基于MRI的人與獼猴顳上回聽覺區的同源性研究

柴靜文，王千山，姚蓉，王玥，李斌強，李海芳

作者單位：太原理工大學信息與計算機學院，太原 030000

感覺系統的功能是對外界環境進行快速有效地感知并確定感覺信息的來源。靈長類動物顳上回(superior temporal gyrus，STG)是位于顳葉上部的一道溝壑，是處理聽覺訊息的中樞。其中人類的聽覺皮層位于顳葉皮層，獼猴聽覺皮層的范圍是從核心聽覺區到顳上回前側(rostral superior temporal gyrus，STGr)和顳極背側[1]。人類和獼猴利用聲音信號來參與社會互動，當施加聲音刺激后發現獼猴在顳上回區域對聲音表現出與人類相似的反應[2]，并且獼猴顳上回的belt區域關注認知功能[3]，這與人類的顳上回可能有對應關系[4-5]。顳上回一直被視為大腦中聽覺和言語的重要樞紐，受損時可能會導致聽覺性失語癥。因此，研究顳上回區域及其包含的聽覺功能對聽覺模式的理解是有重要意義的。

雖然獼猴與人類的諸多特征具有相似性，但在形態、功能等方面也存在著較大的進化差異[6-7]。因此，動物實驗結論在物種間推廣的可行性需要經過嚴謹的跨物種比較分析。連接性是對一個區域如何連接到其他大腦區域的描述[8]。目前已有文獻基于連接的聚類方法推斷人類與獼猴組織原則的相似性[9]；連接指紋概念提供了一個比較不同大腦皮層區域的連接性的新方法，用連接模式表征大腦皮層區域[10]。已有研究基于連接對人類和獼猴進行跨物種比較推測出人類和獼猴的同源區[11-12]，但是關于顳上回區域人類和獼猴的同源性仍有待研究。

本研究利用彌散張量成像(diffusion tensor imaging，DTI)數據，并輔以纖維束追蹤的處理技術，基于大腦感興趣區域(region of interest，ROI)與目標區域建立腦區之間的連接。利用連接指紋比較方法對人類和獼猴顳上回區域的結構連接模式進行深入研究，有助于從連接模式的角度探究兩個物種之間的同源性，為探索人類特有高級認知功能和獼猴動物模型相關研究的精準展開提供支持，為替代性實驗提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 感興趣區域提取

人類腦影像數據來源于人腦連接組項目(Human Connectome Project)數據中心，原始數據可以從網站https://db.humanconnectome.org/下載，該研究遵照赫爾辛基宣言的最新版本。經過數據清理，去除含缺失值或極端值的數據，研究選取了22 例年輕健康成年人作為被試，其中男13 例，女9 例，年齡22～35 歲。選擇的腦影像數據是彌散張量成像數據和結構磁共振成像(structural magnetic resonance imaging，sMRI)數據。其中DTI 數據包括多梯度的1.25 mm 各向同性數據，sMRI 數據包括0.7 mm 高分辨率的各向同性T1 加權成像數據和T2 加權成像數據。具體采集參數為：T1W：TE=2.14 ms，TR=2400 ms，TI=1000 ms，翻 轉 角=7°，體 素 分 辨 率 為0.7 mm×0.7 mm×0.7 mm；DTI：TE=89.5 ms，TR=5520 ms，彌散加權b值1000 s/mm2，2000 s/mm2，3000 s/mm2。

獼猴腦影像數據源于加利福尼亞大學戴維斯分校神經科學中心UC Davis，原始數據可以從網站http://fcon_1000.projects.nitrc.org/indi/PRIMEdownloads.html下載[13]，飼養的獼猴符合UC-Davis IACUC 道德認證，且該數據的采集實驗得到了當地倫理委員會的批準，并遵守歐盟關于保護用于科學目的的動物的指令(2010/63/EU)。采取同樣的入組和排除標準，研究選取了9例被試，被試年齡分布在18.5～22.5歲，體質量分布在7.28～14.95 kg 的獼猴。選擇的腦影像數據包括彌散張量成像數據和結構磁共振成像數據。具體采集參數為：T1W：TE=3.65 ms，TR=2500 ms，TI=1100 ms，翻轉角=7°，體素分辨率為0.3 mm×0.3 mm×0.3 mm；DTI：TE=115 ms，TR=6400 ms，彌散加權b 值1600 s/mm2，800 s/mm2。

