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雖然結(jié)構(gòu)和功能連接配置之間的關(guān)系，這里稱為SC-FC耦合，已經(jīng)在全腦水平上進(jìn)行了研究，但很少有研究在區(qū)域范圍內(nèi)調(diào)查這種關(guān)系。在這里，我們使用來(lái)自人類連接組項(xiàng)目的彌散加權(quán)MRI和靜息態(tài)功能MRI數(shù)據(jù)，量化了健康年輕人的區(qū)域SC-FC耦合，并研究了SC-FC耦合如何可遺傳和個(gè)體之間的差異。我們發(fā)現(xiàn)，不同大腦區(qū)域的區(qū)域SC-FC耦合強(qiáng)度差異很大，但在高度結(jié)構(gòu)連接的視覺和皮層下區(qū)域最強(qiáng)。我們還顯示了基于年齡、性別和復(fù)合認(rèn)知分?jǐn)?shù)的個(gè)體間區(qū)域差異，并且SC-FC耦合在某些網(wǎng)絡(luò)中具有高度遺傳性。這些結(jié)果表明，區(qū)域結(jié)構(gòu)-功能耦合是大腦組織的一種特殊特征，可能受到遺傳因素的影響。 在這項(xiàng)研究中，我們量化了一組年輕成年人靜息時(shí)SC - FC耦合的皮層、皮層下和小腦的地形圖，驗(yàn)證了其可重復(fù)性，并量化了其與年齡、性別和認(rèn)知的關(guān)聯(lián)。此外，由于HCP數(shù)據(jù)的性質(zhì)，我們還可以利用親緣關(guān)系數(shù)據(jù)評(píng)估區(qū)域SC - FC耦合的遺傳率模式。為了了解大腦的結(jié)構(gòu)和功能網(wǎng)絡(luò)是如何影響認(rèn)知和行為的，以及這些關(guān)系是如何隨著年齡、性別、認(rèn)知和遺傳發(fā)生變化的，必須在區(qū)域?qū)用鏈?zhǔn)確量化大腦結(jié)構(gòu)和功能網(wǎng)絡(luò)之間的關(guān)系。 我們首先展示了不相關(guān)的年輕人的區(qū)域SC-FC耦合值，將全腦SC-FC耦合與網(wǎng)絡(luò)間和網(wǎng)絡(luò)內(nèi)SC-FC耦合進(jìn)行比較，并證明了該測(cè)量的個(gè)體內(nèi)和樣本外可靠性。然后，我們繪制了全腦SC - FC耦合與年齡、性別和認(rèn)知之間的區(qū)域關(guān)系。最后，我們證明了全腦SC - FC耦合的遺傳性。我們的數(shù)據(jù)包括941名年輕健康成年人的MRI、人口統(tǒng)計(jì)學(xué)、認(rèn)知和家庭關(guān)系數(shù)據(jù)，由人類連接體項(xiàng)目(HCP)整理。來(lái)自HCP S1200版本的個(gè)體被納入，如果他們進(jìn)行了四次功能性MRI掃描，一次彌散性MRI掃描和總認(rèn)知測(cè)試評(píng)分。使用細(xì)粒度圖譜(CC400)將大腦劃分為392個(gè)空間連續(xù)的、功能明確的皮層和皮層下區(qū)域。然后構(gòu)建兩個(gè)392x392加權(quán)鄰接矩陣，分別表示全腦SC和FC。FC通過(guò)區(qū)域時(shí)間序列的皮爾遜相關(guān)計(jì)算。采用解剖受限的概率性纖維束造影術(shù)構(gòu)建SC; 然后，SC矩陣中的條目將連接區(qū)域?qū)Φ牧骶€的全局濾波權(quán)值(SIFT2)之和除以兩個(gè)區(qū)域的體積之和。一旦構(gòu)建了FC和SC，按以下方法計(jì)算每個(gè)個(gè)體的區(qū)域SC-FC耦合向量。SC矩陣中的每一行，表示一個(gè)區(qū)域到大腦其余區(qū)域的SC，與FC中相同區(qū)域行相關(guān)（斯皮爾曼秩），得到每個(gè)被試的長(zhǎng)為392的局部SC-FC耦合向量（圖1）。我們選擇使用斯皮爾曼秩相關(guān)，因?yàn)樗侵苯咏忉?，非參?shù)(SC的條目不是高斯)，而且進(jìn)一步使我們的結(jié)果與以前的工作直接比較。這一全腦SC -FC耦合測(cè)量反映了一個(gè)區(qū)域的功能和結(jié)構(gòu)連接與大腦中每個(gè)其他區(qū)域的連接，但它沒有解開網(wǎng)絡(luò)之間或網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部連接對(duì)全腦耦合值的貢獻(xiàn)。為了評(píng)估全腦SC-FC耦合之間以及網(wǎng)絡(luò)間和網(wǎng)絡(luò)內(nèi)耦合之間的聯(lián)系，我們分別計(jì)算了每個(gè)區(qū)域的SC-FC耦合和網(wǎng)絡(luò)內(nèi)與網(wǎng)絡(luò)間耦合。 每個(gè)區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)內(nèi)SC-FC耦合是該區(qū)域與同一網(wǎng)絡(luò)中其他區(qū)域的結(jié)構(gòu)和功能連接的斯皮爾曼相關(guān)性;在該區(qū)域和它所分配的網(wǎng)絡(luò)之外的區(qū)域之間耦合是相同的計(jì)算。 
