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大腦與行為

正常的人腦是什么樣子？從功能角度講，這一點(diǎn)尚不明確。如果能夠了解這一點(diǎn)，我們就有可能*改變心理疾病的診斷和治療方式。美國(guó)的兩組研究人員正嘗試?yán)梦鏖T子的試驗(yàn)用磁共振成像設(shè)備，探知觸發(fā)人類行為的大腦神經(jīng)連接模式。

如同宇航員探索浩瀚無(wú)際的太空一樣，來(lái)自美國(guó)和歐洲學(xué)府的多位科學(xué)家接手了一項(xiàng)任務(wù)，研究人體最復(fù)雜的部位之一——由1000億個(gè)神經(jīng)元和150萬(wàn)億個(gè)突觸組成的人類大腦。美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院出資4000萬(wàn)美元，啟動(dòng)了一個(gè)名為“人類大腦聯(lián)絡(luò)圖項(xiàng)目（HCP）”的科研項(xiàng)目，目標(biāo)是探索大腦結(jié)構(gòu)與功能之間的關(guān)系。“我們希望盡可能解密當(dāng)今成像技術(shù)如何揭示人類大腦連線，以及大腦連線如何影響我們的行為以及不同個(gè)體之間的行為差異。”圣路易斯華盛頓大學(xué)醫(yī)學(xué)院解剖學(xué)和神經(jīng)生物學(xué)系主任兼愛迪生教授DavidVan Essen博士指出。

“啟動(dòng)該項(xiàng)目，源于這樣一個(gè)假設(shè)：如果我們能了解大腦結(jié)構(gòu)與功能之間的關(guān)系，我們便可揭示自閉癥等疾病的成因，更加有效地治療因中風(fēng)等疾病引起的傷害。”Bruce R. Rosen博士表示。他是哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院放射學(xué)教授，現(xiàn)任哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院馬薩諸塞州波士頓馬丁斯生物醫(yī)學(xué)成像中心主任。

借助西門子試驗(yàn)用3特斯拉磁共振掃描儀所提供的新的成像技術(shù)，研究人員揭密人類大腦中纖維狀的腦白質(zhì)結(jié)構(gòu)。

該目標(biāo)一旦實(shí)現(xiàn)，有望*改變心理疾病、神經(jīng)退行性疾病以及大腦損傷的診斷和治療現(xiàn)狀，而要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，研究人員必須完成兩大任務(wù)：一是研究能夠從功能和結(jié)構(gòu)兩方面以接近微米量級(jí)的精細(xì)度生成大腦三維結(jié)構(gòu)圖像的技術(shù)；二是在考慮健康大腦的巨大差異的情況下，總結(jié)出大腦的正常結(jié)構(gòu)?？上驳氖?，西門子開發(fā)的兩臺(tái)試驗(yàn)用3特斯拉磁共振成像（MRI）掃描儀成功解決了技術(shù)難題，由此完成了*項(xiàng)任務(wù)。第二大任務(wù)成為圣路易斯華盛頓大學(xué)和明尼蘇達(dá)大學(xué)醫(yī)學(xué)院磁共振研究中心（CMRR）的主要研究課題之一。

其中一臺(tái)掃描儀的梯度強(qiáng)度是臨床用磁共振掃描儀的2.5倍，是專為明尼蘇達(dá)大學(xué)醫(yī)學(xué)院磁共振研究中心開發(fā)的，最近落戶圣路易斯華盛頓大學(xué)（梯度用于進(jìn)行空間編碼）。另一臺(tái)掃描儀的目標(biāo)梯度強(qiáng)度最高達(dá)到臨床用3特斯拉磁共振掃描儀的7.5倍，應(yīng)波士頓馬丁斯成像中心的要求，與加州大學(xué)洛杉磯分校合作設(shè)計(jì)。

