WAND:多模态数据集开启多尺度大脑分析新时代

时间:2025年2月7日
来源:Scientific Data

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为深入探究大脑结构、功能与行为间复杂关系,解决多尺度研究难题,研究人员开展威尔士先进神经成像数据库(WAND)相关研究。他们整合多种成像数据及认知数据,该数据集助力多尺度、多模态研究,推动神经科学发展。

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在神经科学蓬勃发展的今天,我们对大脑的探索不断深入,但仍面临诸多挑战。目前,虽然神经成像技术取得了显著进展,如磁共振成像(MRI)、脑磁图(MEG)和经颅磁刺激(TMS)等,可从不同角度研究大脑,但由于资源和资金限制,多数研究仅采用一两种成像模态,样本量较小,且集中在少数资源丰富的成像中心,这极大地限制了研究成果的解释力 。此外,我们对微观尺度(如细胞结构或突触功能)的生物过程与宏观尺度(功能网络或全脑)的代谢和功能过程之间的关系了解有限。
为了攻克这些难题,来自卡迪夫大学(Cardiff University)等多个机构的研究人员开展了一项极具意义的研究,构建了威尔士先进神经成像数据库(WAND) 。该研究成果发表在《Scientific Data》上,为神经科学研究带来了新的曙光。

研究人员用到的主要关键技术方法包括:招募 170 名健康志愿者(18 - 63 岁),收集其多模态数据,涵盖 3 特斯拉(3T)MRI(含超强磁场梯度、结构、功能及核磁共振波谱等)、7T MRI、MEG、TMS,以及特质问卷和认知数据;数据采用 Brain Imaging Data Structure(BIDS)进行组织管理,并通过 GIN(https://gin.g-node.org/CUBRIC/WAND)存储和共享。

研究结果主要如下:

  • 参与者信息:参与者来自英国威尔士卡迪夫及周边地区,共 717 人接受筛选,178 人入选,170 人至少完成一次扫描。年龄在 18 - 63 岁(中位数 25 岁),种族分布与威尔士人口相符,但少数民族比例更高 。
  • 多模态数据采集:使用多种先进设备采集数据。如用 1200Hz 采样率的 275 通道 CTF 径向梯度计系统采集全脑 MEG 数据;利用改装的 3T Connectom MRI 扫描仪(300mT/m 超强磁场梯度)采集扩散和定量 MRI 数据;通过 3T Prisma MRI 和 7T MRI 获取不同类型的结构、功能和波谱数据等。
  • 数据处理与存储:对部分数据进行预处理,如用 FMRIB Software Library(FSL)的 deface 工具对 MPRAGE 数据进行脱敏,并提供高质量的大脑提取 T1w 图像;生成多种数据的质量报告。数据以 BIDS 或类似结构存储,方便使用和管理。

研究结论和讨论部分指出,WAND 数据集具有独特的优势。它整合了多种先进的神经成像技术和丰富的行为数据,为研究大脑结构、功能和行为之间的复杂关系提供了有力工具,有助于推进多尺度和多模态的健康人脑研究。这一数据集的公开,将促进神经成像及相关领域的研究发展,推动 MRI 技术的普及和应用,为全球科研人员在该领域的合作提供重要资源,助力揭示大脑奥秘,为未来神经科学研究开辟新的方向,在神经科学领域具有重要的意义和价值。

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