基于血液氧合水平(blood oxygenation level dependent，BOLD)的功能磁共振成像技术因兼有较高的时间分辨率和空间分辨率，为研究人脑的功能提供了一种重要的手段。 特别是静息态的fMRI由于能够反映人脑的自发神经活动， 已经成为神经科学领域和神经精神疾病领域的研究热点。静息态fMRI是指，在无特定任务的情况下， 受试者在不做系统地思考或尽量不要思考问题的状态下进行的磁共振扫描。 研究表明， 静息态fMRI信号的低频振荡与自发的神经元活动关系密切， 具有比较明确的生理意义与病理意义。
Fox M D, Raichle M E. Spontaneousfluctuations in brain activity observed with functional magnetic resonanceimaging. Nat Rev Neurosci, 2007, 8: 700—711
2005 年，Salvador 等人首次构建了静息状态下正常被试(年龄: 23~48)的大脑功能网络。 他们通过一个先验的脑图谱(AAL)将大脑分成90 个区域， 然后计算了每个被试不同脑区之间信号的偏相关系数，最后通过统计检验定位出在该人群上显著存在的连接， 从而获得了一个组上的功能网络。 进一步网络分析发现这些正常人群的脑网络展现出“小世界”性质、较高的网络效率、优化的连接结构以及较高的拓扑稳定性。
Salvador R, Suckling J, Coleman M R, et al.Neurophysiological architecture of functional magnetic resonance images ofhuman brain.Cereb Cortex, 2005, 15: 1332—1342
随后， Achard 等人应用离散小波变换的方法建立了不同频段基于区域的大脑功能网络， 经过分析发现， 在0.03~0.06 Hz 的低频段内， 大脑功能网络的“小世界”属性最为显著， 此外， 该脑网络节点度服从指数截尾的幂律分布， 表明网络中存在少量核心节点， 通过观察发现这些核心节点主要分布在大脑的联合皮层区域。 与无标度网络相比， 指数截尾幂律度分布的网络中核心节点的节点度并不是特别大，因此当这些核心节点受到攻击后不会对网络产生太大的影响， 使得网络具有更高的稳定性和鲁棒性。
Achard S, Salvador R, Whitcher B, et al. Aresilient, low-frequency, small-world human brain functional network withhighly connected association cortical hubs. J Neurosci, 2006, 26: 63—72
Achard 等人采集了正常老年被试和年轻被试的静息fMRI 数据并建立了0.06~0.1 Hz 频段内的大脑功能网络， 网络分析发现， 对于年轻被试， 在不同的连接密度(connection density/cost)下建立的脑功能网络都显示出了稳定的“小世界”属性和很高的局部效率(local efficiency)及全局效率(global efficiency)， 且当连接密度在0.2~0.4 之间波动时，网络的能效比(costefficiency)， 即全局效率与连接密度的差值达到最大。而老年被试的脑网络虽然也具有“小世界”属性， 但网络的局部效率、全局效率和其最大能效比却都显著劣于年轻被试。 该研究结果表明， 从代价和效率的角度来看， 大脑的发育和老化过程可以由脑功能网络的拓扑属性变化来进行定量的描述。
Achard S, Bullmore E.Efficiency and cost of economical brain functional networks. PLoS Comput Biol,2007, 3: e17
2009 年，Meunier等人建立了静息态的大脑功能网络， 并分析了网
络的模块化结构及年龄老化对模块性产生的影响。分析结果显示， 无论年轻被试还是老年被试都具有显著优于随机网络的模块性。 年轻被试的大脑网络可以被划分为5 个模块， 包括Central (C)，frontocingulo-parietal (F)， Posterior (P)， ventral frontal (V)和medial temporal (M)， 其中F 模块中的节点存在着广泛的模块间连接， 而C 模块和P 模块内的节点则倾向于与各自模块内的节点高度相连。 随着年龄的增长，老年被试脑功能网络的模块结构发生了明显的变化，年轻被试脑网络中两个最大的模块——C和F 分别被分割为更小的模块， 而各模块中的节点在网络中的地位也发生了变化， 比如P 和C 模块中节点的参与系数显著增加， 即这些节点在老年被试的脑网络中充当着连接沟通各个模块的重要角色。 该研究结果表明模块化结构是脑网络的重要组织模式， 而大脑的老化会引起网络模块化结构和各模块内节点地位的变化。
