基于多模态磁共振影像的婴幼儿脑功能模块化发育模式研究

The human brain undergoes a highly dynamic and sophisticated maturation process during the early stage of development, which not only provides a neurobiological basis for the development of cognitive capabilities and behavioral performance, but also has an important impact on the cognitive and learning performance in later life. Previous brain functional network studies identified a modular organization of human brain functional networks, as different brain regions interact with each other to complete various cognitive activities. However, little is known about the early developmental patterns of this modular organization in human brain networks. Therefore, in this project, we aim to investigate the early developmental pattern of the brain functional modules/system from the third trimester to the age of 6 years, including 1) exploring the early developmental patterns of modular organization and characterizing the developmental curves of each module; 2) investigating the structural basis of intrinsic functional modules, and the developmental curves of functional and structural correlation; 3) exploring the developmental pattern of modular-based individual differences and their relationship with the cognitive ability and behavior performance. This project will help to provide not only theoretical insights on the early developmental mechanism of the human brain, but also methodological reference for future neuroimaging studies on early human brain development. Moreover, the modular-based individual variation and its relationship with cognitive and behavioral performance may offer new windows of monitoring the abnormal development.

人脑在早期发育阶段经历了复杂且迅速的成熟过程。这些变化不仅极大的影响了认知功能和行为发育，且为毕生所需的基本技能奠定了基础。人脑发育连接组学研究框架结合先进的神经影像技术为人脑早期发育的研究提供了新的研究视角。特别的，成人脑功能网络研究发现大脑中功能特异的脑区针对不同认知活动相互作用彼此整合，构成了模块化的组织方式，成为认知灵活性的脑网络基础。然而，目前对于人脑功能模块化组织在早期发育阶段的变化模式仍知之甚少。本项目拟聚焦30孕周至6岁，使用婴幼儿多模态磁共振影像数据，研究人脑功能网络模块化组织的早期发育模式，刻画不同功能系统的发育轨线；探索功能模块的底层结构基础，揭示结构和功能关系的早期变化规律；进而计算功能模块化的个体间差异及其与认知行为的关系。本项目的实施将有助于进一步揭示人脑功能系统的早期发育机制，为神经影像学早期发育相关研究提供方法学参考，且有助于为异常发育监察提供影像学标记物。

人脑在早期发育阶段经历了迅速而复杂的成熟过程，不仅影响了认知功能和行为发育，也为毕生所需的基本技能奠定基础。发育脑连接组学研究框架可以有效地助力脑发育研究。特别的，《自然》杂志在2022年11月发表脑连接专刊，指出大脑连接决定了大脑的功能组织模式。以语言为例，脑连接使得多个功能模块协同作用，快速实现复杂认知功能。本项目以脑模块化组织模式为研究重点，围绕语言认知过程中的全脑功能网络的后期发育变化及静息状态下语言网络的早期发育模式及其与认知发展的关系发表了一系列工作，并探索了中文加工过程的神经环路特异性。进一步，研究了疾病人群的异常脑功能网络发育，发现成人ADHD的脑功能网络中默认网络对注意网络产生干扰作用，其中桥梁脑区为左侧颞中回，相关功能连接不仅与ADHD的风险基因存在显著关联，且经过认知行为训练后，患病人群的连接异常随症状改善有所缓解。此外为研究早期发育阶段异常发育，收集3-6岁孤独症患者和健康对照的行为学、临床资料和影像学数据，建立上海自闭症早期发育队列。在项目执行期间，基于本项目研究内容完成标注受本项目资助的SCI论文7篇，均为通讯作者文章，其中5篇已接收论文分别发表在Communications Biology (1篇,IF: 6.548), Developmental Cognitive Neuroscience（1篇，IF：5.811），Neuroscience Bulletin （2篇，IF 5.271），eNeuro（1篇，IF：4.363）。基于项目工作内容，发表论著书章1篇（出版社：Elsevier）。本项目在脑网络模块化分析、语言发展以及发育轨线的刻画和发现，有助于理解脑发育的基本规律、建立儿童影像数据处理的标准、开发并建立客观的认知发展预测指标。

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