类脑计算与人工智能算脑功能解析基础理论与方法脑网络组图谱建模与仿真微观脑网络组研究脑网络组研究中心北京市重点实验室发育与老化神经活动调节转化医学脑疾病技术与装备脑机交互 2

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1 MICS 2015 基于磁共振影像的阿尔茨海默病脑网络研究初探刘勇中国科学院自动化研究所模式识别国家重点实验室脑网络组研究中心 2015 年 7 月 05 日 1

2 类脑计算与人工智能算脑功能解析基础理论与方法脑网络组图谱建模与仿真微观脑网络组研究脑网络组研究中心北京市重点实验室发育与老化神经活动调节转化医学脑疾病技术与装备脑机交互 2

3 汇报提纲研究背景部分研究进展未来展望 3

4 研究背景轻度认知损害和阿尔茨海默病 (AD) 轻度认知损害 (MCI) 介于正常衰老与痴呆之间的认知损害状态生活自理能力基本正常或轻微受损是痴呆的高发人群阿尔茨海默病 (AD) 变性痴呆中最常见的类型认知功能呈进行性全面衰退, 伴有精神行为异常患病率高致残率高医疗消耗大难防难治! 4

5 研究背景 AD 及高危人群患病情况正常老龄患病率 7~12% 轻度认知损害 MCI 10~15%/ 年发病率 1~2%/ 年阿尔茨海默病 AD 我国现有 AD 患者近 1000 万,2015 年将达 1500 万, 年医疗费用 1500 亿元患病率高早期识别率低智能致残中晚期就诊无有效治疗方法针对 AD 前期 MCI 特性的研究, 对早期识别和干预具有重大临床意义 5

6 研究背景目前临床诊断存在的问题 MCI 的客观检测手段缺乏特异性常规脑影像学无特征性改变诊断的主观性临床上基于患者的症状医生的经验做出可能性诊断缺乏早期可靠客观量化的判定指标基于当前影像学新理论新技术, 研究认知损害发病早期的多模态影像学标志, 是实现对轻度认知损害早期客观临床诊断及干预的突破口 6

7 研究背景国外项目相关现状 2004 年美国 NIH 投入 6700 万美元用于 AD 的脑影像计划,2011 年追加 2400 万美元 2013 年 4 月 2 日, 奥巴马总统宣布将投入投入 1 亿美元用于脑研究计划, 旨在为治疗 AD 等疾病提供依据 7

8 研究背景脑影像的计算理论与方法是实现从脑影像数据到脑知识转化的关键精确快速的脑影像计算理论与方法脑皮层厚度数据知识 dmri 脑白质纤维束脑疾病早期诊断预后判断及疗效评价的影像学标记 fmri 脑功能区 8

9 研究背景脑 : 复杂网络高效处理各种信息功能整合和功能分化 9

10 研究背景脑网络研究是国际前沿脑功能由多个脑区的交互作用来实现, 这些脑区及其交互作用就构成了脑网络 Francis Crick 我们至今没有绘制出人类大脑的连接图, 这是一件无法忍受的事情, 没有它就别指望能了解大脑是如何工作的 -Nature 基金委重大研究计划 2013 The Heavily Connected Brain 脑网络表征研究为脑功能及异常机制提供了新的途径 10

11 研究背景脑网络研究的重要性脑功能由多个脑区的交互作用来实现, 这些脑区及其交互作用就构成了脑网络 11

12 研究背景脑网络研究的重要性脑功能由多个脑区的交互作用来实现, 这些脑区及其交互作用就构成了脑网络 2007 年, 欧洲将基于磁共振的影像学标记纳入阿尔茨海默病 (AD) 的诊断标准, 并在欧盟国家使用 (Lancet Neurology, 2007) 12

13 研究背景脑网络研究的重要性脑功能由多个脑区的交互作用来实现, 这些脑区及其交互作用就构成了脑网络正常老年人早期 AD 13

14 研究背景为什么从网络水平研究 MCI 和早期 AD 正常老年人早期 AD Lancet Neurol 2007; 6: ; Lancet Neurol 2014;13(6):