Meunier D, Achard S, Morcom A, et al.Age-related changes in modular organization of human brain functional networks.NeuroImage, 2009, 44: 715—723
最近， He 等人建立了静息态大脑功能网络，并进行了深入细致的模块化分析。 首先， 他们发现大脑功能网络在时间和空间尺度上都可以划分为相互连接的具有特定功能的子系统， 如感觉/运动网络、听觉网络、视觉网络、注意网络和默认网络等; 其次， 更为重要的是， 这些模块的拓扑属性与全脑的拓扑结构存在着显著的差异， 表明了各功能模块都具有独特的拓扑组织结构; 另外， 研究者通过计算节点的介数中心度确定了网络中的核心节点， 其中大部分都分布在大脑的联合皮层及边缘/旁边缘皮层。 此外，研究者根据节点在模块中的角色进一步确定了网络中的连接子和区域性核心节点， 并发现与区域性核心点相比， 连接子的损失会对大脑网络的稳定性和完整性产生更加严重的影响。上述的基于fMRI 脑功能网络研究都是将脑图谱模板划分的脑区定义为脑网络节点， 采用这种网络构建的方法可以达到简化计算的目的。
He Y, Wang J H, Wang L, et al. Uncoveringintrinsic modular organization of spontaneous brain activity in humans. PLoSOne, 2009, 4: e5226
然而， 这种方法也存在着一些弊端。 首先， 网络节点的定义依赖于先验的脑图谱模板， 这使得采用不同脑图谱建立的大脑功能网络存在着先天的差异， 从而影响大脑网络的分析结果。 其次， 以脑区定义节点使我们只能关注脑区之间的联系， 而无法揭示脑区内部的连接关系。 而基于体素水平的脑功能网络无需先验的脑图谱模板， 并且关注全脑范围内所有体素特异的功能信号， 因此基于体素水平的脑功能网络研究可能会提供新的网络拓扑信息和结果。
2005 年，Eguíluz首次在体素(voxel)水平上构建了任务状态下包括上万个节点的全脑功能网络， 并且发现， 与基于脑区的脑功能网络研究一致， 基于体素的脑功能网络也具有“小世界”属性。 更为重要的是， 不同于基于脑区的脑功能网络， 该研究结果显示大脑功能网络的度分布服从幂律分布， 具有无标度性。
Eguíluz V M, Chialvo DR, Cecchi G A, et al. Scale-free brain functional networks. Phys Rev Lett,2005, 94: 018102
Laurienti 等人分析了基于体素的静息态脑功能网络的模块化组织结构， 值得注意的是， 他们发现默认网络模块被进一步地分割为3 个相对独立的模块， 包括前额叶内侧、顶叶内侧/扣带回后部、楔前叶及顶叶外侧区域。 这一结果和He 等人基于脑区的网络分析结果相一致。
Laurienti P J.Modularity maps reveal community structure in the resting human brain. NatPreced, 2009, hdl:10101/npre.2009.3069.1
2009 年， vanden Heuvel 等人在体素水平上研究了智力水平( IQ)和大脑功能网络效率的关系， 结果发现静息态大脑网络的平均最短路径长度与IQ 之间存在着显著的负相关， 这说明人类的智力水平可能与大脑整合信息的工作效率有关。
van den Heuvel M P, Stam C J, Kahn R S, etal. Efficiency of functional brain networks and intellectual performance. JNeurosci, 2009, 29:7619—7624
表4 列举了基于功能磁共振成像的脑功能网络领域中研究文献的简要内容
文章节引自csb.scichina.com
图片引自原出处文献。
