新型腦圖譜展示大腦組織運作方式

陳軼翔/編譯

新型腦圖譜展示大腦組織運作方式

陳軼翔/編譯

探索時代早已過去，但至少還有一個領域在很大程度上仍屬未知：即人類大腦。位于圣路易斯的華盛頓大學醫學院的研究者們研發設計的一種新型詳細的腦圖譜，展示了大腦皮層的景象，大腦皮層即最外層大腦，參與感知和注意力控制的主導性結構，同時在語言、工具使用和抽象思維等人類獨有的功能方面發揮著重要作用。

該新型腦圖譜對一個正常人大腦的諸多功能進行了細致入微的界定區分，將有助于腦部疾病的研究，如自閉癥、精神分裂癥、癡呆和癲癇等。利用該腦圖譜，科學家可以分析理解上述腦疾病患者的大腦同健康成人大腦相比之間的差異。另外，還可以加快對健康大腦運作模式的破解，幫助闡明究竟是什么使人類成為一個如此獨特的物種。

該研究成果論文發表于7月20日的《自然》雜志上，論文題目為：人類大腦皮層的多模式劃分。論文的作者是大衛·范·埃森（David Van Essen）博士、馬修·格拉瑟（Matthew Glasser）、科爾森·湯姆斯（Coalson TS）、羅賓遜·埃迪森（Robinson EC）、哈克·辛迪（Hacker CD）、哈韋爾·約翰遜（Harwell J）、雅各布·尤金（Yacoub E）、尤格比爾·凱特（Ugurbil K）、安德森·約翰（Andersson J）、貝克曼·克利夫（Beckmann CF）、詹金森·馬克（Jenkinson M）和史密斯·斯諾（Smith SM）。他們與明尼蘇達大學和牛津大學共同協作，進行了耗資數百萬美金、為期五年的人腦連接組計劃，研究者們借鑒了該計劃的數據及方法。人腦連接組計劃利用一個強大的、定制的核磁共振機，為1 200名青年人的大腦繪制新型腦圖譜。通過對大腦區域進行仔細描繪，可以更加準確地辨別各個區域彼此之間的聯系。

按照物理差別（如皮質厚度），功能差別（如對語言刺激產生回應的區域），以及各區域之間聯系的差別，新型腦圖譜將左右大腦半球各自分成180個區域。腦圖譜的繪制不像是地圖上的山在這里、河在那里那么簡單，因為大腦的大部分表面上看起來是一樣的。與標注地形要素的地圖相比，腦圖譜更類似于標注國界線的地圖；國界線從空中是看不到的，但仍然是極其重要的。

神經科學特聘教授范·埃森說：“電腦可以支持任何操作系統，運行任何軟件。大腦則不同。相反，可以這么說，大腦如何運作（軟件）與大腦的結構（硬件）是密切相關的。如果你想弄清楚大腦能做什么，就必須了解大腦是如何組織的，各部分是怎樣聯系的?！?/p>

研究者們繪制了大腦皮層的圖譜，大腦皮層就像一張皺巴巴的紙一樣，包圍著大腦的一層神經組織，對于注意力、記憶、知覺、思想、語言和意識都發揮著重要的作用。

馬修·格拉瑟博士，作為研究團隊成員之一，細致入微地繪制了人類大腦皮層圖譜。該圖譜有助于腦部疾病的研究，如自閉癥、精神分裂癥、癡呆和癲癇。

一位德國的神經解剖學家科爾比尼恩·布洛德曼（Korbinian Brodmann），于20世紀初首次繪制了人類大腦皮層圖譜。他確認了50個區域，其中包括后來被證實參與視覺、語言及感覺處理的區域。

馬修·格拉瑟博士，細致入微地繪制了人類大腦皮層圖譜

差不多一個世紀之后，這項新研究成果的主要作者，馬修·格拉瑟博士開始研究大腦中負責語言的各區域之間的聯系，而布洛德曼的腦圖譜及其通常被應用于神經影像的方式，很快使格拉瑟感到很沮喪。

格拉瑟說：“對于大腦中負責語言的各區域之間的聯系，我早期的研究工作涉及布洛德曼的腦圖譜，并嘗試去猜測該腦圖譜各區域與其中神經路徑之間的關系。我很快發現，顯然需要一種更好的辦法來繪制我們所研究的成人大腦皮層的各區域?！?/p>

為了達到這一目的，格拉瑟、范·埃森及同事們收集了210位健康男女青年的數據。利用核磁共振機對休息時的大腦及執行簡單任務時（如聽故事）的大腦進行掃描，研究者們將大腦皮層的厚度與神經元周圍的絕緣量二者聯系在一起。

格拉瑟說：“最終我們將大腦左右半球各自分成180個區域，但我們仍認為這也許不是最后的數據。在某些情況下，我們發現了一塊也許可以細分的大腦皮層，但鑒于當前的數據和技術，我們還無法確定無疑地對其進行細分。未來研究者們將利用更好的方法來細分那一區域。我們則關注那些確信可以經得過時間考驗的劃分區域?！?/p>

其中有的區域顯然涉及一些特殊性任務，如55b涉及到人聽故事時的大腦神經活動。也有的區域涉及人的視覺范圍或是控制運動。大多數區域被確認涉及不止一項功能，因為每個區域不是只做一件事情，而是協調整合來自很多不同信號的信息。

自布洛德曼的腦圖譜到如今格拉瑟和范·埃森的腦圖譜，中間經歷的一個世紀中，還有研究者們繪制的許多其它的大腦皮層圖譜，展示的區域數量自50至200不等。研究者們從以下方式對之前的腦圖譜進行改善：在分析之前先準確地用一個共同協調體系與大腦相匹配，利用由牛津大學同事研發的一個運算法則，加入核磁共振機可獲得的最高質量的數據。通過繪制210位健康青年的大腦圖譜，研究者證實，上述方法可應用于個體大腦圖譜的繪制。

盡管每個人在大腦皮層褶皺、腦皮質圖的區域大小及形狀方面都是獨一無二的，但研究者們繪制的新型腦圖譜頗具精確性，有異常清晰的界線以及能夠在個體大腦中進行區域定位的運算法則。

格拉瑟說：“在過去，通常無法明確兩個獨立的神經影像研究結果是否涉及同一區域。”但通過利用新型腦圖譜和定位運算法則，可以將獨立的研究結果更準確地進行比較。新型個體腦圖譜是非常有用的。華盛頓大學的神經外科醫師們在準備外科手術時，已經開始使用個體腦圖譜，目的是要避免損壞腦部最重要的區域，如那些涉及到語言或運動機能的區域。

個體腦圖譜還可以指導治療神經或精神疾病。例如，不同類型的癡呆，是以大腦不同區域的退化為特征的。臨床醫師可以利用個體腦圖譜，基于受到損傷的腦部區域，進行個性化治療，或監測治療效果。

像舊時的制圖師一樣，腦圖譜的繪制者們主要是在提供一種工具供他人探索發現時使用。

范·埃森說：“我們能夠說服《自然》雜志把以下內容置于網絡上，腦圖譜劃分的左右半腦各180個區域的200多頁的詳細信息以及我們用來匹配大腦并繪制腦圖譜的所有運算法則。我們認為，如果研究者能夠對這些腦圖譜深入了解、探索并加以利用，這將為科學界提供最好的服務?！?/p>

這項研究工作得到了美國國立衛生研究院和惠康基金會的支持。其中有16個美國國立衛生研究院的下屬機構和中心通過“美國國立衛生研究院神經科學研究藍圖”，支持人腦連接組計劃。

[資料來源：wustl.edu][責任編輯：遙醒]