《Dialogues in Clinical Neuroscience》：Nine minutes is enough: An accelerated fMRI protocol for reliable connectivity mapping in healthy young adults
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摘要
引言： 静息态功能磁共振成像（rs-fMRI）被广泛用于绘制脑连接图谱，然而该领域仍缺乏清晰、数据驱动的采集时长标准。研究人员将传统的单频带（Single-Band, SB）成像与加速的多频带因子4（Multiband factor 4, MB4）方案进
摘要
引言： 静息态功能磁共振成像（rs-fMRI）被广泛用于绘制脑连接图谱，然而该领域仍缺乏清晰、数据驱动的采集时长标准。研究人员将传统的单频带（Single-Band, SB）成像与加速的多频带因子4（Multiband factor 4, MB4）方案进行了比较，以确定一种能够捕获稳定网络拓扑结构的省时高效的方法。
方法： 25名健康年轻成人完成了间隔一个月的两次扫描，每次扫描均包含顺序平衡的13分钟SB和MB4序列。研究人员使用Portrait Divergence（一种多尺度图论指标）在多种扫描时长下评估重测信度。补充分析将Portrait Divergence与领域标准的组内相关系数（Intraclass Correlation Coefficient, ICC）进行了比较，评估了其在不同预处理流程和脑图谱分区方案下的稳健性，并检验了MB4捕获皮层和皮层下连接的能力。
结果： 在所有测试时长下，MB4均一致优于SB，其拓扑稳定性在9分钟时达到峰值。超过该时长后稳定性下降，这很可能是由于累积的运动伪影所致。补充分析证实了MB4在不同预处理策略和图谱选择下的稳健性，并展示了有效的全脑覆盖。
结论： 在健康年轻成人中，MB4比SB能更有效地捕获网络拓扑结构，并在9分钟时达到峰值稳定性后开始下降，这对“扫描时间越长越好”的假设提出了挑战。这些发现需要在临床、儿童和老年人群中进一步验证。
关键词： fMRI | Multiband | brain connectivity | graph theory | Resting-State | topological stability
论文解读文章
一、研究背景与问题提出
静息态功能磁共振成像（resting-state functional magnetic resonance imaging, rs-fMRI）是绘制人脑功能连接图谱的核心工具，广泛应用于认知神经科学与临床神经精神疾病研究。然而，该领域长期缺乏一个清晰且基于数据驱动的标准来界定最优采集时长。较短的扫描时间虽能提升被试舒适度、减少运动相关伪影并简化研究流程，但可能无法保证连接估计的可靠性；而较长的扫描则伴随着被试疲劳、头部运动累积以及扫描成本上升等问题。多频带（Multiband）成像技术通过同时采集多个层面的信号实现加速采样，为缩短扫描时长提供了有力手段，但加速采样速度与重测信度之间的权衡关系仍未被充分阐明。因此，确定既能保证稳健且可重复的连接估计、又具备时间效率的最短多频带扫描时长，对于建立标准化rs-fMRI方案至关重要。
既往研究已确立多频带因子4（Multiband factor 4, MB4）为rs-fMRI最高效的设置，并显示其与因子2平面内加速联合使用可保持信噪比（signal-to-noise ratio, SNR）和功能连接质量。然而，常用的可靠性指标如组内相关系数（intraclass correlation coefficient, ICC）和连接组指纹识别均侧重于单个边（edge）层面的评估，易受低可靠性连接噪声干扰，对分布式、系统层面的网络变化敏感性有限。为克服这一局限，本研究采用Portrait Divergence这一基于信息论的度量指标，它通过构建“网络肖像”（network portraits）并将其转换为概率分布，利用Jensen-Shannon散度量化全脑连接图在多个拓扑尺度上的相似性，从而能够捕捉边缘层面指标常忽略的系统性细微重构。
二、研究目的与设计
本研究旨在利用Portrait Divergence比较MB4与传统单频带（Single-Band, SB）成像在全脑连接估计稳定性方面的表现，并确定能够实现可靠拓扑稳定性的最短扫描时长。研究同时以领域标准的ICC作为基准进行对照，并检验结果在不同预处理流程和脑图谱分区方案下的稳健性。研究假设MB4凭借其更高的采样效率，相比SB能获得更高的拓扑稳定性，且峰值性能出现在中等扫描时长。
三、关键技术与方法概述
