精神分裂症(Schizophrenia)是一种严重的慢性、高致残性精神障碍。患者存在病因未明的幻觉、妄想等主要症状,并伴有感知、思维、情绪、行为等多种认知功能障碍。精神分裂症患者遗传因素、发育异常状况、早期诊断和药物治疗至今仍然是亟待解决的重要问题。近些年来,磁共振成像技术作为一种无创性的研究手段,为探测精神分裂症病理生理机制提供了有效的途径。人类大脑是由多个脑区相互连接成的复杂网络,并且各区域通过相互协调作用完成认知、行为等功能。以脑区域为节点、脑连接为边的联通结构来刻画的脑网络,能够反映整个系统的信息整合和功能分离模式。脑网络功能模块化、结构联通性等特征的分析,是研究精神分裂症这一复杂的系统性精神疾病的重要方法。本论文主要针对精神分裂症患者在发育异常、遗传风险、早期疾病识别的临床问题,利用以磁共振脑成像技术为主的脑功能和结构网络分析方法,探测精神分裂症疾病的病理机制,并探寻能够预测临床症状的脑影像生物标记物。内容主要以下几个部分:1.利用脑结构体积数据和脑区域间协变连接分析,探讨青少年精神分裂症患者皮层下脑结构体积和协变连接异常变化。结果发现患者组左侧丘脑体积、左侧海马体积相对于对照组降低;患者组皮层下脑区协变连接在左侧苍白球与壳核之间、左侧海马与杏仁核之间、右侧杏仁核与丘脑之间、右侧杏仁核与壳核之间、左侧壳核与右侧丘脑之间存在显著降低。结果提示青少年精神分裂症患者皮层下边缘系统、基底节脑网络的结构协同发育异常。2.利用静息态脑功能低频振荡和功能连接分析,探讨青少年精神分裂症患者神经震荡的异常变化。采用静息态脑功能数据,进行(0.01-0.08 Hz)低频震荡振幅分析,并以差异区域为种子点,进行功能连接异常分析。研究结果显示患者组在双侧眶额叶区域低频震荡振幅显著升高,在楔前叶区域低频震荡振幅显著降低。患者楔前叶区域低频震荡振幅降低与患者临床症状显著相关。其次,患者低频震荡振幅异常区域与前额叶、顶叶、颞叶皮层的功能连接显示异常降低。研究表明青少年精神分裂症患者存在额叶和顶叶的低频震荡异常变化与患者症状相关,这种变化可能引起功能连接异常变化。3.利用静息态功能磁共振成像,以六个纹状体区域(三个尾状核亚区和三个壳核亚区)为种子点构建纹状体到皮层的功能连接网络,分析患者功能连接异常。结果表明,与健康对照组相比,患者表现出纹状体与前额叶区域及顶叶区域的默认模式网络、执行控制网络、视觉皮层网络的功能连接异常。患者异常的纹状体-皮层网络连接能够有效预测患者临床症状的阳性评分。其中,患者异常的纹状体与背外侧前额叶皮层和顶叶区域的功能连接能够反映患者青少年期的发育异常。结果提示,纹状体-皮层网路的功能连接变化可能作为青少年精神分裂症患者神经发育异常和阳性症状的潜在脑影像生物标志物。4.利用静息态脑功能成像,构建大尺度全脑功能连接组,利用图论的分析方法,进行脑网络拓扑属性分析。研究结果显示,青少年精神分裂症患者相对健康对照全脑网络全局效率显著下降,体现出脑网络信息整合能力下降;患者在海马区和楔前叶区域有局部的连接强度和连接效率降低;特别的,患者在左侧海马区的局部连接强度呈现于对照异常的年龄相关性,反映出局部脑网络的早期发育异常。5.采用白质纤维束追踪技术构建脑白质连接网络,利用图论的方法分析了患者和同胞的最小生成树网络、全脑网络的小世界属性。结果显示,精神分裂症患者和其未患病同胞相对于健康对照,都存在网络连接强度、全局效率、最小生成树网络一致性的显著降低。结论精神分裂症患者及其未患病同胞存在相似的脑白质结构网络的异常,这些结构连接异常可能是精神分裂症的易患性生物学特征。6.拓展了新的基于随机结构稀疏优化模型的多元特征选择算法,利用仿真数据评价算法的优越性,结果显示随机结构稀疏的特征选择方法能够在控制假阳性的同时更高效的得到疾病特征;其次,应用稀疏优化特征选择模型和全脑结构连接网络,对精神分裂症患者和健康对照进行模式分类。研究结果提示,稀疏脑网络连接可能作为更稳定的具有预测作用的精神分裂症脑影像标记物。