论在本研究中我们采用大型脑结构网