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太原理工大学学报 2021年第5期52卷 728-739页

作者：任凯欣王千山夏潇鸾邓红霞李海芳太原理工大学信息与计算机学院山西晋中030600 澳门大学认知与脑科学中心中国澳门999078

基于比较神经科学的思想,采用脑图谱配准法从人和猕猴的每一个被试大脑中提取了Broca目标脑区和10个感兴趣区域,构建了从被试大脑的Broca脑区到10个感兴趣区域之间的连接性指纹图,从大脑连接结构的角度对人脑和猕猴大脑中的Broca区进行... 详细信息

基于比较神经科学的思想,采用脑图谱配准法从人和猕猴的每一个被试大脑中提取了Broca目标脑区和10个感兴趣区域,构建了从被试大脑的Broca脑区到10个感兴趣区域之间的连接性指纹图,从大脑连接结构的角度对人脑和猕猴大脑中的Broca区进行了跨物种连接差异分析。针对样本特征分布不均匀的问题,运用了独立样本t检验方法,从物种总体均值的角度对Broca脑区与某一目标大脑区域之间的连接差异进行了分析。针对样本数量少、对结果刻画能力不足的问题,运用了排列置换测试的统计学分析方法,通过大量计算,对实验结果的可信度进行了分析。此外,还利用人脑和猕猴被试大脑中的同源纤维束为Broca区重新构建了连接性指纹,将生成的指纹图与上述结果进行对比分析。最终结果显示,人脑和猕猴大脑Broca脑区与大多数感兴趣脑区之间的总体均值差异较小,两物种连接性指纹的变化趋势拟合度高,这表明在解剖学上同源的Broca区在连接结构方面也具有较高的跨物种一致性。

关键词： Broca区比较神经科学连接性指纹概率纤维束核磁共振

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人和猕猴Broca区跨物种解剖连接差异分析

人和猕猴Broca区跨物种解剖连接差异分析

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作者：任凯欣太原理工大学

学位级别：硕士

对大脑组织进行跨物种比较已经成为探索大脑进化水平的一种重要手段,由于在猴脑中可以实施一些人类大脑中无法实施的解剖学和生理学研究,猕猴已被广泛地用于理解人类大脑。Broca区主要负责语言信息的处理和话语的产生,与人类语言能力的... 详细信息

对大脑组织进行跨物种比较已经成为探索大脑进化水平的一种重要手段,由于在猴脑中可以实施一些人类大脑中无法实施的解剖学和生理学研究,猕猴已被广泛地用于理解人类大脑。Broca区主要负责语言信息的处理和话语的产生,与人类语言能力的发展密切相关。尽管从解剖学角度已将猕猴大脑的44和45区视为人脑Broca区的同源脑区,并将猕猴大脑的Broca45同源脑区近一步细分为了喙部(rostral areas,45A)和尾部(caudal area,45B)两个子区。但尚不确定人脑和猕猴大脑Broca同源子区在连接结构方面是否存在跨物种一致性,也不确定人脑中是否存在与猕猴Broca45子区类似的亚区分割情况。为了证实人脑和猕猴大脑解剖学上同源的Broca区是否在白质纤维连接结构上存在跨物种一致性,以及人脑Broca45子区是否存在猕猴大脑Broca45子区类似的亚区分割情况。本文采用非侵入式手段,利用不同脑区之间白质纤维束的数量来对脑区的连接结构进行描述。通过构建人脑和猕猴大脑Broca同源子区的连接性指纹,对Broca脑区进行跨物种连接差异性分析。本文引入了基于全脑概率纤维束跟踪的脑区分割方法,实现了人脑Broca45子区的分割,建立了Broca45分割亚区之间的跨物种连接性指纹图。在进行跨物种连接结构差异分析的过程中,运用了基于大量计算的排列置换测试(置信度为90%)与独立样本t检验(置信度为90%)等统计学方法,对人和猕猴Broca同源区的连接结构差异进行了基于小样本的统计学分析。本文研究得到了国家基金项目和省研发计划的支持,主要研究内容如下:(1)从人脑和猕猴大脑中对感兴趣脑区进行了提取。针对不同被试的大脑结构存在差异的问题,本文选择在被试个体水平进行感兴趣脑区的提取。这是因为,如果从标准脑图谱中去提取感兴趣脑区,在将它配准到每个被试大脑上时,不同被试之间会出现一定的偏差,这会给后续的实验带来影响。因此,需要先将整个标准脑图谱配准到个体脑区以后再进行感兴趣脑区的提取。在配准过程中,本文运用了线性配准将个体FA像配准到个体T1结构像,线性加非线性配准将个体T1结构像配准到标准空间T1结构像的两步配准法。并且运用个体的T1结构像掩膜文件来生成个体b0像掩膜,实现了对扩散张量成像的几何畸变矫正和伪影矫正。(2)对比了人脑和猕猴大脑Broca子区的连接模式。针对被试样本容量小、存在地域特征的问题,本文采用了基于小样本的排列置换测试和独立样本t检验方法对结果值进行分析。首先利用概率纤维束跟踪技术对人脑和猕猴大脑Broca子区进行跟踪,建立跨物种Broca子区连接性指纹图。然后对指纹图进行排列置换测试和独立样本t检验测试,利用样本的随机排列,通过大量的计算,在物种整体水平上对人脑和猕猴大脑Broca子区连接性指纹差异进行了统计学分析。此外,在构建连接性指纹的过程中,运用了平均值归一化的数据处理方法,降低了人脑和猕猴白质纤维束的数量级差距对跨物种比较的影响。(3)对比了人脑和猕猴大脑Broca45亚区的连接模式。针对人脑Broca45区没有进行亚区分割的问题,本文引入了基于全脑概率纤维束跟踪的脑区分割方法,将人脑Broca45区分割为两个亚区。通过将分割好的亚区结果与猕猴大脑45A和45B亚区进行比对,对分割结果进行了标记,并引入了新的连接性指标来构建亚区的连接性指纹图,在亚区水平进行跨物种连接结构差异分析。

关键词： Broca区比较神经科学连接性指纹概率纤维束脑区分割

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