人類腦網(wǎng)絡(luò)組圖譜包括246個精細(xì)腦區(qū)亞區(qū)，以及腦區(qū)亞區(qū)間的多模態(tài)連接模式中科院自動化所供圖

　　要想清楚認(rèn)識人腦，必須有一個腦圖譜，為復(fù)雜的腦部研究和治療“導(dǎo)航”。首次建立在宏觀尺度上的活體全腦連接圖譜，將為實現(xiàn)腦科學(xué)和腦疾病研究的源頭創(chuàng)新提供基礎(chǔ)。

　　人腦是如何工作的？如果大腦生病了，如何能做到快速定位病灶、精準(zhǔn)治療？要想清楚認(rèn)識人腦，必須有一個腦圖譜，為復(fù)雜的腦部研究和治療“導(dǎo)航”。

　　中科院自動化所腦網(wǎng)絡(luò)組研究中心日前發(fā)布了全新人類腦圖譜，這是研究中心的蔣田仔團隊聯(lián)合國內(nèi)外其他團隊，經(jīng)6年努力繪制出來的，包括246個精細(xì)腦區(qū)亞區(qū)，以及腦區(qū)亞區(qū)間多模態(tài)連接模式該圖譜，比傳統(tǒng)布羅德曼圖譜精細(xì)4—5倍，有客觀精準(zhǔn)的邊界定位，也是第一次建立了宏觀尺度上的活體全腦連接圖譜。

　　突破傳統(tǒng)圖譜三大瓶頸

　　想認(rèn)識自己的腦并不容易。目前學(xué)界最常用的腦圖譜還是100多年前德國神經(jīng)科學(xué)家布羅德曼（Brodmann）在單個人的尸體組織標(biāo)本上利用細(xì)胞構(gòu)筑繪制的布羅德曼圖譜。如今雖然國外有些實驗室試圖利用超薄切片技術(shù)、染色技術(shù)及顯微觀察技術(shù)，基于腦標(biāo)本的超薄切片構(gòu)建細(xì)胞構(gòu)筑概率腦圖譜，希望在一定程度上細(xì)化布羅德曼分區(qū)，但由于仍是基于尸體標(biāo)本的研究，不能針對特定個體進(jìn)行腦區(qū)劃分；許多腦區(qū)劃分依據(jù)大體解剖標(biāo)志，許多功能復(fù)雜腦區(qū)的功能亞區(qū)邊界不明確；而且構(gòu)建周期長、耗時耗力，近20年研究僅完成70%腦區(qū)，應(yīng)用在一定程度上受到限制。

　　近30年來，以非侵入性磁共振技術(shù)為代表的一批成像技術(shù)可以無創(chuàng)傷地對人腦以前所未有的時空分辨率進(jìn)行成像，可測量包括腦形狀和大小，連接腦不同區(qū)域的神經(jīng)纖維，以及腦不同回路或通路的功能活動變化等。目前已有一些基于磁共振圖像構(gòu)建的腦圖譜，但腦區(qū)定義非常粗糙，甚至存在明顯錯誤，很難與腦功能解剖相對應(yīng)。

　　研究表明，由于人種和生長環(huán)境影響，東西方人腦會有比較顯著的差別。而布羅德曼圖譜等基本上是來源于西方人的數(shù)據(jù)，不具備東方人的特征。如果直接把上述腦圖譜作為標(biāo)準(zhǔn)腦模板的話，研究結(jié)果可能會出現(xiàn)偏差。

　　中國科學(xué)院自動化研究所腦網(wǎng)絡(luò)組研究中心副研究員樊令仲說，近年來，隨著腦影像數(shù)據(jù)采集設(shè)備和技術(shù)的進(jìn)步，如高場強磁共振成像在活體上的應(yīng)用，特別是彌散張量成像技術(shù)的發(fā)展，為腦網(wǎng)絡(luò)組圖譜繪制提供了技術(shù)基礎(chǔ)。

　　影像數(shù)據(jù)技術(shù)讓繪圖更精準(zhǔn)