2.1 SC-FC耦合是空間變化的，時(shí)間上是一致的，是可重復(fù)的 420個(gè)不相關(guān)個(gè)體的組平均SC-FC耦合如圖2a所示。我們發(fā)現(xiàn)，在組水平上，區(qū)域SC-FC耦合幾乎完全是正的，并且在皮層和皮層下區(qū)域差異很大，范圍從0.01到0.42。視覺和皮質(zhì)下區(qū)域相比其他網(wǎng)絡(luò)通常有更高的SC-FC耦合 (見圖2 b, c), 其值為0.24±0.07和0.24 ±0.08,而邊緣和默認(rèn)模式區(qū)域SC-FC耦合比其他網(wǎng)絡(luò)明顯弱(見圖2 b, c)，分別為0.11±0.04和0.14±0.08。當(dāng)比較整個(gè)大腦SC-FC耦合與網(wǎng)絡(luò)間和網(wǎng)絡(luò)內(nèi)耦合時(shí),我們發(fā)現(xiàn),整個(gè)大腦耦合與網(wǎng)絡(luò)間SC-FC耦合是高度相關(guān)的 (r = 0.704)和與網(wǎng)絡(luò)內(nèi)耦合中等相關(guān)(r = 0.416) 2。這可能是由于在全腦SC-FC耦合計(jì)算中，網(wǎng)絡(luò)間區(qū)域?qū)Φ臄?shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于網(wǎng)絡(luò)內(nèi)區(qū)域?qū)ΑＷ詈?，我們觀察到SC-FC耦合也與SC節(jié)點(diǎn)度中等正相關(guān)(r = 0.281, p = 0)，但與FC節(jié)點(diǎn)度不相關(guān)(見補(bǔ)充圖3)。 接下來(lái)，我們測(cè)試了SC - FC耦合的可靠性和再現(xiàn)性，通過(guò)檢查其在個(gè)體內(nèi)部隨時(shí)間和跨不同群體的個(gè)體的一致性。為了測(cè)試同一個(gè)人在一段時(shí)間內(nèi)的一致性，我們使用了來(lái)自41名受試者的數(shù)據(jù)，他們?cè)诘谝淮魏舜殴舱駲z查6個(gè)月后再次進(jìn)行了核磁共振檢查。SC-FC耦合確實(shí)在這段時(shí)間內(nèi)高度一致，見圖3a，檢驗(yàn)重測(cè)相關(guān)性為0.977。此外，我們利用346名不相關(guān)的HCP受試者(年齡28.78 - 3.80歲;148名男性和198名女性)，與最初的420名無(wú)關(guān)受試者不同。樣本外的可靠性也很高, 和高相關(guān)性，參見圖3 b。SC節(jié)點(diǎn)度和FC節(jié)點(diǎn)度的可靠性也很高。
圖2 局部SC-FC耦合在整個(gè)腦的空間上變化
圖3 測(cè)試-重測(cè)與樣本-復(fù)制結(jié)果顯示出很好的可信度和SC-FC耦合的可重復(fù)性2.2 年齡、性別、認(rèn)知與SC-FC耦合的顯著聯(lián)系是區(qū)域特定的 我們使用廣義線性模型(GLM)來(lái)量化不同興趣特征與SC-FC耦合之間的關(guān)聯(lián)。具體來(lái)說(shuō)，受試者的年齡、性別、綜合認(rèn)知總分、受教育年限、顱內(nèi)容積(ICV)、在掃描器內(nèi)的頭部運(yùn)動(dòng)以及年齡*認(rèn)知總分、性別*認(rèn)知總分、教育*認(rèn)知總分和ICV*運(yùn)動(dòng)的雙向交互項(xiàng)也包括在模型中。雙側(cè)內(nèi)側(cè)眶額區(qū)屬于默認(rèn)模式網(wǎng)絡(luò)，與年齡呈正相關(guān)。小腦與年齡顯著負(fù)相關(guān)(見圖4a, b, c)。男性SC-FC耦合普遍高于女性，其中右眶額回差異最大;女性在右側(cè)海馬區(qū)有更高的SC-FC耦合(圖4d, e，和f)。更高的復(fù)合認(rèn)知得分與雙側(cè)中扣帶皮層和補(bǔ)充運(yùn)動(dòng)區(qū)SC-FC耦合減少和右側(cè)島葉SC-FC耦合增加有關(guān)(圖4g, h，和i)。SC-FC耦合和掃描儀內(nèi)頭部運(yùn)動(dòng)之間存在正相關(guān)和負(fù)相關(guān)的混合關(guān)系(見補(bǔ)充圖5);GLM模型中沒有其他協(xié)變量與SC-FC耦合有顯著關(guān)系。