本研究为前瞻性队列研究，经当地生物伦理委员会批准，招募25名健康大学生志愿者（13名女性，年龄23.98±1.16岁），无MRI禁忌症并签署书面知情同意。每位参与者间隔一个月完成两次扫描，每次包含13分钟的SB和MB4序列，顺序在会话内和会话间进行平衡设计。数据采集使用配备32通道头线圈的3T飞利浦Ingenia扫描仪。功能数据经fMRIPrep 25.0.0版本标准化预处理，配准至MNI152NLin2009cAsym标准空间。随后将13分钟数据以1分钟为增量切分为5至13分钟的不同时长片段，使用AFNI的3dTproject进行进一步处理，包括基于帧位移（framewise displacement, FD）超过0.4mm的严格运动伪影剔除、六个头部运动参数及aCompCor信号的 nuisance 回归，以及0.008–0.09Hz频带滤波。功能连接通过计算感兴趣区（region of interest, ROI）时间序列间的Fisher z变换皮尔逊相关获得，负相关置零，构建355×355连接矩阵，并采用20%比例边阈值进行网络构建。统计方法包括线性混合效应模型、二次回归模型等，Portrait Divergence使用原作者提供的Python实现计算。
四、研究结果
MB4与SB的拓扑稳定性比较及最优时长识别： 25名参与者均完成两次扫描，但三次MB4采集因DICOM至NIfTI转换失败而无法使用，最终纳入25套SB数据和22套MB4数据进行分析。结果显示，MB4在所有测试时长下均优于SB，其最低（最佳）Portrait Divergence出现在约9分钟处，而更长时长并未带来进一步改善。SB在各时长下通常表现出更高的发散值，两者差异具有统计学意义。
ICC基准对照分析： 边缘层面的ICC分析显示，全局平均ICC值在较长扫描时长下稳定于0.35–0.40左右，与既往方法学报告一致。然而这一平台期与主分析结果存在分歧——MB4在9分钟处表现出明显的拓扑稳定性优势。ΔICC图谱揭示MB4在关键节点（尤其是默认模式网络）存在局部稳定性提升，但这些细微但结构重要的效应在全局ICC均值中被统计性掩盖，恰是Portrait Divergence设计上能够捕捉的。
模型诊断与功效分析： 标准模型诊断未发现残差和随机效应的正态性、异方差性等假设的严重偏离。事后功效分析确认最终样本量足以检测观察到的效应量。
MB4稳定性对预处理和图谱选择的稳健性： 采用1mm宽松运动剔除阈值（仅排除一次MB4采集）的敏感性分析中，MB4仍保持对SB的一致且统计显著的优越性。使用仅含皮层的Schaefer图谱的补充分析显示，联合皮层-皮层下图谱的原始拓扑稳定性值更优（差异未达统计显著），表明整合皮层下区域不会损害拓扑稳定性。在不同粒度的Schaefer图谱（100和200个分区）下，MB4均表现出统计显著的优越性，且在9分钟附近出现稳健的发散峰值。
运动累积的统计建模： 线性混合效应模型显示，MB4采集中的平均帧位移随时长显著增加且会话间轨迹出现分歧，而SB轨迹保持稳定。以9分钟为固定断点的分段回归进一步证实MB4存在斜率变化，与Portrait Divergence稳定性峰值一致，表明约9分钟后累积的、会话间不一致的运动损害了MB4数据的拓扑稳定性。
MB4欠采样分析： 将MB4数据降采样至与SB相同的时间窗内体积数后，其拓扑稳定性相对完整MB4数据出现统计显著的损失，表明MB4的稳定性优势依赖于其更高的时间分辨率。
边阈值敏感性分析： 在10%、15%、25%和30%的替代边保留阈值下，稳定性曲线呈现一致模式，9分钟峰值得以保留，表明主要发现不依赖于特定的20%阈值。
滑动窗口敏感性分析： 使用5–10分钟固定长度滑动窗口的分析中，MB4在所有窗口长度下均保持比SB更低的发散值。由于滑动窗口对扫描所有时段（包括易受运动退化影响的后段）进行采样和平均，特定时长间的对比被固有地削弱，但二次模型拟合仍收敛于约9分钟的最优点，支持主要发现。
五、讨论与结论
本研究证明，在健康年轻成人中，MB4在拓扑稳定性方面优于SB采集，峰值出现在9分钟处。尽管两种序列在最短的5分钟时长下稳定性相当，但MB4在其余测试范围内保持一致的统计优势。该效应在不同预处理方案、图谱分辨率和区域覆盖下均稳健，凸显了MB4在全脑图论分析中的适应性及在多访视设计中的价值。MB4的优越性可能源于其更高的采样效率——在相同时间内提供更丰富的数据集，增强功能连接估计的统计功效。9分钟峰值反映了获取足够数据与防止更长扫描导致的拓扑稳定性退化之间的最佳平衡。
运动累积分析表明，MB4采集中的头部运动随扫描时长系统性增加，并在9分钟标记后出现会话间分歧，不仅增加了被剔除的体积数，还引入了会话特异性变异，可能损害纵向设计中的重测信度。即使采用先进的去噪策略，过度运动仍会不可逆地扭曲网络拓扑结构。
研究局限性包括：样本仅包含健康大学生，限制了向临床或不同年龄段人群的推广；无法完全排除加速诱导伪影（如层间泄漏）的影响；未采集生理测量以追踪警觉性或唤醒水平；数据来自单一扫描仪；仅使用皮尔逊相关矩阵表示功能连接；9分钟MB4方案的临床相关性尚待确定。
综上所述，基于本研究结果，9分钟MB4采集方案可作为健康年轻成人在3T MR系统上进行rs-fMRI研究的省时高效、拓扑敏感的采集方案，为建立标准化协议提供了方法学基准，同时需在更多人群和环境中进一步验证。
