发育中的大脑结构和功能连接体指纹

在成熟的大脑中，大脑连接的结构和功能指纹可以用来识别个体的独特性。然而，使某一特定大脑区别于其他大脑的特征是否在出生时就已经存在仍不得而知。本研究利用发育中的人类连接组计划(Human Connectome Project, dHCP)的神经影像数据，对早产儿围产期进行两次扫描，以评估发育中的脑指纹。我们发现，62%的参与者可以通过后来的结构连接组与从较早时间点获得的初始连接矩阵的一致性来识别。相反，同一被试在不同时间点的功能连接体之间的相似性较低。只有10%的参与者在功能连接体中表现出更大的自相似性。这些结果表明，结构连接在生命早期更稳定，可以代表个体的潜在连接组指纹:当新生儿必须快速获得新技能以适应新环境时，一个相对稳定的结构连接组似乎支持功能连接组的变化。

1. 简介

神经成像技术的发展为在体研究人脑提供了新的手段。这使得在宏观尺度上描绘大脑结构和功能组织的连接体特征成为可能。这些连接体可以表示为大型矩阵，其中每一行和列对应大脑亚单位指数，亚单位指数可能是结构或功能节点，因此每个矩阵元素描述两个神经部分之间的连接。一个人的功能和结构连接体中包含的信息对这个人具有高度特异性，并被与个人指纹进行了比较。尽管功能连接组已被证明在青春期后期的多年内高度稳定，但在整个青春期延迟建立独特的功能连接组与心理健康困难有关。然而，婴儿的结构和功能连接组不同于较年长的年龄组，两者在多大程度上是稳定的(即，在个体水平上的可复制性)是未知的。更好地理解个体大脑某一特定属性的延展性程度及其与结果的关系，可以指导个性化的方法，以优化儿童神经发育健康。

发育中的大脑受动态过程的控制，这些动态过程在妊娠早期将几个细胞的混合物转变为一个能够快速处理和整合信息的复杂器官。胎儿期以皮层迁移过程为标志，这一阶段的异常经常导致神经元迁移障碍和非典型大脑结构。妊娠晚期的一个标志是短程和长程关联纤维的相对比例发生变化。这些快速变化的微观发育机制迅速导致宏观结构特征的重塑，这可以通过磁共振成像(MRI)捕捉到。例如，尽管正在快速生长，但同一受试者在出生后的第一年的扫描中，皮质折叠特征显示出显著的高度相似性，这表明出生和出生后的前两年皮质宏观结构高度自相似性。然而，结构/功能网络指标的稳定性以及连接组在生命早期是否独立还没有被研究过。理解这一点很重要，因为尽管成人的结构和功能连接组高度相关和互补，但它们代表了具有不同发育影响的大脑连接模型。关于围产期大脑及其后续成熟的有用信息已经获得。在围产期大脑中，与结构变化并行的是，皮质神经元激发特定的活动模式，进一步调节基因表达并细化结构为功能系统。高度连接的结构和功能节点/枢纽对信息流至关重要，并随着髓鞘发育成熟而进一步进化。新生儿和成人大脑之间的一个显著差异是，功能中枢(高度互联的区域)更局限于体感、听觉、视觉和运动区域，而不像成人的高阶网络。据估计，儿童时期功能连接组在静止状态下的识别准确率为43%，而成人的识别准确率为92%，这表明获得功能多样性和由此产生的独特性是走向成年的轨迹的一部分。然而，结构连接组指纹只在成人中进行了研究，并被证明在全球范围内具有相对的可塑性，但在特定的白质束中非常稳定，如胼胝体。相反，新生儿的大脑尚不成熟，与成人的大脑不同，因此，随着时间的推移，稳定的结构和功能连接体的可识别特征的性质和程度也可能有所不同。在这里，我们通过评估早产婴儿的结构和功能连接组的相似性，来研究结构和/或功能指纹是否已经在围产期建立，这些早产儿在出生后不久进行扫描，然后在足月同等年龄再次进行扫描。与成年人不同，发育的大脑是高度动态的，并正在快速重组。因此，我们假设扫描间隔时间越长，连接体相似性越低。此外，在出生后的早期阶段，大脑活动变得经验驱动，随着婴儿与子宫外世界的相互作用，经验每天都在增加。因此，我们还假设，这种不断变化的功能活动导致功能连接组在一个(相对)稳定的结构连接组上发生依赖于经验的变化。