“啟動(dòng)人類大腦聯(lián)絡(luò)圖項(xiàng)目，是為了幫助我們解答有關(guān)人類大腦的基本問題，” 明尼蘇達(dá)大學(xué)醫(yī)學(xué)院磁共振研究中心主任KamilUgurbil教授坦言，“過去二十年來(lái)，磁共振技術(shù)不斷取得進(jìn)步突破，實(shí)現(xiàn)了功能性腦成像（fMRI）和擴(kuò)散成像等技術(shù)，為開展這個(gè)項(xiàng)目創(chuàng)造了條件。不過硬件和圖像采集方法還有待改進(jìn)，目前我們正在著手解決這些問題。”

突破性技術(shù)。多年來(lái)，研究人員一直在探索人腦的神經(jīng)元結(jié)構(gòu)圖。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的關(guān)鍵在于成像技術(shù)，比如水分子在大腦中的各向異性擴(kuò)散磁共振成像，以及的靜息態(tài)功能磁共振成像。華盛頓大學(xué)和明尼蘇達(dá)大學(xué)的合作研究團(tuán)隊(duì)采用的是靜息態(tài)功能磁共振成像和高角分辨率擴(kuò)散成像（HARDI，一種特殊的擴(kuò)散成像法）；MGH/UCLA合作研究團(tuán)隊(duì)采用的則是擴(kuò)散光譜成像（DSI）技術(shù)。這是一種常見的擴(kuò)散張量成像形式，由麻省總醫(yī)院放射學(xué)教授兼馬丁斯生物醫(yī)學(xué)成像中心連接組學(xué)主任Van J. Wedeen博士于2005年*提出。此項(xiàng)目的出發(fā)點(diǎn)是展現(xiàn)各MRI體素（一種三維像素）內(nèi)線路的纖維狀結(jié)構(gòu)，辨別出交叉線路。

美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院人類大腦聯(lián)絡(luò)圖項(xiàng)目（圖片來(lái)源：馬丁斯生物醫(yī)學(xué)成像中心）

擴(kuò)散成像法的原理是，水分子在組織中移動(dòng)，以此可測(cè)量氫核（質(zhì)子）在射頻脈沖的作用下，在不斷變化的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)中生成的無(wú)線電信號(hào)。“這些水分子自然地沿軸突移動(dòng)，軸突是連接腦細(xì)胞的白質(zhì)纖維，從根本上說(shuō)，擴(kuò)散成像技術(shù)生成的圖像復(fù)制了軸突的通路。”Wedeen解釋并補(bǔ)充道，“如果把成百上千個(gè)體素串聯(lián)在一起，就會(huì)了解神經(jīng)束也就是白質(zhì)通路的樣貌。但重要的是，當(dāng)兩條通路交叉時(shí)，系統(tǒng)必須精準(zhǔn)地將它們聯(lián)合在一起，這一點(diǎn)擴(kuò)散光譜成像做到了。借助此技術(shù)，我們可以看到充斥人腦的三維腦白質(zhì)網(wǎng)格。”

然而，取得當(dāng)前的圖像清晰度并非易事，不僅需要大大提高磁共振敏感度，而且需要顯著提高系統(tǒng)處理速度，以獲取水分子的空間數(shù)據(jù)流，但問題在于市面上沒有一臺(tái)掃描儀能夠同時(shí)做到這兩點(diǎn)。波士頓研究團(tuán)隊(duì)得出的結(jié)論是，與先前提出的假設(shè)不同的是，提高神經(jīng)通路的成像分辨率，并不一定要求場(chǎng)強(qiáng)必須高于主磁體的3特斯拉，而是要提高調(diào)制主磁體磁場(chǎng)的更小磁梯度線圈的場(chǎng)強(qiáng)。“梯度（線圈）是磁共振掃描儀的一部分，它編碼水分子的空間特征，反映水分子的移動(dòng)方向，”Rosen解釋說(shuō)。

