人脑本质上是一个相互连接的复杂网络，这一特性促使研究人员采用现代网络理论对大脑展开探索。需要指出的是，目前基于神经影像的人脑网络研究基本都关注灰质区域之间的连接模式。除了灰质，白质占据成人大脑近一半的空间，并在传递感觉和运动信息、调节半球间的交流和连接各种皮层区域起着至关重要的作用。因此，白质区域之间的连接模式在近年来受到越来越广泛的关注。当前，研究者主要采用功能磁共振成像来构建白质区域间的功能连接网络。除了功能磁共振成像，近年来的研究表明结构磁共振成像也蕴含大量的脑连接信息，可以用来构建形态学脑网络。然而，目前尚缺乏面向白质的形态学脑网络方法范式。
2024年7月15日，华南师范大学脑科学与康复医学研究院王金辉团队（第一作者为李俊乐）在Advanced Science发表了题为“Morphological Brain Networks of White Matter: Mapping, Evaluation, Characterization, and Application”的文章，提出了一种基于结构磁共振成像的区域间形态学特征分布相似性的白质脑网络构建方法，并结合多模态与多尺度数据对该方法进行系统评价，为研究人脑白质组织架构提供新的方法学途径。
基于结构磁共振成像数据，白质体积与形变映射信息（deformation）是常见的用于刻画白质形态的指标。研究人员通过拟合这两个指标在各脑区上的概率分布函数，并采用Jensen-Shannon散度估计不同脑区关于概率分布函数的相似性，进而构建基于白质体积（volume-based brain networks, VBNs）和白质形变（deformation-based networks，DBNs）的形态学脑网络。团队通过整合多模态与多尺度数据，对所构建的白质形态学脑网络进行系统评价，包括拓扑组织模式、重测信度、表型相关、遗传度、跨模态相关性、神经生物学基础以及临床价值七个方面的分析。
研究框架
1. 拓扑组织模式
多模态灰质脑网络乃至白质功能脑网络均表现出非平凡的拓扑组织结构。对于白质形态学脑网络，研究发现其也以优化的拓扑模式（小世界属性、富人俱乐部组织以及核心节点）进行组织，以支持其有效的信息传播和处理。同时，该优化的拓扑组织模式对于不同形态特征的选择以及空间平滑与否均稳定存在。
2. 重测稳定性
高的重测信度是一种新方法或测量作为潜在的临床生物标志物使用的先决条件。研究发现，无论是长或短的扫描间隔，大多数脑区间的形态学相似性都表现出良好到优秀的重测信度。此外，空间平滑的处理能显著地提高重测信度。
3. 表型相关
多模态灰质脑网络与行为和认知之间存在紧密联系，白质功能脑网络在近来也被发现与流体智力相关。研究通过纳入多个维度的表型数据，发现VBNs能解释个体间在认知与运动领域的差异，也能预测个体在认知与运动领域的表现；DBNs能预测个体在运动领域的表现。
4. 遗传度分析
人脑组织及其衍生的脑网络在一定程度上受遗传调控。研究通过纳入同卵与异卵双胞胎被试，发现VBNs与DBNs受遗传调控的程度均表现出空间变化的模式，且整体上表现为低到中等的遗传度。有趣的是，VBNs的遗传度与VBNs对运动和认知领域相关的贡献之间存在显著正相关。
5. 跨模态的相关性
过去的研究表明不同模态的脑网络在表现出连接信息互补的同时，也存在相关性。研究基于功能磁共振成像、[18-F]氟脱葡萄糖正电子发射断层扫描与扩散磁共振成像分别构建白质血氧动态、代谢与结构脑网络，发现DBNs 与 VBNs 均能解释血氧动态相关性，VBN s能预测代谢同步性，结构相连的脑区相对其他脑区表现出高的白质体积相似性以及低的白质形变相似性。其中，DBNs 对于血氧动态相关性的预测模式遵循了白质功能连接组的层级结构。
6. 神经生物学基础
得益于多尺度神经生物学数据库的公开，许多研究开始探究脑网络的神经生物学基础。研究发现DBNs能够预测基于神经递质的化学架构协变，且该预测主要由五羟色胺相关的受体和转运体所贡献；DBNs能够预测区域间的基因表达相似性，且该预测由负责前脑神经元发育和分化的基因所驱动。
7. 临床价值
研究通过纳入多发性硬化症和视神经脊髓炎谱系障碍的患者（以白质病变的病灶为临床特征）与健康对照被试，发现这两种疾病均可视为白质形态连接障碍疾病。其中，多发性硬化症表现出更密集的异常形态学相似性，并且这些异常与临床变量相关。此外，白质形态学脑网络能够帮助诊断和区分多发性硬化症和视神经脊髓炎谱系障碍。
文章结论与讨论，启发与展望综上所述，该研究提出了一种基于结构磁共振成像构建白质形态学脑网络的方法，并证明白质形态学脑网络具有非平凡的拓扑组织模式、重测稳定性、表型相关性、遗传起源性、功能和结构相关性、神经生物学意义和临床价值。该方法为未来关于健康和疾病人群的白质研究提供了重要途径。需要注意的是，该研究只针对白质体积与白质形变两种形态特征进行网络构建，该方法是否适用于其他的形态特征或者扩散磁共振成像衍生的微观结构特征仍未可知。此外，该研究只在多发性硬化症和视神经脊髓炎谱系障碍这两种神经疾病进行临床价值评估，精神分裂症、双向情感障等精神疾病患者也表现出白质形态的异常，该方法能否用于刻画精神疾病的白质异常神经环路需要未来的研究进行探究。
原文链接：https://url.scnu.edu.cn/record/view/index.html?key=be8c53a212af63f4fa477f2f88e9592a
撰文︱李俊乐 审阅︱王金辉