DTI 數據主要基于牛津大學的FSL 工具(https://fsl.fmrib.ox.ac.uk/fsl/fslwiki/)完成。DTI數據處理包括：頭動渦流矯正，梯度方向校正，獲取大腦掩膜圖像，將圖譜配準到個體以及使用FMRIB提供的雙張量模型BEDPOSTX[14]估計彌散參數等操作。

研究顯示，中國科學院自動化研究所的人類腦網絡組圖譜對腦區精細劃分，有客觀精準的邊界定位，是第一次建立宏觀尺度上的活體全腦連接圖譜[15]。于是，本研究基于中國科學院自動化研究所腦網絡組圖譜和D99獼猴腦圖譜[16]，使用FSL根據圖譜腦區對應編號基于個體提取人類和獼猴顳上回的感興趣區域與目標區域。其中，參考早期跨物種研究Neubert等人提供的同源位點坐標，結合所選腦圖譜配準到Neubert 提供坐標的空間，根據坐標點對應出腦區編號并提取出來作為目標區域。所用圖譜確定了18個同源腦區作為目標區域。目標區域包括腦島、輔助運動區、鼻周皮層、海馬體、海馬旁回等聽覺相關腦區以及其他與軀體感覺、運動、執行等功能相關的腦區，如表1所示。本文所選擇人類感興趣區域見圖1A所示，分別為：STG_6_1 (Area 38m，紅色區域)，STG_6_2 (Area 41/42，青色區域)，STG_6_3 (Area TE，黃色區 域)，STG_6_4 (Area 22c，藍 色 區 域)，STG_6_5(Area 38l，綠色區域)，STG_6_6 (Area 22r，粉色區域)。選擇獼猴感興趣區域為：STGr (見圖1B 紅色區域)。

圖1 感興趣區域。1A：人類；1B：獼猴。Fig.1 Region of interest.1A:Human;1B:Macaque.

表1 人類和獼猴大腦目標區域Tab.1 Human and macaque brain target areas

1.2 數據處理

使用牛津大學FMRIB 軟件包提供的PROBTRACKX從感興趣區域到目標腦區進行概率纖維束追蹤，通過設置感興趣區域為種子點，目標區域為必經節點和終止節點來指導概率纖維束走向，估計感興趣區域和目標腦區間的概率連接情況，將追蹤結果值作為腦區之間的連接值。

連接指紋表示ROI 與已確定獼猴和人類之間同源性的目標大腦區域的連接性。使用基于個體空間提取的ROI 和18 個同源腦區，進行概率纖維束追蹤。為了避免個體差異導致的實驗誤差，研究利用所有被試與目標區域連接的平均值作為構建連接指紋的連接值。標準化連接值后，建立ROI與目標區域的連接指紋圖，確定獼猴ROI 連接指紋和每個人類ROI 連接指紋之間結構連接模式的相似與差異。

1.3 同源性分析

在計算相似性之前，所有的連接指紋都需要標準化。連接指紋比較的是連接強度，即ROI與目標區域的連接模式。

常用的樣本相似性度量方法包括歐氏距離、曼哈頓距離和余弦相似度等。在基于連接指紋圖的跨物種比較過程中，通常選擇曼哈頓距離和余弦相似度兩個指標進行度量。曼哈頓距離又稱城市街區距離，通過距離的測量決定連接指紋的差異，其定義為

式中，p 和q 是連通指紋的兩個向量，i 是指紋的n 個目標區域。d 的值越小表示兩個向量的相似性越高。而余弦相似度是通過計算兩個向量的夾角余弦值來評估他們的相似性，計算過程中關注的是指紋圖的角度，忽略特征向量的長度，其定義為

式中，向量之間的夾角越小，cosine的值越接近1，表示兩個向量的相似性越高。

1.4 統計檢驗

由于所使用的被試數量較少，兩種被試的年齡、性別的分布不太均勻，因此這些被試不能完全反應物種整體水平在腦區連接結構方面的一些差異。針對以上問題，采用python 以及NumPy 庫對數據進行統計學分析。對人類與獼猴構建的連接指紋采用置換檢驗，通過對樣本進行順序修改置換5000次，重新計算檢驗統計量，構造經驗分布，對其可信度進行檢驗，并重復檢驗1000 次，得到一組P值，使用Matlab基于linear step-up 方法進行校正，在此基礎上求出P-value 進行推斷。以P＜0.05 為差異有統計學意義。

