脑的结构特征是实现脑功能的物质基础。在微观层面,不同类型的神经元及神经元之间的突触联系结构决定了神经网络的计算机制,从而在本质上决定了神经网络的功能,神经科学家已经开展了大量工作来研究微观层面上的神经网络结构如何实现简单的功能。复杂的脑功能则依赖于更大规模的全脑神经网络来实现,但至今尚不清楚复杂的脑功能是如何由全脑神经网络实现的。
在宏观层面上,尽管结构决定功能是神经科学的共识,但大脑皮层形态与功能的关系尚未被揭示。中国科学院心理研究所行为科学重点实验室副研究员杨志等利用大规模神经影像数据,系统地探索和检验了宏观层面的脑皮层形态特征与脑皮层内在神经活动特点之间的关联,实践了其前期提出的从“发现”到“验证”的神经影像大数据研究框架。
在“发现”阶段,利用数据挖掘方法gRAICAR分别将6个皮层形态学指标和6个皮层神经活动指标的全脑图谱分解为若干皮层图谱成分,每个成分代表了不同的个体间变异规律。来自不同形态学和功能指标、但个体间变异规律相似的成分被gRAICAR辨识为一组,称为多模态共变单元。该研究的意义在于:首先,它系统地展现了健康人整个皮层内的结构与功能间的关联,提供了结构功能关系交互式查询数据库。
用户点击任何形态学或功能图谱中的任何位置,即可获取与此位置具有共变关系的其他形态、功能图谱。通过这一数据库,研究者可清晰地了解皮层结构与功能各测量指标之间的联系,并且发现未知的结构——功能关联。其次,它系统地刻画了6个皮层功能测量与皮层结构间的关系,使研究人员对皮层现有功能测量的生物学意义有更深入的了解。
再次,它为整合来自多模态的研究提供了新途径;具体来讲,以往许多研究利用不同结构、功能测量对同一问题开展研究,提出了不同的结论。但研究人员并不清楚这些结论间是否存在关联。结合该研究的成果,以往多模态的研究结果可以被整合。
同时,该研究的结果可对一些尚未应用于某问题的测量进行预测,如根据颞上回的皮层体积与度中心度的共变关系,研究人员可由已知的精神分裂症的颞上回体积异常预测颞上回的度中心度异常,进而在实际数据中验证。此外,该研究所应用的数据均为公开数据,数据分析代码全部公开以利于提高研究结果的可重复性。
该研究已在Brain Structure & Function期刊在线发表。