2. 方法简述

2.1 被试

研究参与者被前瞻性招募为发展中的人类连接组项目(dHCP)的一部分，这是一个由英国国家研究伦理管理局批准的观察性、横断面开放科学项目(14/LO/1169)。所有参与研究的家庭在成像前均获得书面同意。最后一个具有良好结构和功能数据的亚组包括26名受试者(16名男性)，出生时中位年龄为34.14周，第一次扫描获得的中位PMA为35.43周，第二次扫描获得的中位PMA为40.93周 (详细描述见表1)。

2.2 图像采集、预处理和连接体构建

所有受试者在英国伦敦圣托马斯医院的Evelina新生儿成像中心接受磁共振成像(MRI)扫描。结构、扩散和功能数据使用3特斯拉飞利浦Achieva系统(飞利浦医疗系统，Best，荷兰)获得，该系统配有定制的新生儿成像系统，包括32通道相控阵头线圈(Rapid Biomedical, Rimpar，德国)。

使用新生儿特异性分割管道对每个受试者的T2w图像在原生空间中进行组织分割。利用与dHCP高分辨率新生儿模板对齐的AAL图谱的新生儿版本，将每个受试者的大脑分成90个皮层和皮层下区域。之前计算过的组织分割和T2w图像被用作非线性配准的输入，该配准基于ant软件提供的异形对称图像归一化方法(SyN)，将90个区域的新生儿图谱纳入受试者的原生空间。

对弥散和结构数据的预处理，简单地说，在混合SENSE重建后，对扩散信号进行去噪，并对敏感性失真进行校正。采用球面谐波和径向分解(SHARD)切片到体积重建来进一步纠正运动效果和其他人工伪迹。应用在MRtrix中实现的N4算法进行偏置场校正。多组织CSD利用受限的各向异性扩散对脑组织和自由扩散的液体样特征用于估计每个脑体素中的纤维定向分布(FOD)。每一种组织类型的反应函数均为dHCP中20名健康足月对照新生儿独立亚组反应函数的平均值。将多组织对数域强度归一化应用于FODs，并使用像FODs一样的归一化脑组织，通过解剖约束概率示踪生成1000万条流线，并具有生物学上精确的权重(SIFT2)。得到每个受试者的纤维密度SIFT2比例系数(μ)，实现受试者间连接密度归一化。以b = 0体积为目标，通过刚性配准将T2w原生空间中的图谱和组织图谱配准到扩散空间。通过计算将每对区域连接起来的μxsift2加权的流线之和，形成一个大小为90x90的加权邻接矩阵，在原生扩散空间中构造每个婴儿的结构连接组。对于功能数据，每位参与者获得的所有2300卷功能磁共振成像数据均未经过任何擦洗。计算平均主体帧内位移(FD)来表征每个时间点的运动。此外，我们研究了全局自相似性和运动之间的关系，以考虑运动对功能指纹的潜在影响。数据通过开发人类连接组项目(Developing Human Connectome Project)管道进行预处理，该管道为新生儿fMRI优化，详细信息见(Fitzgibbon等人，2020)。简而言之，使用定制的管道(包括切片到体积和刚体配准)对每个受试者的磁化率动态失真以及体积内和体积间运动效应进行了校正。为了回归出与头部运动、心肺波动和多波段采集相关的信号伪影，将24个扩展刚体运动参数与FSL FIX工具识别的单受试者ICA噪声定制成分一起回归。使用基于边界的配准，从T2w原生空间传播图谱和组织图谱。在原生fMRI空间中计算之前划分的每个roi与GM区域相交的平均时间序列。功能连接(FC)计算为每对roi之间的皮尔逊相关性，得到大小为90x90的矩阵。选择Pearson相关性作为FC指标，以保持与以往指纹文献的一致性。为了考虑由于在FC可识别性中使用不同的FC指标而产生的潜在影响，还利用每对roi之间的部分相关性构建了额外的功能连接矩阵，以控制其他roi中的信号。之所以选择偏相关作为额外的度量标准，是因为与皮尔逊相关性相比，偏相关被认为是表现最好的FC测量方法，皮尔逊相关性似乎与运动高度相关。负相关不被考虑，并设为零。