2 結果

本文對人類和獼猴顳上回的感興趣區域和已知的人與獼猴同源區域建立連接指紋，通過計算曼哈頓距離和余弦相似度，得到結構連接模式的相似性，如表2所示。

表2 人類ROI與獼猴STGr連接指紋相似度Tab.2 Similarity of connectivity fingerprint between human ROI and STGr

人類顳上回(area 38m)和獼猴STGr 的連接指紋如圖2所示。人類area 38m和獼猴STGr連接指紋的曼哈頓距離結果如圖3所示，其中人類area 38m與獼猴感興趣區域的連接指紋距離值(d=0.733)是最小的，其對應的余弦相似度的值是最大的(cosine=0.966)。

圖2 area 38m與STGr連接指紋。 圖3 area 38m與STGr曼哈頓距離。 圖4 連接指紋與置換測試。4A：area 38m_L；4B：area 38m_R。Fig. 2 Connectivity fingerprint between area 38m and STGr. Fig. 3 Manhattan distance between area 38m and STGr. Fig. 4 Connectivity fingerprints and permutation test.4A:area 38m_L;4B:area 38m_R.

當考慮左右腦的差異，人腦左、右半球area 38m腦區連接指紋和排列置換測試結果如圖4所示，置換檢驗P＜0.05，其中置換檢驗結果紅色代表真實值，藍色代表閾值，灰色代表測試的數據。area 38m 左、右半球連接指紋對應的曼哈頓距離值分別為0.983 和0.554，余弦相似度的值分別為0.948 和0.975。

3 討論

通過分析磁共振成像數據，本文對兩個物種顳上回聽覺區的結構連接模式進行同源性研究，發現人類顳上回(area 38m)區域與獼猴顳上回前側的結構連接相似度值最高，因此人類顳上回(area 38m)具有和獼猴顳上回前側相似的結構連接模式，可能具有共同的進化起源。

3.1 跨物種同源性分析

現有研究通過對兩個物種施加聽覺刺激，發現了兩個物種的顳葉前側均擁有語音區，并指出獼猴和人類的高級聽覺皮層的功能組織比目前已知的更為相似[17]。另一研究使用相同刺激對比獼猴和人類的反應得到猴腦的敏感性低于人腦，其原因可能是由于人腦功能的專門化[18]。本文在研究人類與獼猴顳上回參與聽覺處理區域的過程中，關注的是大腦解剖連接模式，而不是執行任務時大腦區域的功能激活。本文在人類的顳上回，搜索與獼猴顳上回前側具有相同結構連接模式的區域。實驗中用于識別人類和獼猴顳上回區域連接模式相似性的目標區域是已知同源的。分析發現人類的area 38m與獼猴顳上回前側具有最相似的結構連接模式。

利用結構連接指紋分析兩個物種的不同區域，可以解釋這些區域在物種進化過程中腦連接的差異。2018 年劉義鵬等人就腦纖維可視化總結得到量化腦結構連接可以揭示在腦發育過程中的生理變化，有助于研究神經病理條件下腦網絡改變的結果。本研究結果顯示，在人類顳上回的6 個感興趣區域中，area 38m 與獼猴的連接指紋曼哈頓距離值最小(d=0.733)，對應余弦相似度的值最大(cosine=0.966)。對兩個物種的連接模式分析得到：area 38m和獼猴STGr 對鼻周皮層、運動皮層等區域的連接強度是一致的，其差異在于獼猴STGr 與44v 區域的連接比人類的更強，而人類area 38m與腹側紋狀體、海馬區的連接比獼猴更強。