　　樊令仲說，自動化所腦網(wǎng)絡(luò)組研究中心突破傳統(tǒng)腦圖譜繪制瓶頸，提出了“利用腦結(jié)構(gòu)和功能連接信息”繪制腦網(wǎng)絡(luò)組圖譜的思想。這具體指利用多模態(tài)活體腦磁共振成像，其中彌散張量成像可以定量測量腦內(nèi)神經(jīng)纖維束的走行；另外利用靜息態(tài)功能磁共振成像，可以定量計算兩兩腦區(qū)之間在一定時間范圍內(nèi)，功能上的耦合程度，即功能連接信息。

　　彌散是指分子的隨機不規(guī)則運動，是人體重要的生理活動，是體內(nèi)物質(zhì)轉(zhuǎn)運方式之一。彌散張量成像（DTI）是核磁共振成像（MRI）的特殊形式，描述大腦結(jié)構(gòu)的新方法。如果說核磁共振成像是追蹤水分子中的氫原子，彌散張量成像便是依據(jù)水分子移動方向制圖。因此，彌散張量成像圖呈現(xiàn)方式與以前的圖像不同，可揭示腦瘤如何影響神經(jīng)細(xì)胞連接，揭示同中風(fēng)、多發(fā)性硬化癥、精神分裂癥、閱讀障礙有關(guān)的細(xì)微反常變化，引導(dǎo)醫(yī)療人員進(jìn)行大腦手術(shù)等。

　　靜息態(tài)功能磁共振成像是近年來研究腦功能，特別是腦網(wǎng)絡(luò)連接的一種重要方法。指被試者在保持清醒的休息狀態(tài)下，進(jìn)行磁共振掃描，不需要完成特定任務(wù)，只需完全放松、閉眼、平靜呼吸、盡量保持頭部靜止不動，避免任何系統(tǒng)性的思維活動。具有可以被各種功能、認(rèn)知障礙患者接受等優(yōu)點。

　　“基于國際上腦圖譜的發(fā)展及我們團隊的研究積累，我們提出了利用腦連接信息而不是傳統(tǒng)的形態(tài)信息構(gòu)建腦圖譜的新思想，建立了構(gòu)建新一代腦圖譜的理論和方法體系。”樊令仲說，自2010年以來，該團隊在科技部、國家自然科學(xué)基金委以及中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項的資助下，聯(lián)合國內(nèi)多家綜合性醫(yī)院及研究院所對腦網(wǎng)絡(luò)組圖譜的繪制方法和功能驗證進(jìn)行系統(tǒng)的研究，對腦網(wǎng)絡(luò)組圖譜使用需要的工具和軟件進(jìn)行了全面的評測。

　　目前，腦網(wǎng)絡(luò)組圖譜已經(jīng)在其門戶網(wǎng)站上開放共享，以在線顯示以及軟件下載的方式提供給國內(nèi)外相關(guān)研究領(lǐng)域的科研人員和臨床醫(yī)生免費使用。

　　對每個腦區(qū)的亞區(qū)進(jìn)行功能解碼

　　由中科院蔣田仔團隊等繪制的全新的人類腦圖譜，不僅包含了精細(xì)的大腦皮層腦區(qū)與皮層下核團亞區(qū)結(jié)構(gòu)，而且在體定量描繪了不同腦區(qū)亞區(qū)的解剖與功能連接模式，并對每個亞區(qū)進(jìn)行了細(xì)致的功能描述。

　　樊令仲說，“我們之所以能做到這些，是采用了全新的構(gòu)建腦網(wǎng)絡(luò)組圖譜方法。首先，在構(gòu)建思想上完全不同于布羅德曼圖譜，利用的是全腦尺度的腦連接信息，而布羅德曼是利用腦區(qū)局部的細(xì)胞構(gòu)筑信息；其次，使用數(shù)據(jù)完全不同，布羅德曼圖譜是基于單個尸體的腦標(biāo)本數(shù)據(jù)，我們的圖譜是基于大樣本量，能夠反映個體差異的活體多模態(tài)腦磁共振成像數(shù)據(jù)；還有，布羅德曼圖譜僅僅包含人類大腦皮層的44個腦區(qū)，而腦網(wǎng)絡(luò)組圖譜不僅包含了大腦皮層的210個腦區(qū)，同時包含了36個皮層下核團以及結(jié)合了28個小腦的分區(qū)結(jié)果。”