梯度線圈場(chǎng)強(qiáng)越高，編碼水分子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的速度就越快，相應(yīng)會(huì)生成角度分辨率更高的圖像，這是區(qū)分交叉纖維的關(guān)鍵因素。“這就好比一臺(tái)相機(jī)，快門速度越快，圖像越清晰。盡管我們沒有直接拍攝軸突的圖像，但實(shí)際上我們可以根據(jù)水分子的移動(dòng)情況來(lái)推斷軸突的圖像。”Wedeen補(bǔ)充道。

不過，可能有人會(huì)問為什么水分子會(huì)沿著軸突通路運(yùn)動(dòng)？“答案十分簡(jiǎn)單，”馬丁斯成像中心磁共振中心主任Lawrence L. Wald博士說(shuō)，“因?yàn)檩S突是細(xì)長(zhǎng)的突起，在軸突內(nèi)部，水分子自然會(huì)沿著軸突方向而非與軸突垂直的方向移動(dòng)。此外，在測(cè)量磁共振信號(hào)的時(shí)間間隔內(nèi)，水分子之間的距離大約接近于軸突的間隔距離，大約在10至20微米之間。因此，如果我們關(guān)注水分子的移動(dòng)情況，便可了解軸突的排列方向。”

市面上大多數(shù)用于臨床成像的3特斯拉磁共振掃描儀的梯度強(qiáng)度，為40-45毫特斯拉/米（mT/m），但Wedeen對(duì)靈長(zhǎng)目動(dòng)物進(jìn)行的研究結(jié)果表明，可以利用更高的梯度強(qiáng)度來(lái)生成成人大腦布線圖的清晰擴(kuò)散圖像?；谠撗芯拷Y(jié)果，MGH／UCLA和明尼阿波利斯／圣路易斯的研究人員找到以Eva Eberlein為首的西門子磁共振設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)，詢問他們能否開發(fā)出梯度強(qiáng)度達(dá)到*的水平的磁共振掃描儀。“他們開發(fā)出兩款樣機(jī)，其梯度強(qiáng)度是現(xiàn)有掃描儀的2-8倍，這堪稱一大工程突破，”Wald回憶道。當(dāng)梯度強(qiáng)度提升至80 mT/m至300 mT/m時(shí)，電磁能的密度最高可提高56倍。

左圖：人腦右半球視覺皮質(zhì)中與“種子”區(qū)域（黑點(diǎn)）有關(guān)的功能連通性成像。紅色和黃色區(qū)域與種子區(qū)域具有功能連通性。右圖：控制身體活動(dòng)的運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)中與種子區(qū)域有關(guān)的功能連通性成像

提高梯度強(qiáng)度同時(shí)帶來(lái)了一個(gè)挑戰(zhàn)。鑒于梯度強(qiáng)度更高的掃描儀可生成分辨率更高的圖像，獲取某一結(jié)構(gòu)區(qū)域的圖像，需要采集更多層的磁共振圖像。分辨率提高一倍，將令掃描時(shí)間延長(zhǎng)四倍以上。因此，新研發(fā)的技術(shù)*必須能夠加快編碼速度，同時(shí)縮短掃描時(shí)間。基于CMRR早前提出的理念，比如“多波段多層”成像，MGH研究人員開發(fā)出一種被稱為“同時(shí)多層”成像的改良技術(shù)，該技術(shù)不僅可在同一時(shí)間采集多層磁共振圖像，還可以在確保敏感度損失最低的情況下，讓不同的圖像層彼此分離。“該技術(shù)令成像速度提升了三倍，如果結(jié)合更高的梯度強(qiáng)度，實(shí)際成像速度會(huì)提升四倍，”Wald說(shuō)，“總而言之，我們將平均掃描時(shí)間從大約一小時(shí)縮短至大約15分鐘。”

