腦網絡組圖譜：人類認識腦和腦疾病的利器

　　蔣田仔

　　中國科學院自動化研究所腦網絡組研究中心主任

　　腦是人體最為復雜的器官。長期以來，人類對腦的結構和功能進行了大量的研究。如果想知道大腦是如何工作的，就必須有一個腦圖譜，為復雜的腦部研究進行“導航”。因此，腦圖譜一直以來都是研究腦結構和功能及腦疾病的重要手段。從文藝復興時期的著名解剖學家維薩里對大腦結構進行詳細的描述開始，大量的神經解剖描述，圖片和影像陸續出現。隨著技術的不斷進步和研究的不斷深入，各式各樣的腦圖譜層出不窮，人類腦圖譜已經由早期的印刷版二維腦圖譜發展到現在的數字化三維、四維腦圖譜；由基于標本斷面切片數據發展到基于活體影像學數據構建的圖譜；由僅具有個體腦解剖結構信息的單一圖譜到包含群體解剖結構及功能信息的多模態腦圖譜。在不同的時期，出現了一些里程碑式的腦圖譜，包括布羅德曼腦圖譜、Talairach立體腦圖譜、于利希細胞構筑腦圖譜等。腦圖譜的出現和不斷完善對腦科學基礎及臨床研究具有重要的意義。

　　但是，目前已被廣泛應用的腦圖譜尚存在一些明顯的不足之處：先前許多腦圖譜的分區是依照大體解剖標志來劃分的，很難與腦功能分區相對應。此外，由于人腦分區數量多、功能復雜，個體之間變異大，腦區之間的邊界及其復雜的連接關系難以確定，再加之過去影像設備獲取的圖像分辨率低及層厚較厚等因素，腦區分區標準尚未統一，而且對于功能復雜腦區的功能亞區邊界劃分也不明確。近些年來，隨著超薄切片技術、染色技術以及顯微觀察技術的進步，基于細胞構筑的腦解剖結構研究得到了進一步的發展，特別是隨著活體影像采集設備和計算機圖像和圖形技術的發展，使得人們能夠在獲取大樣本數據的基礎上，對人腦進行結構和功能區劃分，為完善和發展更為細致的腦圖譜提供了技術基礎。腦網絡組圖譜（Brainnetome Atlas）就是在這樣的背景下發展起來的。

　　建立腦網絡組圖譜的新思想起源于腦科學和腦疾病研究的迫切需求和現有腦圖譜存在的本質問題。例如，有些腦圖譜未考慮個體變異，基于細胞構筑學構建的腦圖譜仍然是對尸體標本的研究，許多腦區的劃分依據大體解剖標志，許多功能復雜腦區的功能亞區的邊界不明確，而且以上腦圖譜基本上是來源于西方人的數據，不具備東方人的特征。研究表明，由于人種和生長環境的影響，東西方人腦會有比較顯著的差別，假如我們直接把上述的腦圖譜作為標準腦模板的話，研究結果可能會出現一些偏差。近年來，隨著腦影像數據采集設備和技術的進步，比如高場強磁共振成像在活體上的應用，特別是彌散張量成像技術的發展，為腦網絡組圖譜的繪制提供了技術基礎。基于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接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，在此基礎上, 提出了針對不同腦區的亞區劃分方案，實現了全腦尺度的腦區亞區的精細劃分并明確其連接圖譜。腦網絡組圖譜比現有腦圖譜既具有更精細的腦區劃分，又具有不同亞區解剖與功能連接模式的全新活體人類腦圖譜。相較于傳統解剖學方法構建的腦圖譜，如于利希細胞構筑腦圖譜（其仍然是基于尸體標本的研究，構建周期長、耗時耗力，近20年的研究，僅完成70%的腦區，而且僅包含局部分區信息），首版腦網絡組圖譜包含了共252個大腦皮層腦區與皮層下核團結構，而且在體定量描繪不同腦區亞區的解剖與功能連接模式，并對每個亞區進行了細致的功能描述。腦網絡組圖譜的構建將引領人類腦圖譜未來發展從標本走向活體，從粗糙走向精細，從單一的解剖結構描述到集成結構、功能和連接模式等多種知識的綜合描述，為實現腦科學和腦疾病研究的源頭創新提供基礎。

