癫痫是一种常见的慢性脑部疾病,以反复的神经元异常同步放电所致的神经功能失常为特征。尽管先前的研究已经开始在不同尺度上对癫痫的病理机制进行了研究,但癫痫的发病机制仍然没有得到较好的理解,特别是其脑机制仍不明确。近年来神经成像技术和脑网络分析方法迅猛发展,特别是静息态功能磁共振成像(functional magnetic resonance imaging,fMRI)和弥散张量成像(diffusion tensor imaging,DTI)等新兴技术在脑科学领域的广泛应用,为神经精神疾病的脑机制研究提供了新的途径。由于单模态的影像技术只能反映大脑活动单一的特征,因此,整合多模态的神经成像技术对刻画癫痫的功能和结构影像特征,以及探索癫痫活动起源和网络传播的脑机制具有科学意义。本文着眼于融合功能连接、有效连接以及结构连接等多模态脑网络分析方法,从癫痫关键脑网络、癫痫活动的动态演化、癫痫的意识功能障碍几个方面,对癫痫的脑网络机制进行深入、创新性的研究。主要研究内容包含以下五个方面:1.针对特发性全面发作的癫痫患者脑结构和功能网络特性,采用基于纤维束的结构连接和静息态功能连接来构建患者的关键环路组织,并结合图论的分析方法来探测癫痫患者在关键脑网络内部和外部的网络属性变化。结果发现关键环路的主要节点包括前额叶皮层、楔前叶/后扣带、脑岛、纹状体、丘脑等。相对于正常对照组,癫痫患者在结构和功能网络的关键环路连接强度均显著降低。同时,在关键环路内部的聚类系数和全局效应都发生了特异性的降低。更为重要的是,这些降低的网络属性与癫痫的病程和发作频率显著相关。该研究强调了大脑关键环路在特发性全面性癫痫的病理机制中的重要作用。2.提出采用独立成分分析方法研究IEDs(interictal epileptiform discharges)对儿童良性癫痫患者关键脑网络内和网络间功能连接的影响。我们选取了与癫痫起源、传播和认知相关的五个静息态脑网络来研究IED效应。研究结果表明患者在听觉网络和躯体运动网络内的功能连接增强,而在基底节网络和背侧注意网络内的功能连接降低,表明无论是短暂性癫痫发作或慢性癫痫累积效应均可能干扰正常的网络组织。同时,IED患者在默认网络内的功能连接出现特异性的降低,提示患者癫痫放电期间与自我参照相关的默认网络受到了选择性地损伤。另外,IED患者在听觉网络和躯体运动网络之间的连接显著增强,这可能反映了癫痫活动的传播和演化会导致中央-颞区棘波对听觉系统的信息加工出现过度影响。结果为研究癫痫活动对儿童良性患者自发脑网络的认知加工和功能异常的影响提供了新思路。3.发展了基于滑动窗的癫痫动态脑网络分析方法,对发作间期的儿童良性癫痫患者其纹状体皮层环路的动态功能连接进行了研究。发现伴有IEDs放电的患者纹状体皮层环路具有分化的异常动态连接模式。其在背侧纹状体-感觉运动环路的动态功能连接变异性增强可能反映了病灶区局部波动的敏感性增加;而腹侧纹状体-额叶环路的过度稳定性可能揭示了延缓认知障碍的大脑补偿机制。背侧和腹侧纹状体皮层环路的分化作用从不同角度促成了BECTS脑动态功能活动的改变。儿童良性癫痫背侧和腹侧纹状体-皮层环路的这一分化的动态差异模式能加深我们对患者癫痫活动的演化、纹状体皮层的交互作用以及神经认知障碍的理解。4.通过无模型(model-free)和广义线性模型分析(general linear model-based analysis)方法,对来自不同组群和不同实验范式的注意需求任务fMRI数据进行分析。研究结果发现在不同人群和不同任务设计范式中,皮层下觉醒系统(中脑,丘脑板内核)和皮层突显/注意网络均参与了意识/注意的瞬时和持续的fMRI活动。这些相同的区域同时涉及任务的初始阶段、持续表现以及单次的任务刺激反应,并表现出类似脉冲-阶梯模型(pulse-step model)的fMRI信号变化。我们的研究提示皮层下-皮层网络共同参与了注意/意识的唤醒和持续的动态加工过程,为注意和意识的神经机制研究提供了全新的证据,也为癫痫意识障碍的脑机制研究奠定了一定的基础。5.结合功能连接密度和Granger因果分析这两种功能网络分析方法,对伴发意识障碍的局灶性颞叶患者其皮层下觉醒系统和皮层网络的功能连接进行了研究。发现颞叶患者在中脑/海马/海马旁回,丘脑和双侧前额叶、颞叶、脑岛/罗兰岛盖皮层区域的局部功能连接性增强。此外,我们还发现了这些脑区之间的因果效应显著改变,主要包括中脑与丘脑之间的兴奋性和抑制性作用失衡以及小脑对前额叶皮质相对增加的兴奋性作用。这些结果从fMRI角度证实了局灶性颞叶癫痫的反复发作可能会破坏皮层下觉醒系统和皮层网络之间正常信息的传输和转换,为阐明颞叶癫痫痫性起源和网络传播途径提供新的启示,并有助于我们深入理解局灶性癫痫导致远隔脑区受累并最终影响意识的病生机制。