中國人腦圖譜的現狀、進展及展望

李坤成，梁佩鵬

(1.首都醫科大學宣武醫院放射科，北京 100053；2.磁共振成像腦信息學北京市重點實驗室，北京 100053；3.首都師范大學心理學院，北京 100048)

目前，意識的起源、智力的物質基礎仍是人類的未解之謎；同時，嚴重危害人類健康的神經、精神疾病日漸增多，大腦結構和功能的正常狀態及大腦發育、發展和退化規律仍不清楚。因此，深入研究正常人和病理狀態下的腦內信息加工過程，對于研究腦、認識腦、保護腦和開發腦均有重要意義，已成為當今國際前沿熱點研究領域。腦成像技術是研究上述問題的重要途徑，而從整體、系統水平構建活體、多模態、數字化的正常人“標準腦圖譜”是解決這些問題的核心之一。人類腦圖譜的構建和應用屬于腦與認知科學的基礎設施建設。借助腦圖譜這一標準參考空間，研究者可以比較或綜合不同模態、不同大腦狀態(健康或疾病)、世界各地不同實驗室的腦成像結果[1]。

最早應用于研究的腦圖譜是由Talairach和Tournoux于1988年共同完成的Talairach腦圖譜，該圖譜的數據來自1具56歲法國婦女尸體，應用布羅德曼分區作為腦區的標簽，坐標系統為Talairach坐標，又稱之為Talairach空間。布羅德曼分區是一個根據細胞結構將大腦皮層劃分為一系列解剖區域的系統，最早由Korbinian Brodmann提出，包括每個半球的52個區域。Talairach坐標系統是一種人大腦的三維坐標系統，以圖形標示大腦結構的位置，由于應用映射變換，故基本不受腦大小和腦整體形狀個體差異的影響。基于Talairach腦圖譜，來源于MRI、PET和其他影像學方法的個體圖像可方便地標記到Talairach標準空間，進而推斷腦區部位[2]。

蒙特利爾神經學研究所(montreal neurological institute， MNI)構建了一系列腦模板，包括MNI305、MNI152和MNI452等，其中MNI152應用最廣泛[3]，此標準腦圖譜來自152名年輕成人的高空間分辨率腦圖像數據，與Talairach圖譜不同，屬于活體概率腦圖譜。MNI的研究者將這些大腦通過仿射轉換后與MNI305圖譜進行對應，再將這152個大腦數據進行平均，得到了更清晰、精確的腦標準模板。該模板是腦成像國際聯盟(International Consortium for Brain Mapping， ICBM)公認模板，故也被稱為ICBM152模板，目前大部分神經成像研究采用該模板。為得到更加清晰的腦圖譜，MNI對1位研究人員Colin Holmes進行了27次大腦掃描，再將這些掃描數據與MNI305進行配準，然后進行平均獲得了更加清晰和精確腦圖譜，稱之為柯林-27標準大腦圖譜[4]。目前，許多基于MNI大腦模板的神經成像結果均是基于柯林-27圖譜顯示。

然而，不同人群(按照年齡、性別、種族等)的大腦存在顯著形態學差異，包括大腦的形狀和尺寸。已有的腦圖譜或來源于個別尸體解剖資料(如Talairach腦圖譜)、或來源單個或小規模樣本(如MNI152等)，當其應用于不同年齡段、不同性別及不同種群時，可能產生較大的偏差，已成為制約腦功能和結構研究的主要問題之一。

由于缺少統一的正常中國人標準腦圖譜，因此，在既往腦科學研究和應用中，只能將中國人的腦圖像配準到西方人的標準腦圖譜。由于東西方人的大腦形態存在顯著差異，因而常導致腦功能和結構定位的誤差甚至錯誤。因而，迫切需要研發中國人的腦圖譜以支持針對中國人的神經科學研究和臨床應用。

首都醫科大學宣武醫院放射科李坤成教授團隊與合作者，開發了中國人3D結構腦圖譜，命名為“Chinese2020”，并定義了中國人標準腦空間，標記了相應的AAL腦區，且為不同年齡段和性別的中國人群構建了概率腦圖譜[5]。該腦圖譜基于一組多中心大規模數據，因而具有廣泛的代表性，可提供關于中國人群客觀、準確的影像學信息；同時，該腦圖譜是動態的，針對不同年齡、性別有不同的腦圖譜，因而可支持進行有關大腦發育、老化理論的驗證和比較。對于中國人群的腦成像研究，與配準到西方人腦圖譜相比，配準到Chinese2020的形變更小，功能和結構定位的灰質占比更高；與基于AAL圖譜的海馬分割相比較，基于Chinese2020的分割準確率更高。以上結果說明，Chinese2020可更好地表征中國人群的大腦形態學特征。目前，Chinese2020已可供全球研究人員免費下載使用(www.chinese-brain-atlases.org)，是首個實際可用的中國人3D結構腦圖譜。Chinese2020已被應用于阿爾茨海默病[6]、帕金森病、腦血管病、睡眠障礙等神經精神疾病的影像學研究，被用于靜息態/任務態功能MRI[7]、形態學分析等多模態MRI數據分析，部分內容也可見本期專題文章。

為構建更為精細的中國人3D結構腦圖譜以及構建中國人白質纖維腦圖譜，首都醫科大學宣武醫院牽頭(李坤成教授為PI)發起了一項新的中國人腦結構圖譜多中心、多學科研究。本多中心項目采用Siemens Prisma3.0T高端MRI儀及64通道頭線圈，目前已完成收集1000名健康志愿者(18歲以上)的多模態MRI數據，正處于數據分析階段，將構建和發布更為精細的中國人3D結構腦圖譜和白質纖維腦圖譜。

不同年齡、疾病狀態等均應有不同的腦圖譜，故針對中國人的腦圖譜也應對應不同年齡、疾病狀態等，構建由不同腦圖譜組成的腦圖譜庫。后續的工作還應包括：①中國兒童腦圖譜的構建，以用于腦發育研究；但由于配合程度、資金、倫理等問題，制作兒童腦圖譜的難度較大；②考慮到中國人(蒙古人種的代表)與西方高加索人(白種人)的腦結構有明顯差異，而中國維吾爾族的主要基因來源是高加索人(白種人)，因此，今后若能構建中國維吾爾族成人腦圖譜，則更便于與漢族比較；③至今尚不清楚缺氧是否造成居住在高海拔地區人群的腦功能和結構發生改變，故居住在高原地區人群可能與低海拔地區人群的腦結構存在差異，因此，有必要構建高原地區成人腦圖譜；④由于與大腦比較，小腦結構和功能均簡單，故目前國內外僅有大腦圖譜，但小腦在許多正常和疾病腦功能方面(尤其靜態腦連接)發揮重要作用，因此有必要構建中國人小腦圖譜；⑤針對嚴重影響人民群眾健康和生命的重大腦疾病，應逐個構建專門疾病腦模板，有可能配合遠程影像學、大數據、云計算、人工智能等新技術的進展，將之應用于臨床工作。