2.3 相似性分析

2.3.1 全球相似-识别率量化

为了确定结构和功能连接组相似性的最佳网络密度阈值，我们测试了所有可能阈值的正确识别受试者的百分比。基于此分析，在许多阈值18%到34%之间获得了最高的相似性值，这些值一致地识别了同一组受试者。考虑到相似性没有差异，我们对每个受试者在时间点1的结构和功能连接体应用25%的网络密度阈值。该连通矩阵被二值化，并作为时间点2的连通矩阵的掩码，以确保在两个时间点之间比较相同的区域间连接。计算时间点1和时间点2各矩阵之间的Spearman相关性，得到45x45名受试者的结构连接相似性矩阵和31x31名受试者的功能连接相似性矩阵。如果时间点1和时间点2之间的自相似性(对角线相关)高于自我与他人的相似性，这被量化为成功匹配。

为了可视化目的，所有相似值都通过将时间点1和所有其他受试者在时间点2的最大相关比例除以每行中的最大值(即，每行中，值1表示时间点1和时间点2之间的最大匹配)归一化。如图1所示，当自相似度高于任何自-他人相似度值时，这种缩放会导致对角线上的值为1。如果1不在对角线上，则表示自-他相似性高于自相似性。

2.3.2 年龄对自相似性和自他人相似性的影响

为了评估年龄对结构和功能指纹的影响，我们首先计算了扫描时间点1和自相似性之间的偏相关(控制扫描之间的天数)，然后计算了整个组在每个模态中扫描时间点和自相似性之间的偏相关(控制时间点1的PMA)。然后，我们将子组的自相似度和自他人相似度转化为z分数，以便更好地可视化年龄对自相似度的影响。如果一个受试者的自相似度z分高于任何一个自与他人相似度z分，这将等同于在时间点1和时间点2之间成功匹配一个受试者，就像之前的指纹研究。

2.3.3 局部分析

鉴于皮层下和皮层区域成熟的不同轨迹，我们在代表较大解剖区域的7个簇中重复了上述所有分析：中央、额叶、边缘、枕叶、顶叶、深灰质和颞叶。

3. 结果

3.1 全脑相似性

早产儿和同龄产儿的扫描之间的结构连接组比较不仅在同一受试者的扫描之间，而且在不同受试者的扫描之间都产生了很强的相关性(图1AB)。自相似度均值为r = 0.90，范围为r = 0.67 ~ r = 0.96，自他相似度均值为r = 0.88，范围为r = 0.65 ~ r = 0.94。识别率为28/45(62.22%)，自相似度高于自他相似度。此外，我们发现第一次扫描时的PMA和自相似性值之间存在显著的相关性(即，第一次扫描时年龄越大，他们的结构连接组在两次扫描之间的自相似性越高)，扫描之间的对照时间为几天。

图1 结构和功能相似性

功能连接组比较显示的结果不太一致(图1CD)。扫描之间的相关性值低于结构连接组相似性。自相似度均值为r = 0.56，范围为r = 0.21 ~ r = 0.70;自他相似度均值为r = 0.54，范围为r = 0.17 ~ r = 0.73。因此，功能连接组相似性的识别率为3/31(9.68%)。我们观察到首次扫描PMA与功能自相似性无显著相关，但功能自相似性与扫描间天数呈显著负相关。偏相关FC检验相似率相同，为3/31(9.68%)。然而，自相似度均值仅为r = 0.12，范围为r = 0.04 ~ r = 0.19，自他相似度均值为r = 0.11，范围为r = 0.02 ~ r = 0.22。当不进行阈值或掩蔽时，Pearson(2/31(6.45%))和偏相关(1/31(3.24%))的相似率均较低。

通过对一组参与者的结构和功能连接自相似性的进一步检查，两种方式的数据均可用，证实所有受试者的结构连接体之间的相似性高于功能连接体。结构自相似度中值为r = 0.93，范围为r = 0.89 ~ r = 0.96，功能自相似度中值为r = 0.55，范围为r = 0.21 ~ r = 0.69。结构数据的识别率为18/26(69.23%)，而功能数据的识别率为3/26(11.54%)(图2)。由于检查的结构和功能数据来自同一个体，扫描之间的年龄和时间完全匹配。

图2 结构和功能连接的自相似性

最后，我们将每个受试者的自相似度和自他相似度值转化为z得分，并根据时间点1的年龄对其进行排序，以更好地可视化大年龄受试者是否拥有更容易识别的全脑结构连接组(图3)。结果显示，在扫描之间的年龄或时间变化下，结构连接组比功能连接组更稳定。

图3 PMA排序的自相似度和自-他相似度z得分

3.2 年龄对亚组相似性的效应

对具有结构和功能数据的亚组的一般线性模型分析进一步表明，时间点1的年龄对整体结构连接组自相似性有显著影响。我们观察到扫描间隔天数对结构连接组自相似性没有显著影响;扫描之间时间点1或天的年龄对整体功能连接组自相似性没有影响(表2)。LME分析显示，首次扫描年龄对整体结构连接组自-他人相似性也有显著影响，但扫描间隔天数没有显著影响。与观察到的自相似性不同，扫描之间的时间和时间点1的年龄对整体功能连接组自-他人相似性有显著影响。