建立大腦數(shù)據(jù)庫(kù)。在人類大腦聯(lián)絡(luò)圖項(xiàng)目中，哈佛大學(xué)-UCLA聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)肩負(fù)的使命是開發(fā)一種新的掃描儀，突破當(dāng)今磁共振擴(kuò)散成像技術(shù)的極限。華盛頓大學(xué)／明尼蘇達(dá)大學(xué)聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)不僅需要改善數(shù)據(jù)采集方法，還需要通過大規(guī)模研究了解腦功能的連通性。“功能性成像法，尤其是靜息態(tài)功能磁共振成像法，能提供有關(guān)功能連通性的重要信息，而不只是單純地顯示大腦的硬連線，是對(duì)擴(kuò)散成像的重要補(bǔ)充，”華盛頓大學(xué)的DavidVan Essen博士說(shuō)，他與KamilUgurbil教授同為聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)的帶頭人。

自2008年以來(lái)，CMRR團(tuán)隊(duì)曾經(jīng)利用西門子7特斯拉磁共振系統(tǒng)，在更高場(chǎng)強(qiáng)下開展高分辨率功能性成像研究工作，探索能縮短掃描時(shí)間的創(chuàng)新技術(shù)。如今，在人類大腦聯(lián)絡(luò)圖項(xiàng)目中，他們轉(zhuǎn)而對(duì)這些技術(shù)進(jìn)行調(diào)整，改良成“多波段多層成像”技術(shù)配套用在定制的HCP 3特斯拉掃描儀中，成功將功能連通性的數(shù)據(jù)采集時(shí)間縮短了九倍。

克服了這些制約因素后，團(tuán)隊(duì)的下一目標(biāo)是利用此技術(shù)掃描1200位有基因關(guān)聯(lián)的個(gè)體。“項(xiàng)目的出發(fā)點(diǎn)是，”Ugurbil解釋說(shuō)，“獲得*的出色數(shù)據(jù)質(zhì)量，以建成腦連接模式的數(shù)據(jù)庫(kù)，開發(fā)從數(shù)據(jù)庫(kù)中挖掘相關(guān)數(shù)據(jù)的工具。”

此外，Van Essen-Ugurbil團(tuán)隊(duì)還將采納明尼蘇達(dá)大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)*提出的大膽做法，在超高磁場(chǎng)（7特斯拉）中掃描多位受試者。“對(duì)于靜息態(tài)功能磁共振成像和解剖成像而言，采用7特斯拉磁場(chǎng)強(qiáng)度的效果更甚一籌，預(yù)期用在擴(kuò)散成像中也同樣會(huì)效果顯著，”Ugurbil指出。

事實(shí)上，該項(xiàng)目側(cè)重研究有密切基因關(guān)系的群體，將為“影像遺傳學(xué)”這一新興領(lǐng)域最終建成全新數(shù)據(jù)庫(kù)奠定基礎(chǔ)。研究人員希望通過探索圖像信息與遺傳信息之間的潛在關(guān)系，解密某些心理疾病的病因機(jī)理。“目前，已發(fā)布了一些與此相關(guān)的研究成果，譬如，有研究人員指出，自閉癥患者的大腦回路異于常人，換言之，他們的大腦的功能連通性不及常人。”Van Essen說(shuō)，“不過，我們正在努力將這一研究推向更高水平。正如人類基因組項(xiàng)目打開了進(jìn)入生物信息學(xué)的大門一樣，我們期望能夠開啟神經(jīng)信息學(xué)這一全新專業(yè)，充分利用成像設(shè)備生成的廣泛信息，探索未知的神經(jīng)世界。”

如今，我們已朝著這一方向邁出了*步。在這個(gè)人集數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、信息學(xué)和可視化處理于一體的項(xiàng)目中，Van Essen和Ugurbil從健康成人試點(diǎn)研究中獲得了左右大腦半球圖像，并以此創(chuàng)建了一個(gè)交互式綜合數(shù)據(jù)集。這些圖像均是采用靜息態(tài)功能磁共振掃描儀采集的。在數(shù)據(jù)庫(kù)中，它們?yōu)楫?dāng)研究某部位（以黑點(diǎn)表示）時(shí)，大腦部位與其他特定部位實(shí)際互動(dòng)的平均圖像。紅色和黃色區(qū)域與種子位置密切相關(guān)。點(diǎn)擊一下數(shù)據(jù)集中的某個(gè)條目，用戶便可查看30GB的數(shù)據(jù)。“這是一款同類工具，”Van Essen說(shuō)，“隨著我們數(shù)據(jù)庫(kù)不斷擴(kuò)充，其功能將日趨強(qiáng)大，不過這只是人類大腦聯(lián)絡(luò)圖項(xiàng)目的序曲。”

