科研实践

结构-功能关系是自然界中许多系统的基本原则。网络神经科学的出现为量化和阐明神经网络的组织特征和皮层突触之间联系的个体差异提供了机会。结构连接网络具有独特的非随机属性，网络的中心相互联系，形成了"Rich-Club"结构，这一结构允许信号从专门的脑区中进行采样和集成。人脑网络中，中心节点区通常包括额上回、壳核、楔前叶、中央后回、枕中回、颞上回、尾状核和脑岛。在“Rich-club”结构组织中，节点通常分为中心节点的Rich-club节点和非中心节点的非Rich-club节点，它们之间的连接可以分为三类：Rich-club节点之间的连接为Rich-club连接，Rich-club节点与非Rich-club节点间的连接为feeder连接，非Rich-club节点之间的连接则为local连接。

“Rich-club"结构以及其结构-功能耦合的性别差异

男性和女性两性间的差异确实存在，并且非常重要。性别差异研究以大量有力的证据显示男性和女性在认知功能（例如，社会认知，空间技能和记忆）方面存在差异。随着神经成像技术的进展，越来越多的研究发现了两性在脑结构上的实质性区别：例如女性成人的大脑皮质厚度和白质束复杂性较高，而男性成人的大脑体积、原始表面积和白质束异向性较高。男性和女性在脑结构和功能水平上的差异，可能是两性认知能力差异的基础。同时，这些差异也为理解精神疾病（例如，孤独症谱系障碍）的患病率差异提供了有力的依据。当然，除了研究两性在人脑结构和功能水平上的差异外，寻求对男女大脑结构和功能之间的相似性对理解认知能力的性别差异也至关重要。

赵朔副教授的研究旨在比较男女"Rich-club"结构中结构和功能的一致性程度（结构和功能耦合）的不同连通模式。首先，运用弥散张量成像（DTI）数据比较男性和女性大脑结构组织中白质连通性的变化。此外，还分析了“Rich-club”结构组织和不同连接层级水平下的拓扑属性以及结构连接和功能连接的耦合(SC-FC Coupling)(图1)。最后，该研究调查了结构和功能耦合强度与男性和女性的工作记忆和推理能力之间的关系。具体来说，通过调查韦氏成人智力量表III（WAIS-III）的子测验分数来测量（即字母数字排序（LNS）和矩阵推理（MR））个体的工作记忆和推理能力，进而检测大脑网络中男性和女性的结构和功能耦强度与其认知能力相关联。

图1：结构和功能性大脑网络拓扑特性之间的连接分类

研究成果

1.与男性相比，女性在结构和功能耦合中具有更高的强度。并且，女性在结构和功能耦合与拓扑属性中的消耗之间呈负相关，而男性在结构和功能耦合与拓扑属性中的消耗之间呈正相关(图2)。

图2：男性和女性结构和功能耦合的结果

2.结构和功能耦合脑区节点的性别差异。女性中结构和功能的耦合程度高于男性，主要位于非“Rich-club”结构节点，包括左侧额下回(IFG)和顶下皮层(IPL)以及右侧额上回(SFG)和顶上回(SPG)的区域。男性中结构和功能耦合程度高于女性，不仅位于“Rich-club”结构的节点：右侧脑岛（INS),还位于非“Rich-club”结构的节点，包括左侧海马(HIP)和右侧海马旁回(PHG)(图3)。

图3：节点处结构和功能耦合的性别差异

3. 发现了脑网络中的男性和女性结构和功能耦合与其认知表现能力之间的性别相关特异性。Local连接条件下，女性的结构和功能耦合与工作记忆(LNS)之间呈负相关；"Rich-club"连接条件下，男性的结构和功能耦合与推理能力(MR)之间呈正相关(图4)。

图4：女性和男性结构和功能耦合与其认知能力间的相关性结果

该研究揭示了"Rich-club"结构中，结构和功能耦合的性别差异及与其认知能力（工作记忆和推理）间的相关性模式。虽然脑网络结构和功能关系的研究仍处于初级阶段，但目前广泛受到关注。重构不同性别结构-功能间的关系，对丰富细胞和分子元数据与功能表现关系以及对理解认知能力间的男女不同有着重要的意义。

该项工作近期在Cerebral Cortex期刊 (该期刊为中科院JCR1区，TOP期刊) 发表，深圳大学心理学院是论文的第一单位，赵朔副教授为该论文第一作者。

论文相关信息：

Zhao Shuo, Wang Gongshu, Yan Ting, Xiang jie, Yu Xuexue, Li Hong and Wang Bin.(2020) Sex Differences in Anatomical Rich-Club and Structural-Functional Coupling in the Human Brain Network. Cerebral Cortex.doi: 10.1093/cercor/bhaa335.