15 研究背景基于磁共振影像的脑网络构建选择图像 MRI dmri fmri 定义节点定义连接结构连接功能连接 15

16 研究背景基于 MRI 的脑网络构建 From Fornito et al, 2011 功能连接脑网络 By Petra Vertes 16

17 研究背景 AD--- 失连接症罗纳德里根 Delbeuck, X., et al. Neuropsychol Rev, 2003;Delbeuck, X., et al. Neuropsychologia, 2007;Greicius et al., PNAS,

18 研究背景 AD--- 连接紊乱 Wang et al., Human Brain Mapp, 2007 Liu et al., Cerebral Cortex, 2014 Bai et al., J Neurosci, 2013 罗纳德里根 Sanz Arigita et al., PLoS One 2010 Wang et al., Biological Psych,

19 汇报提纲研究背景部分研究进展未来展望 19

20 AD 及高危人群的脑网络组研究从感兴趣区, 到局部, 到全脑脑网络分析的方法体系哈佛大学 (Buckner R ) 宣武医院 (Li K, Jia J, Han Y, Wang Z ) 斯坦福大学 (Grecius M ) 北师大 (He Y, Yao L ) 荷兰 (Stam CJ ) 东南大学 (Zhang Z, Bai F ) Washington U. in St. Louis (Ances B, ) 301 医院 (Wang L, Zhang X, ) U. California, UCLA, UCSF 西南医院 (Wang J ) 建立了多层次的脑网络分析方法体系, 奠定了利用脑网络研究 AD 和 MCI 的方法学基础, 有望为 AD 和 MCI 的早期诊断预后判断及预后疗效评价带来突破. 20

21 AD 及高危人群的脑网络组研究从感兴趣区, 到局部全脑的脑网络分析研究基于感兴趣区脑网络分析局部脑网络分析全脑网络分析脑网络属性分析 NeuroImage, 2012 Curr Alzheimer Res, 2014 NeuroImage, 2007 NeuroImage, 2006, Human Brain Mapping, 2014 BioMed Research International, 2015 Human Brain Mapping, 2007 Cerebral Cortex, 2014 Cerebral Cortex, 2014 PLoS Comput Biol, 2010 PLoS One,

22 杏仁核在 MCI 和 AD 中的异常连接杏仁核在 MCI 和 AD 中的连接异常降低, 且认知能力和功能连接强度显著相关杏仁核的功能连接异常时 AD 早期识别的一个潜在客观标记 MCI 中的纵向研究表明认知能力改变和功能连接强度改变显著相关 Yao et al., European Journal of Radiology, 2012; Yao et al., Brain Connectivity,

23 海马旁回在 MCI 和 AD 中的异常连接海马旁回和默认网络注意网络重要脑区之间的功能连接在 AD 及高危人群中连接异常降低连接强度和疾病严重程度密切相关 Liu et al., Journal of Alzheimer's Disease, 2015 (minor revision) 23

24 AD 脑网络研究重要子网络横向研究凸显网络和默认网络执行控制网络连接从青年老年 AD 连接逐渐减弱连接强度和疾病严重程度密切相关 He et al., Human Brain Mapping,

25 AD 脑网络研究重要子网络横向研究默认网络凸显网络和注意网络之间的连接减弱连接强度和疾病严重程度疾病的病程密切相关 Wang et al., Scientific Report, 2015 (minor revision) 25

26 AD 脑网络研究重要子网络纵向研究重要功能的子网络连接模式在 AD 及高危人群中连接逐渐减弱连接强度和疾病严重程度病程长短密切相关 Zhan et al., Cerebral Cortex, 2015 (under review) 26

27 AD 脑网络研究重要子网络纵向研究默认网络 - 执行控制网络, 感觉运动网络 - 执行控制网络连接强度在 AD 及高危人群中连接逐渐减弱连接强度和疾病严重程度病程长短密切相关 Zhan et al., Cerebral Cortex, 2015 (under review) 27

