利用神经格兰杰因果关系映射衰老过程中全脑的非线性结构-功能动态关系

《Brain Topography》：Mapping Whole-Brain Nonlinear Structure-Function Dynamics in Aging via Neural Granger Causality

　　

摘要

大脑老化表现为解剖结构与神经功能方面的复杂变化。虽然结构连接性与功能关联性之间的相互依存关系已被充分证实，但老化过程中结构-功能耦合的模式却鲜有研究，而这一模式对于揭示与年龄相关的神经变化机制至关重要。此外，传统的静息态fMRI研究大多关注线性相关性，往往忽视了可能在老化大脑中起关键作用的非线性因果相互作用。为了解决这一问题，我们采用了非线性格兰杰因果模型来研究全脑层面的结构-功能耦合。本研究共有227名健康参与者，他们被分为年轻组（20–35岁，\(\:N\:=\:153\)）和老年组（59–77岁，\(\:N\:=\:74\)），并按性别进一步分组。我们从静态和动态两个角度，在区域及子网络层面分析了结构-功能耦合情况。研究结果表明，与性别匹配的老年组相比，年轻组的非线性格兰杰因果模型所显示的结构-功能耦合强度显著更高。此外，男性表现出更强比例的强结构-功能耦合连接。值得注意的是，在区域和子网络层面都观察到了与年龄相关的非线性因果耦合普遍下降的趋势，尤其是在负责认知控制和注意力的网络中。进一步通过滑动窗口进行的动态分析表明，尽管老年人的时间变异性增加，但这些老化特征在整个扫描过程中依然存在。这项研究强调了在脑网络研究中纳入非线性因果关系的重要性，因为这种研究方法能够更深入地了解与年龄相关的认知衰退及神经退行性病变的潜在机制。