經過6年努力繪製出來的,突破傳統圖譜三大瓶頸,影像數據技術讓繪圖更精準,對每個腦區的亞區進行功能解碼,有望成為腦科學研究的利器,
經過6年努力繪製出來的
要想清楚認識人腦，必須有一個腦圖譜，為複雜的腦部研究和治療“導航”。首次建立在巨觀尺度上的活體全腦連線圖譜，將為實現腦科學和腦疾病研究的源頭創新提供基礎。
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、精準治療？要想清楚認識人腦，必須有一個腦圖譜，為複雜的腦部研究和治療“導航”。
中科院自動化所腦網路組研究中心日前發布了全新人類腦圖譜，這是研究中心的蔣田仔團隊聯合國內外其他團隊，經6年努力繪製出來的，包括246個精細腦區亞區，以及腦區亞區間多模態連線模式該圖譜，比傳統布羅德曼圖譜精細4—5倍，有客觀精準的邊界定位，也是第一次建立了巨觀尺度上的活體全腦連線圖譜。
突破傳統圖譜三大瓶頸
想認識自己的腦並不容易。目前學界最常用的腦圖譜還是100多年前德國神經科學家布羅德曼（Brodmann）在單個人的屍體組織標本上利用細胞構築繪製的布羅德曼圖譜。如今雖然國外有些實驗室試圖利用超薄切片技術、染色技術及顯微觀察技術，基於腦標本的超薄切片構建細胞構築機率腦圖譜，希望在一定程度上細化布羅德曼分區，但由於仍是基於屍體標本的研究，不能針對特定個體進行腦區劃分；許多腦區劃分依據大體解剖標誌，許多功能複雜腦區的功能亞區邊界不明確；而且構建周期長、耗時耗力，近20年研究僅完成70%腦區，套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為代表的一批成像技術可以無創傷地對人腦以前所未有的時空解析度進行成像，可測量包括腦形狀和大小，連線腦不同區域的神經纖維，以及腦不同迴路或通路的功能活動變化等。目前已有一些基於磁共振圖像構建的腦圖譜，但腦區定義非常粗糙，甚至存在明顯錯誤，很難與腦功能解剖相對應。
研究表明，由於人種和生長環境影響，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於西方人的數據，不具備東方人的特徵。如果直接把上述腦圖譜作為標準腦模板的話，研究結果可能會出現偏差。
中國科學院自動化研究所腦網路組研究中心副研究員樊令仲說，近年來，隨著腦影像數據採集設備和技術的進步，如高場強磁共振成像在活體上的套用，特別是彌散張量成像技術的發展，為腦網路組圖譜繪製提供了技術基礎。
影像數據技術讓繪圖更精準
樊令仲說，自動化所腦網路組研究中心突破傳統腦圖譜繪製瓶頸，提出了“利用腦結構和功能連線信息”繪製腦網路組圖譜的思想。這具體指利用多模態活體腦磁共振成像，其中彌散張量成像可以定量測量腦內神經纖維束的走行；另外利用靜息態功能磁共振成像，可以定量計算兩兩腦區之間在一定時間範圍內，功能上的耦合程度，即功能連線信息。
彌散是指分子的隨機不規則運動，是人體重要的生理活動，是體內物質轉運方式之一。彌散張量成像（DTI）是核磁共振成像（MRI）的特殊形式，描述大腦結構的新方法。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水分子移動方向製圖。因此，彌散張量成像圖呈現方式與以前的圖像不同，可揭示腦瘤如何影響神經細胞連線，揭示同中風、多發性硬化症、精神分裂症、閱讀障礙有關的細微反常變化，引導醫療人員進行大腦手術等。
靜息態功能磁共振成像是近年來研究腦功能，特別是腦網路連線的一種重要方法。指被試者在保持清醒的休息狀態下，進行磁共振掃描，不需要完成特定任務，只需完全放鬆、閉眼、平靜呼吸、儘量保持頭部靜止不動，避免任何系統性的思維活動。具有可以被各種功能、認知障礙患者接受等優點。
