北京师范大学神经影像脑连接组分析软件（GRETNA）

人脑连接组旨在描绘人脑的结构和功能连接模式，揭示正常和疾病状态脑网络的运作机制，为理解脑认知功能的神经环路基础，探索脑发育、脑老化和脑疾病的机制提供新思路和新方法。近二十年来，得益于无创脑成像技术的发展，研究者可以基于多模态脑影像数据构建脑结构和功能连接网络，并在基于图论的复杂网络分析框架下解析人脑网络的连接模式。

然而，基于神经影像的脑网络构建、计算分析和统计方法较为复杂，相应的计算分析软件也较为匮乏，使得很多研究者在开展脑连接组学研究工作时面临较大的困难。

针对这些问题，北京师范大学认知神经科学与学习国家重点实验室贺永教授团队，开发了具有自主知识产权的神经影像脑连接组分析软件—— GRETNA （ Graph Theoretical Network Analysis ） ( Wang et al. 2015 ) ，并发布在著名的神经影像工具网站 NITRC 上供用户免费下载： http://www.nitrc.org/projects/gretna/ 。

图1：GRETNA软件下载页面

GRETNA的主要特点包括：

1. 基于MATLAB、具有图形界面的跨操作平台（如Windows, Linux等）的开源软件包；

2. 可以全自动地进行静息态脑功能磁共振影像数据预处理和脑功能网络构建，并提供多种分析参数的选择；

3. 提供丰富的、基于图论的复杂网络指标计算选择，包括脑网络的全局属性和节点属性计算；

4. 支持多种常用的复杂网络属性和网络连接的统计分析，如单样本T检验、双样本T检验、方差分析和相关分析等；

5. 采用先进的并行计算方式，能够有效地提高计算效率，缩短分析时间。

图2：GRETNA主界面

GRETNA包含四个主要的功能模块：脑功能连接矩阵构建、脑网络拓扑属性计算、脑网络指标统计分析和脑网络指标绘图模块。

1. 脑功能连接矩阵构建模块

图3：脑功能连接矩阵构建界面

该功能模块支持从原始的功能磁共振DICOM数据，经过规范化的预处理流程，生成脑功能连接矩阵，支持预处理过程中各种关键参数的调整（如配准模板的选取、是否去除全脑信号以及头动参数选择等），支持采用不同的脑结构和功能分区定义脑网络节点，支持生成静态和动态脑功能网络。

2. 脑网络拓扑属性计算模块

图4：脑网络拓扑属性计算界面

在该功能模块，用户可以输入构建好的脑功能连接矩阵，或是采用其他软件构建的脑连接矩阵（如采用PANDA构建的基于DTI的脑白质结构连接矩阵，EEG/MEG/FNIRS等获取的脑功能连接矩阵，或者猴脑和鼠脑的功能/结构连接矩阵），进而计算许多常用的脑网络拓扑属性，包括脑网络的全局属性，如小世界属性、全局效率、富人俱乐部、同配性、层次性和同步性等；以及脑网络节点属性，如节点度、节点效率、节点介数和参与系数等。

3. 脑网络指标的统计分析模块

图5：脑网络指标统计分析界面

在该模块，用户可以针对获得的脑网络拓扑指标，采用软件包提供的常用统计模型进行统计分析，包括单样本T检验、双样本T检验、配对T检验、单因素方差分析和相关分析等。软件包同时提供了FDR校正和Bonferroni校正两种多重比较校正方式来控制因多重比较引起的假阳性率。

4. 脑网络指标绘图模块

图6：脑网络指标绘图界面

该模块支持以二维绘图的模式来展示脑网络拓扑指标在多组被试间及不同网络阈值下的差异，可以选择的绘图模式包括条形图、散点图、小提琴图和阴影图。绘制的图形可以输出高分辨率的常用图片格式，供文章或报告中使用。

图7：脑网络指标绘图结果示例

根据NITRC网站的统计，GRETNA软件目前下载量达到4200余次，已被神经影像、神经科学、神经精神疾病等领域的国内外研究者广泛采用。

GRETNA软件作为我国具有自主知识产权的神经影像和脑连接组分析平台，正在为该领域的国内外研究者提供极大便利，也将会为推动该领域的快速发展做出重要贡献。

2015年，在国际神经科学年会上，GRETNA被MathWorks公司遴选为12个基于 MATLAB 的高质量神经科学工具包之一，进行重点介绍和展示。

图8：MathWorks公司在2015年国际神经科学年会上展示GRETNA软件

新版GRETNA软件即将在近期发布，添加了多个新功能并制作了简单易用的操作手册，敬请密切关注（http://www.nitrc.org/projects/gretna/）！

如果您在研究工作中使用了GRETNA软件，请引用该软件和相关论文。

注：GRETNA软件包主要开发人员：王金辉、王鑫迪等，操作手册主要撰写者：刘瑾、王鑫迪、曹淼等。

参考文献：

Gretna Toolbox: http://www.nitrc.org/projects/gretna/.

Wang J, Wang X, Xia M, Liao X, Evans A, He Y (2015) GRETNA: a graph theoretical network analysis toolbox for imaging connectomics. Front Hum Neurosci 9:386.

【往期精彩回顾】

1. 健康人脑多模态磁共振影像数据库盘点

6. 大尺度人脑有向功能网络基本构建单元的联结模式