大腦是如何發(fā)育的？《自然》發(fā)布首個(gè)全生命周期人腦發(fā)育圖表

■傅昭儀

在人類的發(fā)育成長過程中，身高體重等這些數(shù)據(jù)都比較常見，人們可以隨時(shí)記錄它們，以此來大致了解身體的發(fā)育狀況。200 多年前，菲利貝爾·德·蒙貝拉醫(yī)生繪制了第一個(gè)生長圖表，用來監(jiān)測他兒子的身高。這份圖表也被看作兒科醫(yī)療的奠基石。但是你知道自己的大腦是如何發(fā)育的嗎？

大腦指揮調(diào)動(dòng)著我們的一切，大腦發(fā)育的成熟程度會(huì)影響人們的行為以及心理狀態(tài)。沒有發(fā)育穩(wěn)定的大腦，就意味著對自己情緒的控制力、與他人交往溝通的能力都有待完善，甚至為衰老后患上神經(jīng)退行性疾病或精神疾病埋下種子。一直以來，科學(xué)家們希望量化人類大腦成熟度和健康衰老之間的關(guān)系，但因?yàn)橹耙恢睕]有有效的衡量指標(biāo)可以用來評估大腦生長與年齡相關(guān)的變化，這個(gè)愿望始終沒有達(dá)成。

近日，來自英國劍橋大學(xué)、美國賓夕法尼亞大學(xué)等科學(xué)家團(tuán)隊(duì)的研究人員在《自然》上發(fā)表了一篇題為《Brain charts for the human lifespan》的研究，填補(bǔ)了這一空白。他們收集了來自全球逾10萬例個(gè)體、超過12 萬張核磁共振腦掃描圖的數(shù)據(jù)，年齡跨度從受孕16 周后的胎兒到100 歲的老人，從而繪制了全球首個(gè)全生命周期大腦發(fā)育的生長圖表。這一珍貴的參考圖表向我們展示了人類大腦是如何在生命早期迅速擴(kuò)張，并伴隨著生命的足跡而緩慢收縮的。該研究讓那些苦于研究重復(fù)問題的神經(jīng)科學(xué)家大為驚艷。

艱難的大數(shù)據(jù)收集

腦科學(xué)研究長期存在一組“主要矛盾”。一方面，腦結(jié)構(gòu)因人而異，要想創(chuàng)建一組具有統(tǒng)計(jì)意義的圖表或模型，必須納入足夠多的數(shù)據(jù)。另一方面，腦部MRI 掃描耗時(shí)長，價(jià)格貴。用數(shù)十年的時(shí)間和高昂的成本去收集10 萬人的腦部磁共振成像（MRI）數(shù)據(jù)，是一個(gè)讓人望而卻步的艱難任務(wù)。

此次研究的主要參與者神經(jīng)科學(xué)家雅各布·塞德利茨（Jakob Seidlitz）是個(gè)“大數(shù)據(jù)”追逐者，他和他的團(tuán)隊(duì)認(rèn)為與其花費(fèi)時(shí)間和成本，不如“尋找同盟”。在過去的幾十年里，神經(jīng)影像學(xué)已成為人腦基礎(chǔ)研究和臨床研究中無處不在的工具，世界各地都儲(chǔ)存著大量腦部磁共振成像。經(jīng)過討論，研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一個(gè)名為“腦圖（brainchart）”的開源網(wǎng)站，允許用戶自主上傳、下載數(shù)據(jù)。然后，他們給全球各地的研究人員發(fā)電子郵件，詢問其是否愿意在線共享腦部MRI 掃描數(shù)據(jù)。海量的回信讓人喜出望外，研究團(tuán)隊(duì)一共收集到101457 人的123894 張磁共振掃描。這些腦掃描涵蓋了所有年齡段的神經(jīng)認(rèn)知正常的人群，以及有阿爾茨海默癥等疾病和存在神經(jīng)認(rèn)知差異（包括自閉癥譜系障礙）的人群。研究團(tuán)隊(duì)利用統(tǒng)計(jì)學(xué)模型提取圖像中的信息，并確保這些圖像可以直接比較，無論當(dāng)時(shí)使用的是哪種磁共振儀。