“基於國際上腦圖譜的發展及我們團隊的研究積累，我們提出了利用腦連線信息而不是傳統的形態信息構建腦圖譜的新思想，建立了構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、國家自然科學基金委以及中科院戰略性先導科技專項的資助下，聯合國內多家綜合性醫院及研究院所對腦網路組圖譜的繪製方法和功能驗證進行系統的研究，對腦網路組圖譜使用需要的工具和軟體進行了全面的評測。
目前，腦網路組圖譜已經在其入口網站上開放共享，以線上顯示以及軟體下載的方式提供給國內外相關研究領域的科研人員和臨床醫生免費使用。
對每個腦區的亞區進行功能解碼
由中科院蔣田仔團隊等繪製的全新的人類腦圖譜，不僅包含了精細的大腦皮層腦區與皮層下核團亞區結構，而且在體定量描繪了不同腦區亞區的解剖與功能連線模式，並對每個亞區進行了細緻的功能描述。
樊令仲說，“我們之所以能做到這些，是採用了全新的構建腦網路組圖譜方法。首先，在構建思想上完全不同於布羅德曼圖譜，利用的是全腦尺度的腦連線信息，而布羅德曼是利用腦區局部的細胞構築信息；其次，使用數據完全不同，布羅德曼圖譜是基於單個屍體的腦標本數據，我們的圖譜是基於大樣本量，能夠反映個體差異的活體多模態腦磁共振成像數據；還有，布羅德曼圖譜僅僅包含人類大腦皮層的44個腦區，而腦網路組圖譜不僅包含了大腦皮層的210個腦區，同時包含了36個皮層下核團以及結合了28個小腦的分區結果。”
“特別是利用全球最大的腦功能神經影像學資料庫BrainMap, 對每個腦區的亞區進行了功能解碼，從而實現對每個亞區參與哪些認識功能，在哪些認知實驗範式里被激活等，都給出定量的描述，從而實現對每個亞區進行了細緻的功能描述。”樊令仲說。
目前，腦網路組圖譜已經引起國內外同行的高度關注，例如歐盟人腦計畫即將在其神經信息平台公開發布該圖譜，國際神經信息學協調委員會已在第一時間線上發布了人類腦網路組圖譜。此外，一些國際著名神經影像分析軟體平台，如SPM、FSL等都將腦網路組圖譜作為主要人類腦圖譜提供給用戶使用。
有望成為腦科學研究的利器
樊令仲說，腦網路組圖譜將成為腦科學和腦疾病研究的新領域，未來圍繞腦網路組圖譜將會湧現出許多新的研究方向。如腦網路組圖譜中每個亞區的功能確定需要認知科學、心理學和腦影像學等學科聯合研究，將會成為這些學科的共同科學前沿；利用腦網路組圖譜研究不同的腦疾病，繪製神經精神疾病的腦網路組圖譜異常模式，以便發現腦疾病早期診斷和療效評價的生物標誌；利用腦網路組圖譜進行神經外科手術導航、病灶定位，腦膠質瘤等精確切除，以及對功能腦區更嚴格有效的保護做出貢獻等。
“在套用方面，還可以舉兩個具體例子。”樊令仲說，如在腦疾病方面，神經精神疾病的新型個性化治療方案，通過腦網路組圖譜準確定位腦內目標區域或者深部腦區的皮層連線腦區，然後進行刺激與擾動，進而改善患者的症狀；在智慧型系統設計上，利用腦圖譜，可以明確腦功能基本單元的劃分及其連線模式，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，為新型智慧型信息處理系統的設計提供啟示。
樊令仲說，腦網路組圖譜的研究還會引發新技術和新設備的研發。總之，腦網路組圖譜是人類腦圖譜發展和神經技術進步的必然趨勢，將會成為腦科學和腦疾病研究的“利器”；是腦科學、認知科學、認知心理學等相關學科取得突破的關鍵，它能為解析神經及精神疾病神經環路的結構和功能異常，並為發展新一代診斷、治療技術方法奠定堅實的基礎。