3.3 区域相似性

与全球指标相比，结构连接体的区域比较显示出较低的识别率。边缘簇(岛叶、扣带回、海马和杏仁核)的识别率最高，为11/45(24.44%)，其次是额叶10/45(22.22%)、枕叶7/45(15.56%)、中央5/45(11.11%)、顶叶和深层GM 4/45(8.89%)和颞叶3/45(6.67%)。与全脑指标相比，功能连接组比较产生了相似的识别率。除了顶叶簇外，它们在质量上仍然低于结构相似性识别率。中央区和顶叶区识别率最高，为3/31(9.68%)。脑边缘区识别率为2/31(6.45%)，额、枕、皮层下和颞叶簇的识别率为1/31(3.23%)(图4)。

在结构和功能连接体同时存在的被试亚组中，结构和功能自相似性的进一步定性检验显示，结构和功能自相似性在中央簇中更紧密，在额簇中更分散(图5)。在该亚组中，功能相似性识别率始终低于结构识别率。

图4 结构和功能簇水平相似性

图5 集群结构和功能连接的区域自相似性

3.4 年龄对区域自相似性的效应

在具有结构和功能数据的亚组中，对每个聚类独立运行的广义线性模型表明，时间点1的年龄在Bonferroni校正后对顶叶区域功能连接组的相似性有显著影响。经过多次比较校正后，我们观察到年龄或扫描天数对任何其他簇的功能或结构自相似性没有显著影响(表2)。

4. 讨论

在目前的研究中，我们使用了一组来自发育中的人类连接组项目的独特的纵向高质量的新生儿大脑MRI数据，来研究神经发育早期阶段的连接组指纹的状态。为此，我们选择了早产儿的数据，这些早产儿在出生后不久进行扫描，然后在同等足月年龄再次进行扫描。我们的研究结果表明，全脑结构连接体在出生时就已经可以识别年龄较大的个体。相比之下，全脑功能连接组在扫描时间点之间的变化更明显，因此无论出生年龄或扫描间隔时间如何，个体识别基于功能连接组的稳定性都较低。

在围产期，大脑发生了显著的微观和宏观结构变化。然而，我们的观察表明，在正常出生时，个体的大脑结构连接组是相对稳定的。这表明，在没有外部干扰的情况下，结构连接的个体模板主要是由基因决定的。与此相一致的是，宏观结构白质束已被证明具有高度的遗传能力，其轴向扩散率、径向扩散率和共同纤维的部分各向异性被发现具有最高的遗传影响，而联合纤维的遗传影响最小。

基于任务的新生儿fMRI研究表明，初级感觉皮质(如体感、听觉、嗅觉和视觉)能够处理外部刺激，并在围产期经历活动依赖的成熟。静息状态研究报告称，在整个围产期时间窗内，体感、视觉、听觉和语言网络的功能近程连接显著增加，这进一步表明这些系统的功能快速可塑性和成熟。

为了弄清扫描间隔和首次扫描年龄对结构和功能连接组相似性的影响，我们检查了26名同时拥有这两种数据类型的新生儿。我们观察到时间点1的年龄对全局结构自相似性有显著影响。这种影响可能是由个体特有的白质微观结构的发育轨迹决定的，而不一定表明具有成人特有的结构连接体。

大脑发育大致遵循前后成熟轨迹，感觉系统在高阶网络之前发育。当单独研究区域时，结构连接组识别率较低，这表明在使用结构数据时，数据点越多的全局指标信息越丰富。后发的网络如额叶和边缘皮层具有最高的结构自相似性。考虑到这些区域的成熟较晚，我们推测，高自相似性可能是由于这些区域在扫描间隔期间经历的结构变化最少。

5. 结论

脑结构连接组指纹在围产期就已经存在:在这个发展阶段，它是相对稳定的，并且是个体唯一的。功能连接的识别特征解释起来更为复杂，可能过于动态或不成熟，无法提供指纹。区域分析表明，发育早期的功能指纹在区域集群内可能更稳定，但对结构数据的可识别率仍然较高。未来的研究应该探讨整个发育过程中的区域差异，全球结构指纹与发育结果的关联，以及遗传或环境风险是否会影响指纹的稳定性。