作者：Arthur F. Pease

西門子在人類大腦聯(lián)絡(luò)圖項(xiàng)目中扮演的角色

人類大腦聯(lián)絡(luò)圖項(xiàng)目（HCP）為期五年，由美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院（位于馬里蘭州貝塞斯達(dá)）出資開展，旨在揭秘大腦的遠(yuǎn)距離通信網(wǎng)絡(luò)。這是人類首次大規(guī)模嘗試收集和共享如此詳盡的數(shù)據(jù)，以期借此解決有關(guān)人類腦皮層連接解剖和變異的基本問題。該項(xiàng)目的目標(biāo)是構(gòu)建個(gè)體體內(nèi)和不同個(gè)體完整的結(jié)構(gòu)和功能神經(jīng)連接圖。

HCP包含兩項(xiàng)研究工作，其中之一為期五年，由位于明尼蘇達(dá)州明尼阿波里斯的磁共振研究中心（CMRR）與位于密蘇里州圣路易斯華盛頓大學(xué)合作承擔(dān)；另一項(xiàng)為三年期項(xiàng)目，由麻省總醫(yī)院（MGH）馬丁斯成像中心與加州大學(xué)洛杉磯分校合作開展。

人腦的神經(jīng)元連接錯(cuò)綜復(fù)雜，至今仍無(wú)人破解。若想清晰呈現(xiàn)大腦的連接結(jié)構(gòu)，高端成像設(shè)備必不可少。HCP廣泛采用多種磁共振成像技術(shù)，包括靜息態(tài)功能磁共振成像、擴(kuò)散磁共振成像以及任務(wù)相關(guān)功能磁共振成像等。為了迎合HCP項(xiàng)目的需要，西門子專門設(shè)計(jì)開發(fā)兩的試驗(yàn)用3特斯拉磁共振掃描儀。這兩臺(tái)掃描儀目前尚未投入商用。

CMRR使用的試驗(yàn)用3特斯拉磁共振掃描儀的梯度強(qiáng)度*，范圍介于70 mT/m至100 mT/m 之間，是世界的臨床用3特斯拉磁共振掃描儀的2.5倍左右，因而極其適合用于要求較高分辨率的功能和擴(kuò)散磁共振研究。MGH使用的試驗(yàn)用3特斯拉掃描儀是一臺(tái)專為擴(kuò)散磁共振成像設(shè)計(jì)的新型研究用掃描儀，其梯度強(qiáng)度高達(dá)300 mT/m ，相當(dāng)于新臨床用3特斯拉磁共振掃描儀的7.5倍，因而極其適合用于采集大腦的纖維追蹤數(shù)據(jù)。因梯度強(qiáng)度顯著提升，僅可用于研究用途，該掃描儀對(duì)極其微弱的擴(kuò)散加權(quán)信號(hào)十分敏感，相比的專業(yè)臨床用掃描儀而言，更適用于高分辨率腦功能磁共振研究。“人類大腦聯(lián)絡(luò)圖計(jì)劃旨在促進(jìn)更好地了解人類大腦組織，能為該項(xiàng)目提供創(chuàng)新的磁共振成像技術(shù)和知識(shí)，是我們莫大的榮耀，”德國(guó)愛爾蘭根西門子醫(yī)療磁共振集團(tuán)*執(zhí)行官Bernd Ohnesorge博士說(shuō)，“我們將在現(xiàn)有研究成果的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步發(fā)展磁共振技術(shù)，以將從項(xiàng)目中獲取的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)轉(zhuǎn)化為全新的磁共振技術(shù)，并適時(shí)用于患者的臨床診治。我們堅(jiān)信，西門子與學(xué)術(shù)界的密切合作，將推進(jìn)前沿醫(yī)療技術(shù)的研究，改善診斷和治療水平，并最終提升人類的健康水平。”

