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● 认知神经科学前沿文献分享
论文信息:Local–global breakdown of cortical similarity networks in anorexia nervosa
发表时间:2026-09-21
发表期刊:Nature Mental Health
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01 知道皮层变薄之后,还能问什么?
利用磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging,MRI),研究者可以估计皮层厚度等结构特征。在这些局部指标之外,还可以追问:不同脑区各有变化,它们之间的形态相似性是否也发生了变化?
这篇发表于《Nature Mental Health》的研究,希望把厚度、曲率等特征结合起来,观察神经性厌食症(anorexia nervosa)患者的皮层组织。作者关心的不仅是各个脑区的数值,还包括脑区之间有多相似,以及这些相似性是否与营养状态有关
为此,他们比较了 50 名患者和 40 名健康女性,并为每位参与者构建了一张形态相似性网络。理解这张网如何产生,才能理解它比逐个比较脑区多提供了什么信息
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02 一张结构像,怎样变成相似性网络?
作者使用的方法叫 Morphometric Inverse Divergence(MIND,形态测量逆散度)。它的思路是:用多种形态特征描述每个脑区,再把两个脑区的分布差异转换成相似性
先看输入:
研究者从结构像重建皮层表面,在表面顶点(vertex,即重建表面上的采样点)提取五项特征:
皮层厚度(Cortical thickness,CT):局部皮层的厚度
平均曲率(Mean curvature,MC):表面的弯曲程度
脑沟深度(Sulcal depth,SD):皮层沟回的深浅特征
表面积(Surface area,SA):顶点对应的局部表面积
局部灰质体积(Local gray matter volume,GMV):本文以顶点处厚度乘面积计算
其中 MC、SD、GMV 为本稿便于阅读使用的简称
一个顶点对应五个数,一个脑区包含许多顶点。同一脑区内部的厚度、曲率等特征也有差异,因此这些点在五维空间中的分布,能保留区域均值所概括掉的信息,这些都是我们常规可以通过结构项得到的指标特征。MIND 将多种特征放在一起比较,使脑区内部的形态差异也参与到脑区之间的相似性计算中
如何比较?
MIND 使用 Kullback–Leibler divergence(KL 散度,一种衡量概率分布差异的量),比较两个脑区的多维特征分布。本文采用 k-nearest-neighbor approximation(k 近邻近似),利用特征空间中的近邻样本估计这一差异,再将其反向转换、缩放为 0—1 的相似性得分。分布差异越大,得分越低
有什么新的视角?
将本文划分的 100 个脑区两两比较,就得到每个人的 100×100 相似性矩阵:行和列对应脑区,格子里的数值对应两个脑区的相似程度。把脑区画成节点、相似性画成边,矩阵就成为一张网络。这里每条边的权重,始终表示两个脑区的形态分布有多接近;后续对“连接强度”的解释也沿用这个定义
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图 1a–b|从脑区到网络。a 展示 100 个脑区及其所属的七个网络;b 展示组平均 MIND 矩阵及脑区加权度。实际计算先为每个人构网,组平均图用于展示。ROI 是 Region of Interest(感兴趣区,此处指分区后的脑区);Weighted degree 是加权度,即一个脑区各条相似性边的权重之和。脑图颜色对应各脑区的加权度
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03 换成网络之后,看到了什么?
整体相似性,与营养状态有关吗?
作者对矩阵中的边取平均,得到全局 MIND 强度。患者组的平均值较低;在患者内部,控制年龄和颅内容积(total intracranial volume,用于调整头颅大小差异)后,它与身体质量指数(Body Mass Index,BMI)的偏相关系数为 0.35
在这批患者中,BMI 较低者的整体形态相似性也往往较低。MIND 让研究者把营养状态与脑区之间的形态关系放在一起考察,将观察范围从局部皮层特征扩展到了跨脑区的多特征关系
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图 1d|每个点代表一名患者。横纵坐标分别为去除年龄、颅内容积影响后的 BMI 和全局 MIND 强度残差。Partial r 指 partial correlation coefficient(偏相关系数),表示控制这些协变量后的相关程度
哪些脑区之间的关系,共同出现了差异?
平均强度概括了整张网络的水平,具体的脑区关系则保存在矩阵的每条边中。为了找到差异集中出现的脑区关系,作者进一步采用网络统计(Network-Based Statistic,NBS):先筛出达到阈值的组间差异边,再通过置换检验判断它们组成的连通成分是否显著
结果找到一个由 10 条边组成的显著子网络,校正后 P=0.031,这个 P 值对应整个连通成分。其中患者的形态相似性较低,主要涉及背侧注意网络(dorsal attention network)与边缘网络(limbic network)之间的关系,并延伸至其他网络。这里按既有功能网络图谱给脑区分组,比较的量仍是形态相似性
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图 5a|左侧画出该子网络的脑区及相似性边;右侧统计这些边在不同网络对之间的数量,色深对应边的数量。DAN 为背侧注意网络,Limbic 为边缘网络;FPN 为 frontoparietal network(额顶网络),VAN 为 ventral attention network(腹侧注意网络)。其余分区为 Vis,visual network(视觉网络);SMN,somatomotor network(躯体运动网络);DMN,default mode network(默认模式网络)。L、R 分别表示左右侧
MIND 将各脑区的形态特征转成脑区对之间的相似性,NBS 再识别其中共同出现差异的子网络。两步分析把问题从“哪些脑区有变化”推进到了“哪些脑区之间的形态关系共同出现差异”,也让皮层变化具有了具体的网络位置
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04 我的数据,适合问同样的问题吗?
当研究问题涉及脑区之间的多特征形态关系,以及这些关系与疾病或临床状态的联系时,这套分析值得考虑。可以先明确需要比较哪些脑区关系,再选择与问题对应的全局、脑区或子网络指标
本文的构网输入来自 T1 加权结构磁共振图像(T1-weighted structural MRI),经 FreeSurfer 的 recon-all 流程重建皮层。迁移到自己的数据时,需要保留顶点级多种形态特征及脑区划分,让每个脑区内部的特征分布可以进入比较。实施前,应核验皮层重建质量,并确认所用实现的特征处理、近邻参数和相似性变换细节。样本量与协变量应结合自己的研究设计确定,统计分析还需处理年龄等混杂因素并控制多重比较
本篇聚焦从形态特征到相似性网络的方法链;原研究还结合解剖连接和受体图谱,进一步探索这些差异的空间分布及其生物学关联,如果感兴趣欢迎查看原文
分享人:天天
审核:PsyBrain 脑心前沿编辑部
● 原文信息与获取方式
DOI:10.1038/s44220-026-00730-5
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