　　“特別是利用全球最大的腦功能神經(jīng)影像學(xué)數(shù)據(jù)庫BrainMap, 對每個腦區(qū)的亞區(qū)進(jìn)行了功能解碼，從而實現(xiàn)對每個亞區(qū)參與哪些認(rèn)識功能，在哪些認(rèn)知實驗范式里被激活等，都給出定量的描述，從而實現(xiàn)對每個亞區(qū)進(jìn)行了細(xì)致的功能描述。”樊令仲說。

　　目前，腦網(wǎng)絡(luò)組圖譜已經(jīng)引起國內(nèi)外同行的高度關(guān)注，例如歐盟人腦計劃即將在其神經(jīng)信息平臺公開發(fā)布該圖譜，國際神經(jīng)信息學(xué)協(xié)調(diào)委員會已在第一時間在線發(fā)布了人類腦網(wǎng)絡(luò)組圖譜。此外，一些國際著名神經(jīng)影像分析軟件平臺，如SPM、FSL等都將腦網(wǎng)絡(luò)組圖譜作為主要人類腦圖譜提供給用戶使用。

　　有望成為腦科學(xué)研究的“利器”

　　樊令仲說，腦網(wǎng)絡(luò)組圖譜將成為腦科學(xué)和腦疾病研究的新領(lǐng)域，未來圍繞腦網(wǎng)絡(luò)組圖譜將會涌現(xiàn)出許多新的研究方向。如腦網(wǎng)絡(luò)組圖譜中每個亞區(qū)的功能確定需要認(rèn)知科學(xué)、心理學(xué)和腦影像學(xué)等學(xué)科聯(lián)合研究，將會成為這些學(xué)科的共同科學(xué)前沿；利用腦網(wǎng)絡(luò)組圖譜研究不同的腦疾病，繪制神經(jīng)精神疾病的腦網(wǎng)絡(luò)組圖譜異常模式，以便發(fā)現(xiàn)腦疾病早期診斷和療效評價的生物標(biāo)志；利用腦網(wǎng)絡(luò)組圖譜進(jìn)行神經(jīng)外科手術(shù)導(dǎo)航、病灶定位，腦膠質(zhì)瘤等精確切除，以及對功能腦區(qū)更嚴(yán)格有效的保護(hù)做出貢獻(xiàn)等。

　　“在應(yīng)用方面，還可以舉兩個具體例子。”樊令仲說，如在腦疾病方面，神經(jīng)精神疾病的新型個性化治療方案，通過腦網(wǎng)絡(luò)組圖譜準(zhǔn)確定位腦內(nèi)目標(biāo)區(qū)域或者深部腦區(qū)的皮層連接腦區(qū)，然后進(jìn)行刺激與擾動，進(jìn)而改善患者的癥狀；在智能系統(tǒng)設(shè)計上，利用腦圖譜，可以明確腦功能基本單元的劃分及其連接模式，從多尺度揭示腦信息處理機制，為全面理解人類大腦、揭示人腦和智力的本質(zhì)，為新型智能信息處理系統(tǒng)的設(shè)計提供啟示。

　　樊令仲說，腦網(wǎng)絡(luò)組圖譜的研究還會引發(fā)新技術(shù)和新設(shè)備的研發(fā)�？傊�，腦網(wǎng)絡(luò)組圖譜是人類腦圖譜發(fā)展和神經(jīng)技術(shù)進(jìn)步的必然趨勢，將會成為腦科學(xué)和腦疾病研究的“利器”；是腦科學(xué)、認(rèn)知科學(xué)、認(rèn)知心理學(xué)等相關(guān)學(xué)科取得突破的關(guān)鍵，它能為解析神經(jīng)及精神疾病神經(jīng)環(huán)路的結(jié)構(gòu)和功能異常，并為發(fā)展新一代診斷、治療技術(shù)方法奠定堅實的基礎(chǔ)。