開發(fā)神經(jīng)成像數(shù)據(jù)的分析和可視化顯示工具

為識(shí)別異常連接模式，西門子研究人員正在開發(fā)一種人腦的交互節(jié)點(diǎn)表示方式。在徑向顯示圖中，內(nèi)圈中每個(gè)齒狀物均代表一個(gè)節(jié)點(diǎn)，弧線為節(jié)點(diǎn)之間的互連線。

若能更深入地了解重度抑郁癥（MDD）等神經(jīng)障礙和老年性癡呆癥等神經(jīng)退行性疾病，臨床治療將有望取得重大進(jìn)展。認(rèn)識(shí)人類大腦聯(lián)絡(luò)圖項(xiàng)目產(chǎn)生的大腦連接（連線）圖，可以加強(qiáng)對(duì)神經(jīng)疾病的了解。由于聯(lián)絡(luò)圖項(xiàng)目利用專業(yè)的磁共振成像掃描儀生成了*的大量數(shù)據(jù)，且大部分來(lái)自于“靜息態(tài)”功能磁共振成像掃描（在受試者沒有明確任務(wù)時(shí)對(duì)整個(gè)大腦進(jìn)行成像）和擴(kuò)散磁共振成像掃描，現(xiàn)階段需要若干*技術(shù)來(lái)處理、分析并顯示這些數(shù)據(jù)信息。

為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，位于新澤西州普林斯頓的西門子美國(guó)研究院的研究人員正在Mariappan S. Nadar博士的帶領(lǐng)下，努力開發(fā)一套工具，以此利用NIH聯(lián)絡(luò)圖項(xiàng)目研究成果開發(fā)出可用于臨床實(shí)踐的全新算法和軟件。最近，他們利用這些工具分析了靜息態(tài)功能磁共振成像，從中獲得了區(qū)分正常對(duì)照組與ADHD（注意力缺失過動(dòng)癥）研究組的有利結(jié)果，相關(guān)算法采用的是靜息態(tài)功能磁共振掃描儀采集的數(shù)據(jù)和非成像數(shù)據(jù)。“采用此算法的出發(fā)點(diǎn)是，”Mariappan解釋說(shuō)，“聯(lián)絡(luò)圖項(xiàng)目生成了大量的信息數(shù)據(jù)，我們可從中了解到大腦哪些部位與另一大腦部位交互以及彼此交互的強(qiáng)度。在我們的研究中，每個(gè)大腦部位均采用一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)表示，交互用邊線表示。節(jié)點(diǎn)是表示互連大腦部位的數(shù)學(xué)抽象，邊線表示連接各組大腦部位的連線。在我們按照這些連線建立數(shù)據(jù)庫(kù)的過程中，我們發(fā)現(xiàn)，A部位通常與B部位相連。缺少這種連接或者這種連接微弱說(shuō)明存在潛在病癥，而存在‘通常不存在’的連接或者這種連接過強(qiáng)也說(shuō)明存在潛在病癥。”

為促進(jìn)并加快了解和識(shí)別異常模式，團(tuán)隊(duì)成功開發(fā)了可視化顯示交互三維網(wǎng)絡(luò)的工具，從而令直觀的二維空間工作和三維空間導(dǎo)航變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。在徑向顯示圖（上圖）中，梳齒狀內(nèi)圈中的每個(gè)齒狀物均代表三維網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，弧線為節(jié)點(diǎn)之間的互連線。外圈為節(jié)點(diǎn)簇層級(jí)。