圖4 局部SC-FC耦合與年齡、性別和總體認(rèn)知的聯(lián)系2.3 SC-FC耦合是可遺傳的，且與SC或FC可遺傳性不同 接下來(lái)，我們使用最近開發(fā)的建模方法評(píng)估了SC-FC耦合的遺傳性，該方法考慮了問題中成像生物標(biāo)志物的測(cè)量誤差水平。特別的，設(shè)計(jì)線性混合模型來(lái)獨(dú)立的估計(jì)總體基因型變異的個(gè)體間和個(gè)體內(nèi)變異。遺傳力定義為可歸屬于遺傳的個(gè)體間變異的比例。除了年齡、性別和用手習(xí)慣外，我們還將SC和FC節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度(每行l(wèi)1范數(shù))作為模型中的固定效應(yīng)協(xié)變量?？傮w而言，SC-FC偶和具有高度遺傳性，特別是在皮層下、小腦/腦干區(qū)域和視覺網(wǎng)絡(luò)，其遺傳率顯著高于其他網(wǎng)絡(luò)。見圖5a，b). SC-FC耦合強(qiáng)度與其遺傳力相關(guān)性較弱(圖5j)，說(shuō)明SC-FC耦合遺傳力與其量級(jí)無(wú)關(guān)。為了與耦合遺傳力進(jìn)行比較，我們計(jì)算了每個(gè)模態(tài)的區(qū)域節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度的遺傳力，如圖5d, g，以年齡、性別和利手為協(xié)變量。FC的遺傳力水平與SC-FC偶聯(lián)相似，但SC的總體遺傳力水平較低。SC-FC耦合遺傳并不是與SC或FC遺傳密切相關(guān), (圖5 k, l)。此外,FC節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度遺傳率與SC節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度遺傳率無(wú)相關(guān)性。
我們進(jìn)行了若干敏感性分析，以驗(yàn)證SC-FC耦合結(jié)果對(duì)數(shù)據(jù)處理、圖譜定義和計(jì)算SC-FC耦合方法選擇的穩(wěn)健性。首先，我們利用FreeSurfer的191區(qū)域圖譜重新計(jì)算了SC-FC耦合(補(bǔ)充圖6);耦合值與主SC-FC結(jié)果非常相似。當(dāng)用FC起源的(1)沒有全球信號(hào)回歸和(2)使用部分相關(guān)，我們發(fā)現(xiàn)了與主SC-FC偶和值的很好的一致性。示蹤算法存在偏差，包括區(qū)域間距離的影響，我們使用全局濾波方法對(duì)其進(jìn)行了一些調(diào)整。使用局部斯皮爾曼秩計(jì)算的SC-FC耦合以成對(duì)區(qū)域中心之間的距離作為協(xié)變量，顯示出與主要耦合結(jié)果的相似之處。 當(dāng)計(jì)算中考慮到距離時(shí)，兩種耦合計(jì)算的一個(gè)顯著差異是較弱的皮層下SC-FC耦合。我們假設(shè)這是由于皮層下結(jié)構(gòu)離大多數(shù)皮層區(qū)域更遠(yuǎn)，但也與所有皮層區(qū)域高度相連，所以距離協(xié)變對(duì)其耦合措施有更大的影響。我們也知道，流線型纖維束追蹤算法低估了跨半球連接; 單個(gè)半球內(nèi)的SC-FC耦合與全腦SC-FC耦合非常相似，表明低估的半球間SC對(duì)耦合計(jì)算的影響很小。最后，我們觀察到941個(gè)個(gè)體的不同種族/民族對(duì)遺傳力估計(jì)沒有太大的影響;對(duì)645名非西班牙裔白人進(jìn)行了亞組分析遺傳性一致。 在人類神經(jīng)科學(xué)中，了解宏觀解剖和生理連接體是如何交織在一起，并影響行為，或受個(gè)人特征或環(huán)境的影響，是一個(gè)重要的、未解的問題。在這里，我們利用神經(jīng)成像、人口統(tǒng)計(jì)學(xué)/家族關(guān)系信息和認(rèn)知測(cè)量，在大量健康的年輕成年人中開始發(fā)現(xiàn)這些關(guān)聯(lián)。我們發(fā)現(xiàn)，區(qū)域結(jié)構(gòu)功能耦合在高度結(jié)構(gòu)連接的視覺和皮層下區(qū)域是最強(qiáng)的，隨年齡和性別而變化，與復(fù)合認(rèn)知得分有關(guān)，并具有高度遺傳性。綜上所述，這些結(jié)果表明，在宏觀尺度上研究結(jié)構(gòu)功能關(guān)系，可以揭示大腦形態(tài)和功能研究的重要知識(shí)。
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