　　腦網絡組圖譜也是腦網絡組（Brainnetome）的核心內容。腦網絡組是以腦網絡為基本單元的組學，它包括腦網絡的節點和連接兩個基本要素。研究內容包括利用各種成像技術及電生理技術在宏觀、介觀及微觀尺度上建立人腦和動物腦的腦區、神經元群或神經元之間的連接圖（腦網絡），在此基礎上研究腦網絡拓撲結構、腦網絡的動力學屬性、腦功能及功能異常的腦網絡表征、腦網絡的遺傳基礎，并對腦網絡進行建模和仿真，以及實現這些目標所要的超級計算平臺。腦網絡組的研究目標是從腦網絡的連接模式及其演變規律闡明腦的工作機理及腦疾病的發生和發展機制，為研究人腦內部復雜的信息處理過程與高效的組織模式提供有效的途徑，為理解腦的信息處理過程及腦的高級功能開辟新途徑，為實現類腦計算和的智能技術奠定基礎。腦網絡組與國際上流行的連接組（connectome）有本質的區別，連接組只關注腦網絡的連接，而腦網絡組不僅強調腦網絡的連接的重要性，而且強調腦網絡節點的重要性。腦網絡組是迄今最復雜的組學，因為腦網絡的節點和連接可以在微觀、介觀和宏觀尺度上進行研究，在微觀尺度上腦網絡節點就是神經細胞，在介觀尺度上腦網絡節點就是具有某種共同特性的神經細胞群，在宏觀尺度上腦網絡節點就是不同的腦區。無論在什么尺度上，腦網絡節點的確定都面臨巨大挑戰，美國腦計劃的第一項研究內容就是確定神經元的類型，為研究神經元網絡和環路及確定微觀和介觀尺度的腦網絡節點奠定基礎，而腦網絡組圖譜為確定宏觀尺度上腦網絡節點提供新途徑。

　　在“973”項目“基于影像的腦網絡及其臨床應用”、國家自然科學基金委和中國科學院先導專項的資助下，我們在腦網絡組圖譜的繪制和應用方面取得了重要進展。首先，在計算理論與方法方面, 建立了腦圖譜構建所需的腦亞區劃分方法體系，解決了亞區邊界自動確定等一系列現有方法所面臨的問題。其次，對一些特性各異的腦區提出了針對性的腦區劃分方案，并從不同角度進行了驗證，增進了對這些腦區的認識，為腦圖譜的構建奠定了基礎。在此基礎上完成了全腦尺度上腦區功能亞區劃分以及多模態連接模式繪制，所有的研究成果都將會在腦網絡組圖譜門戶網站（http://atlas.brainnetome.org）上，以在線顯示以及軟件下載的方式提供給相關研究領域的科研人員使用。

　　腦網絡組圖譜將成為腦科學和腦疾病研究的新領域，未來圍繞腦網絡組圖譜將會涌現出許多新的研究方向。例如，腦網絡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的聯合研究，將會成為這些學科的共同科學前沿；利用腦網絡組圖譜研究不同的腦疾病，繪制神經精神疾病的腦網絡組圖譜的異常模式，以便發現腦疾病早期診斷和療效評價的生物標志；利用腦網絡組圖譜進行神經外科手術導航、病灶定位和腦功能保護；腦網絡組圖譜為類腦計算和類腦智能系統設計提供新的科學依據，已經引起該領域的高度重視；此外，腦網絡組圖譜的研究也會引發新技術和新設備的研發。總之，腦網絡組圖譜將會成為腦科學和腦疾病研究的利器，將成為解剖學、神經科學、認知科學、神經心理學、神經病學、精神病和信息科學等學科的共同科學前沿，為腦科學和腦疾病及類腦計算和智能技術的研究帶來革命性變化。

　　（樊令仲系中國科學院自動化研究所腦網絡組研究中心副研究員）