【基金标书】2011CB707800-基于影像的脑网络研究及其临床应用.doc

项目名称:
基于影像的脑网络研究及其临床应用
首席科学家:
蒋田仔中国科学院自动化研究所
起止年限:

依托部门:
中国科学院
二、预期目标

利用成像技术建立脑网络研究所必需的脑图谱及其适用性的评价方法,突破脑科学、认知科学和临床医学等领域发展的瓶颈;建立脑网络研究必需的计算理论和方法;揭示脑损害对脑解剖和功能网络影响的本质特性,阐明脑卒中与脑胶质瘤在神经功能恢复过程中脑网络的变化模式及其影像学指标在预后判断中的作用,在网络水平上发现精神分裂症和阿尔茨海默病早期诊断、预后判断及疗效评价的影像学标志,突破脑影像技术在精神疾病临床诊断应用所面临的瓶颈问题。推动信息科学、神经科学和临床医学等学科的大跨度综合交叉,促进基础研究向临床应用的转化,为重大脑疾病的早期诊断和早期预警这一国家重大战略需求做出实质性贡献,培养一批优秀青年科技人才,使我国在脑网络研究这一国际科学前沿领域占有一席之地。
2. 五年预期目标
利用成像技术建立适合脑疾病和脑网络研究、有明确生物学意义的脑图谱及其适用性的验证方法体系,解决脑网络研究中的脑节点定义问题。
揭示脑区之间复杂的非线性依赖关系,揭示脑功能网络的解剖基础、脑功能网络和解剖网络的相互关系,建立多层次、动态、因果和非线性的脑连接的计算理论和方法及其适用性的验证体系,解决脑网络研究中的脑连接定义问题,并建立脑解剖和功能网络,揭示正常人脑网络变化规律。
揭示局部性脑损害(脑卒中和脑胶质瘤)对脑结构和功能网络影响的本质特性,阐明局部性脑损害后在神经功能恢复过程中脑网络的动态变化模式及其在预后评估中的作用。
揭示弥漫性脑损害(阿尔茨海默病和精神分裂症)对脑结构和功能网络影响的本质特性,在网络水平上发现阿尔茨海默病和精神分裂症早期诊断、预后判断及疗效评价的
影像学标志,为这些疾病的临床早期诊断和疗效评价等提供有效的方法和途径。
3. 人才培养
预计培养国家杰出青年科学基金获得者1-3名,国家教育部“长江学者奖励计划”特聘教授1-2名,中国科学院“百人计划”入选者1-2名。培养博士后10名左右,培养博士生30-40名,硕士生20-30名。
4. 量化考核指标
(1) 建立一个适用于脑网络研究的脑图谱; (2) 建立系统的脑网络构建的计算理论和方法;(3) 在网络水平上建立1-2种本项目所研究脑疾病的早期诊断、预后判断及疗效评价的影像学标志,为这些疾病早期诊断、治疗、预防提供客观依据。(4)在SCI收录的期刊上发表论文80-100篇,其中IF>5的30篇以上,力争IF>10的5篇左右;(5) 出版脑网络研究专著1部;(6) 申请国家发明专利15项左右,软件著作权登记10项左右。
三、研究方案
1. 学术思路
本项目的核心学术思想:脑高级功能是由多个脑区交互作用来实现的,脑网络研究能为理解脑信息加工机制开辟新途径,为脑疾病的早期诊断和预后及疗效评价提供新视角。在这一思想的指导下,本项目围绕基于影像的脑网络构建和脑疾病状态下脑网络的变化规律这一重要国际前沿展开研究,以解决重大脑疾病的早期诊断、预后判断及疗效评价这一重大国家需求为最终目标。
2. 技术途径
脑网络构建的核心科学问题是如何确定脑网络的节点和连接,在此基础之上才能研究脑网络的结构和功能属性及其信息处理机制,以及脑疾病对脑网络的影响等问题。本项目分五个课题,前三个课题研究构建脑网络的两个基本要素所必需的脑图谱和脑连接的计算理论和方法,后两个课题以临床研究为主,但第四课题还兼顾方法学和应用两个方面。本项目五个课题的相互关系如图1所示,它们构成一个从基础到临床、再从临床到基础的交互关系,理论研究为临床研究奠定基础,临床研究为理论研究提供验证与评价。具体实施方案如下:
图 1. 项目整体框架
第一个课题在宏观水平上研究基于影像的脑网络节点的问题,主要目标是建立面向脑网络研究的脑图谱。第二和第三个课题研究基于磁共振影像和电生理的脑网络连接、脑网络结构和功能属性的计算理论和方法。在上述三个课题的基础上,第四个课题研究局部性脑损害(脑卒中和脑胶质瘤)对脑结构和功能网络的影响,并采用经颅磁刺激技术和经颅直流电刺激技术模拟局部性脑损害,研究特定脑区及特定脑连接的功能意义,探索局部性脑损害后神经功能恢复过程中脑网络的动态变化模式以及这些模式是否能作为预后判断的影像学标志;第五个课题研究弥漫性脑损害(精神分裂症和阿尔茨海默病)对脑结构和功能网络的影响,在网络水平上探索阿尔茨海默病和精神分裂症早期诊断、预后判断及疗效评价的影像学标志。具体实施方案如下:
利用多模态成像技术构建面向脑网络研究的脑图谱
(1) 基于结构磁共振数据的脑图谱:目前脑网络研究中应用最广的AAL(Automa