Efficiency and cost of economical brain functional networks

doi:10.1371/journal.pcbi.0030017

.2007年2月2日；3（2）：e17。

doi:10.1371/journal.pcbi.0030017。

经济型脑功能网络的效率和成本

索菲·阿查德¹, 埃德·布尔摩尔

附属机构

PMID： 17274684
预防性维修识别码：项目经理1794324
内政部： 10.1371/日记.pcbi.0030017

经济型脑功能网络的效率和成本

索菲·阿查德等。公共科学图书馆计算生物学. 2007.

.2007年2月2日；3（2）：e17。

doi:10.1371/journal.pcbi.0030017。

作者

索菲·阿查德¹, 埃德·布尔摩尔

附属

¹英国剑桥大学阿登布鲁克医院精神病学系脑图室。

PMID： 17274684
预防性维修识别码：下午1794324
内政部： 10.1371/日记.pcbi.0030017

摘要

大脑解剖网络稀疏、复杂，并且具有经济的小世界特性。我们在析因设计中研究了使用功能磁共振成像（fMRI）测量人脑功能网络的效率和成本：两组健康老年人（N=11；平均年龄=66.5岁）和健康年轻人（N=15；平均年龄=24.7岁）志愿者在无任务或“休息”状态下各进行两次扫描服用安慰剂或单剂量多巴胺受体拮抗剂（舒必利400mg）后的状态。通过小波相关分析估计了90个皮层和皮层下区域之间的功能连通性，频率间隔为0.06-0.11Hz，并设置阈值以构建无向图。这些脑功能网络规模较小，经济实惠，可以提供高全局和局部效率的并行信息处理，从而降低连接成本。老年人的效率与成本不成比例地降低，年龄对效率的不利影响局限于额叶、颞叶皮层和皮层下区域。多巴胺的拮抗作用也损害了网络的全局和局部效率，但这种效应是不同的局部效应，并且与年龄的效应没有相互作用。脑功能网络具有经济的小世界特性，支持以相对较低的成本进行有效的并行信息传输，正常衰老和药物阻断多巴胺传输会对其造成不同程度的损害。

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利益冲突声明

相互竞争的利益。提交人声明，不存在相互竞争的利益。

数字

**图1。人脑功能网络的小世界特性**
全球和本地效率(年-轴）作为成本函数(x个-轴）用于随机图、规则晶格和大脑网络。对于所有网络，全球和本地效率随着成本的增加而增加；随机图的全局效率高于格；格的局部效率高于随机图。平均而言，在每组的所有受试者中，年轻大脑网络（黑色虚线）和旧大脑网络（红色虚线）的效率曲线位于随机拓扑和晶格拓扑的极限情况之间。小世界制度被保守地定义为成本范围0.34≤*K（K）*≤0.5，其中旧网络的全局效率曲线大于晶格的全局效率。

**图2。人脑功能网络的经济特性**
效率(年-轴）作为成本函数(x个-axis）用于两个单独的大脑网络：一名年轻受试者服用安慰剂（左面板），一名老年受试者服安慰剂（右面板）。对于这两个对象，局部效率（红线）和全局效率（绿线）随成本单调增加；成本效率（全球效率与成本之差；蓝线）在0.2≤时最大*K（K）*≤ 0.4. 低成本门槛，*K（K）*～0.1与图3和图5中报告的稀疏网络相关，在每个图中显示为黑色垂直线。

**图3。低成本脑功能网络的效率测量*K（K）*～0.1，在所有参与者中**
（顶行）多巴胺拮抗剂（舒必利400 mg）对整体效率（左栏）、局部效率（中栏）和最大成本效率（右栏）的受试者影响：年轻受试者的数据用黑线和黑三角形表示，老年受试者数据用红线和红三角形表示。（下一行）方框图显示了每个年龄组在每次治疗后的整体效率、局部效率和最大成本效率的中位数、四分位范围和范围。每条水平线和相关数字表示第页-专案的价值t吨-测试：与年龄相关的全球效率（YP-OP和YS-OS）存在一致的成对差异，与年龄相关成本效率（YP–OP）的差异不太一致，年龄对局部效率没有显著的事后影响；然而，与药物治疗相关的局部效率（YP–YS和OP–OS）存在一致的成对差异，药物对年轻人的总体效率（YP-YS）有显著影响。

**图4。在小世界网络成本制度下估算和整合的效率指标，0.05≤*K（K）*≤ 0.34**
（第1、2行）服用安慰剂（第1行）和舒必利（第2行）后，年轻人（黑线）和老年人（红线）的整体（左）和局部（右）效率曲线。（第3行）多巴胺拮抗对整体整体效率（左）和整体局部效率（右）的受试者影响：年轻受试者的数据用黑线和黑三角形表示，老年受试者数据用红线和红三角形表示。（第4行）方框图显示了各年龄组在每次治疗后的综合整体效率（左）和综合局部效率（右）的中位数、四分位数范围和范围。

**图5。年龄对区域效率的影响**
大脑区域按区域效率降低的顺序排列：“中枢”具有较高的区域效率，在年轻人（左面板）和老年人（右面板）中，往往是联想皮层的较大区域；“散居”的区域效率低，往往是边缘/旁边缘皮质的较小区域。每个方框图显示了服用安慰剂后各年龄组区域效率的中位数、四分位范围和个人估计范围；盒子是彩色编码的，用于区分初级感觉或运动皮层（红色）、单峰或多峰关联皮层（米色）、边缘或旁边缘皮层（绿松石蓝）和皮层下核（长春花蓝）。

**图6。脑功能网络的解剖学表现突出年龄和多巴胺受体拮抗剂的区域效应**
一名服用安慰剂的年轻人（顶行）和一名服用了安慰剂的老年人（底行）的大脑功能网络。这些网络是通过对单个小波相关矩阵进行阈值化来构造的，从而得到具有相同代价的稀疏网络，*K（K）*～0.1：区域节点在大脑右侧的矢状视图中显示为点或圆；强功能连接表示为节点之间的无向边。区域节点的大小与年龄相关或药物相关区域效率降低的重要性成正比：红色节点，随着年龄增长效率降低；蓝色节点，舒必利降低效率；紫色结节，老年人和舒必利都会降低效率。有关区域效率显著差异位置的解剖学细节，请参见表2。

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