雖然大腦左右半球在形態上大體對稱，但是在結構連接和功能上卻不完全對稱，即大腦偏側化。顯然，研究中顳上回area 38m_L 區域和area 38m_R區域與獼猴顳上回前側都有著相似的結構連接模式：兩個區域均與情緒記憶相關的鼻周皮層[19]，獎賞、情緒和運動相關的腹側紋狀體以及記憶和學習相關的海馬區有較強的連接，與認知和運動相關的頂葉島蓋連接較弱。但也存在部分差異，兩個區域分別完成不同任務的處理：人類顳上回area 38m_L 區域相比顳上回area 38m_R 區域，顯示出與海馬旁回更強的連接。海馬旁回位于枕葉和顳葉下方的內側，與情感、學習及記憶等高級神經功能活動有關。這也驗證了先前對人類area 38m_L 區域的描述，它是更關注情感信息的區域。以上結果驗證了顳葉皮質在人腦中的擴張是優先于獼猴大腦的，得到人腦具有不同功能特征的分區這一結論。

根據人類和獼猴連接指紋統計量的排列置換測試結果，證明人類area 38m 與獼猴STGr 區域有相似的結構連接模式這一結果是可信的。分別為左、右半球構建連接指紋后，曼哈頓距離和余弦相似度結果均顯示人類和獼猴腦區之間的結構連接模式有較高相似性，但是左、右半球對應連接指紋的排列置換測試的結果卻不一致。area 38m_R 檢驗統計量的值是落在置信區間內的，證明該結果可信。而area 38m_L 的檢驗統計量的值均位于置信區間外，這表示小概率事件發生，樣本所反應結果的可信度較低。觀察area 38m_L 區域所對應的閾值區間，發現該區域的余弦相似度值較高(cosine=0.948)，且位于左閾值附近，即小概率事件呈現出了較低的跨物種一致性。

導致獼猴顳上回前側與人類area 38m_R區域連接更為相似的原因可能是大腦的偏側化。在2018年梅丹丹等人根據先驗知識探究發現，人腦加工任務的半球偏側化導致左半球對言語功能、語言性聲音的處理、對聽覺語音語義信息加工更有優勢，其行為領域主要是情緒的加工；而右半球對不需要言語參加的空間知覺和形象思維、環境聲音與音樂的處理更有優勢。人類腦區結構和功能的變化造成與其他腦區連接關系的增強或減弱，因此導致了左右腦對于目標腦區連接的差異[20]。

3.2 研究意義

聽覺作為主要的感知方式之一，它是個體感知外界環境、維持生存和繁殖活動的重要途徑。大腦皮質顳上回主要是聽覺性語言中樞。顳上回受損傷可能出現聽覺性失語癥或稱接受性失語癥等并發癥，也有引起癲癇發作的可能。因此，本文利用DTI數據，通過比較影像學量化物種間皮層區域在連接上的相似與差異，分析出人類與獼猴在顳上回聽覺處理相關區域的同源性，可以幫助了解活體的神經纖維走向，有助于深入了解人腦結構，為神經科學研究提供了理論支撐。由于許多精神病理綜合征與大腦區域和連接之間的改變有關，構建連接指紋也可以作為精神病理學的診斷工具。對于有興趣研究聽覺處理的研究者而言，可以對顳上回前側區域進一步探究。

3.3 限制與不足

在研究人類和獼猴顳上回聽覺區域的同源性中，發現的兩個物種結構連接模式的相似性，能夠為探索人類特有高級認知功能和獼猴動物模型相關研究提供支持，也為替代性實驗提供了理論依據。但本文對兩個物種顳上回同源性的研究主要依據是大腦結構連接模式，其功能的連接差異需要進一步討論。目前研究發現人與猴子均優先使用左半球聽覺系統分析聲音，且存在左半球比右半球變化更強的功能不對稱現象[21]。現有研究發現人類顳上回在噪音中對語音感知有著關鍵作用，并且對低頻純音刺激的響應區域面積較大。因此，獼猴的左右半球是否存在與人類同樣的連接變化趨勢也有待研究。其次，在本研究中基于連接指紋對顳上回連接模式進行跨物種比較的方法的比較特征精度和可擴展性較低，每個待比較腦區的連接指紋應有獨特的目標腦區來構建，后續研究可以探索更完善的高精度跨物種比較方法，進一步驗證和精細化現有結果。

綜上所述，本研究發現人類area 38m 與獼猴顳上回前側STGr 是同源的，即具有相似的連接模式。其中，人類右半球與獼猴的結構連接模式相似性比左半球更高，這些現象可能與大腦的偏側化相關。

作者利益沖突聲明：全體作者均聲明無利益沖突。