據(jù)了解，這是迄今最大規(guī)模的神經(jīng)影像學(xué)研究，美國佛羅里達(dá)國際大學(xué)認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)家Angela Laird 說：“他們匯總的這個(gè)大型數(shù)據(jù)集令人驚嘆，為領(lǐng)域設(shè)立了一個(gè)新的標(biāo)準(zhǔn)。”

數(shù)據(jù)研究的成果

研究團(tuán)隊(duì)使用標(biāo)準(zhǔn)化的神經(jīng)成像軟件從MRI 掃描中提取數(shù)據(jù)，最后按年齡繪制了包含皮質(zhì)灰質(zhì)（GMV）、白質(zhì)（WMV）、皮質(zhì)下灰質(zhì)（sGMV）和腦室腦脊液（腦室或CSF）等多個(gè)主要大腦指標(biāo)的曲線圖。這項(xiàng)研究的帶頭人之一，劍橋大學(xué)精神病學(xué)系的Richard Bethlehem 博士說：“通過協(xié)調(diào)大腦圖像，我們能夠?qū)⒄麄€(gè)生命周期的數(shù)據(jù)結(jié)合在一起。它使我們能夠觀測大腦中發(fā)生的非常早期、快速的變化，以及隨著年齡的增長而長期、緩慢的衰退。”

此次研究中，研究團(tuán)隊(duì)觀察到了以下幾點(diǎn)：

灰質(zhì)總體積（GMV）和平均皮質(zhì)厚度會(huì)在發(fā)育早期達(dá)到峰值。GMV 從孕中期開始迅速增加，在6 歲時(shí)達(dá)到峰值，隨后近線性下降。這一峰值的觀測時(shí)間比過往報(bào)告晚了2～3 年。

從孕中期到兒童早期，白質(zhì)總體積（WMV）也在迅速增加，于28.7 歲時(shí)達(dá)到峰值，50 年后則會(huì)加速下降。

控制基本身體功能和行為的皮層下灰質(zhì)體積，會(huì)在14.5歲時(shí)達(dá)到峰值。

神經(jīng)科學(xué)家格外關(guān)心腦脊液（CSF）空間增大，這一指標(biāo)變化通常與腦萎縮有關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)，2 歲前，相關(guān)指標(biāo)呈上升趨勢，到30 歲左右保持穩(wěn)定，然后緩慢地近線性增長。到60 歲以后又呈指數(shù)增加。

研究還密切跟蹤了總大腦表面積和總大腦體積。兩者分別在10.97 歲和12.5 歲時(shí)達(dá)到峰值。

研究缺憾和臨床前景

許多精神疾病是非典型大腦發(fā)育的結(jié)果，阿爾茨海默癥和帕金森病等神經(jīng)退行性疾病會(huì)導(dǎo)致大腦中可觀察到的變化，發(fā)育性遺傳疾病也會(huì)導(dǎo)致大腦結(jié)構(gòu)異常。

現(xiàn)在，這些數(shù)據(jù)集已經(jīng)有大約165個(gè)不同的診斷標(biāo)簽。這意味著研究人員可以通過比較患者大腦體積與同齡人相比變化的速度來發(fā)現(xiàn)神經(jīng)退化的跡象。

不過，研究團(tuán)隊(duì)坦言，他們沒有擺脫神經(jīng)影像學(xué)研究特有的問題，即缺乏多樣性。“全球有數(shù)十億人無法用到MRI，其腦成像數(shù)據(jù)難以獲得。我們收集的數(shù)據(jù)主要來自北美和歐洲，白人、大學(xué)教育水平、城市和富裕人群占比非常大。僅有3 組來自南美的數(shù)據(jù)和1 組來自非洲的數(shù)據(jù)，占總數(shù)的1%。”他們說，現(xiàn)在繪制出的曲線圖只是第一版草圖，數(shù)據(jù)仍在進(jìn)一步更新和優(yōu)化。

Bethlehem 博士解釋說：“在未來，隨著我們整合更多的數(shù)據(jù)集并完善圖表，它們最終可能成為常規(guī)臨床實(shí)踐的一部分，被用來幫助評估接受阿爾茨海默癥等疾病篩查的患者。”