28 AD 及高危人群全脑连接异常变化额 - 顶额 - 颞和顶 - 颞长距离网络连接减弱额叶顶叶内部的功能连接代偿性增强连接强度和疾病严重程度密切相关 Liu et al., Cerebral Cortex, 2014; Wang et al., Human Brain Mapping 2007; Zhou et al., BioMed Research International,

29 AD 全脑网络研究 AD 病人长距离连接显著降低, 病情越重功能连接越少 AD 病人脑网络信息传递效率显著降低, 疾病越重效率越低信息传递效率正常人轻度认知障碍轻度 AD 重度 AD 认知能力 Liu et al., Cerebral Cortex,

30 AD 全脑网络研究 AD 病人长距离连接显著降低, 病情越重功能连接越少 AD 病人脑网络信息传递效率显著降低, 疾病越重效率越低正常人轻度认知障碍轻度 AD 重度 AD 脑网络异常模式在多中心 ( 宣武 301 ADNI) 数据得到验证突破单个脑区研究局限, 提供疾病异常的脑网络表征脑网络指标是早期 AD 识别的可能生物学标记 Liu et al., Cerebral Cortex,

31 AD 长距离脑区间信息传递能力下降 AD 患者远距离脑区之间的信息交换和传递能力下降, 但局部信息处理能力代偿性增强 AD 患者与正常老年人在默认网络区域颞叶皮层下结构以及感觉运动区具有显著差异 ApoE4 基因阳性与阴性的 AD 患者在颞叶额叶和前额叶内侧皮层具有显著差异 Liu et al., Cerebral Cortex, 2014 ; Zhao et al., PLoS One,

32 From DICOM to Results, Brat Made it Easy! One-Stop Solution User-friendly GUI Simple and Easy Small yet Useful 在上免费下载, 目前被下载 400 余次, 20+ 发表的论文 Liu et al., 2015, in preparation 32

33 汇报提纲研究背景部分研究进展未来展望 33

34 研究技术问题 Fornito et al, NeuroImage,

35 多模态脑网络及应用 35 如何从网络特性来联合多种磁共振影像数据, 建立更为合理的脑网络模型如何考察多种网络特性在神经精神疾病中的动态变化关系结构连接功能连接 1+1>2 35

36 下一代脑图谱粗糙粗糙正常精细精细损害 Jiang et al, NeuroImage,

37 下一代脑图谱精细亚区会得到更有意义发现 PRCr PRCc PHC ERC L Zhuo et al, 2015 (in preparation) 37

38 平台建设 : AD 数据平台 AD 及高危人群数据库大型数据库管理平台我们需要您的帮助宣武医院 301 医院同济医院东南大学附属中大医院第三军医大学附属西南医院山东大学齐鲁医院所有入组样本进行了临床诊断认知功能评估血样采集多模态磁共振影像学扫描 38

39 致谢中国科学院自动化研究所蒋田仔研究员刘冰副研究员宣武医院张欣卿教授李坤成教授刘洁琼博士段云云同济大学附属同济医院王培军教授赵小虎教授山东大学齐鲁医院王大伟博士华中科技大学同济医院王伟教授朱文珍教授南方医科大学大学马建华教授詹亚峰天津医科大学于春水教授秦文博士 301 医院张熙教授张增强博士王鲁宁教授周波博士姚洪祥博士西南医院王建教授李传明博士剑桥大学 Ed Bullmore Mika Robinov 墨尔本大学 Andrew Zalesky 39

40 欢迎计算机生物医学工程磁共振解剖等方向的学生博士后合作研究优异的环境良好的训练具有竞争力的薪酬

平台建设：数据平台

平台建设：数据平台基于多中心功能磁共振影像的脑网络可重复性研究刘勇中国科学院自动化研究所 yliu@nlpr.ia.ac.cn 模式识别国家重点实验室 2017 年 8 月 23 日脑网络组北京市重点实验室 1 Brainnetome Center @CASIA Brainnetome Center is one of the core departments of the Institute of Automation,

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