繪制全生命周期的人類大腦發(fā)育圖

編譯 莫莊非

研究人員匯總超過(guò)12萬(wàn)次的腦部掃描，繪制了人類全生命周期的大腦發(fā)育圖譜

不久前，賓夕法尼亞大學(xué)的神經(jīng)科學(xué)家雅各布·塞德利茨（Jakob Seidlitz）帶著他15個(gè)月大的兒子到兒科醫(yī)生處進(jìn)行檢查，但對(duì)檢查——他的兒子沒(méi)有任何健康問(wèn)題——并不滿意，因?yàn)楦鶕?jù)醫(yī)生所使用的身高和體重圖表，這個(gè)小娃娃似乎正以標(biāo)準(zhǔn)速度發(fā)育著。問(wèn)題在于，塞德利茨認(rèn)為目前缺少用以衡量他兒子大腦生長(zhǎng)過(guò)程的等價(jià)度量/等效指標(biāo)。“令人震驚的是，醫(yī)生們就這個(gè)關(guān)鍵器官所掌握的生物學(xué)信息是如此之少。”

不過(guò)他們或許很快就能改變現(xiàn)狀。塞德利茨與同事合作，收集匯總超過(guò)12萬(wàn)次腦部掃描圖像——目前同類研究里的最大規(guī)模——?jiǎng)?chuàng)制了第一份貫穿全生命周期的大腦發(fā)育圖譜。這些圖表直觀顯示了人類大腦如何在生命早期快速擴(kuò)張，然后隨著年齡增長(zhǎng)緩慢收縮。《自然》（Nature）雜志于2022年4月6日刊載了此項(xiàng)研究。

神經(jīng)科學(xué)家對(duì)塞德利茨等人的成果感到震驚，他們的科研工作長(zhǎng)期受制于可重復(fù)性問(wèn)題，其中部分原因是樣本量小。磁共振成像（MRI） 價(jià)格昂貴，因此科學(xué)家往往要面對(duì)實(shí)驗(yàn)參與者人數(shù)不足的困難。

佛羅里達(dá)國(guó)際大學(xué)認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)家安吉拉·萊爾德（Angela Laird）發(fā)表評(píng)論表示：“他們收集的海量數(shù)據(jù)集令人印象深刻，為本領(lǐng)域樹(shù)立了新標(biāo)準(zhǔn)。”

共同作者、精神病醫(yī)師亞倫·亞歷山大-布洛赫（Aaron Alexander-Bloch）評(píng)論道：“基于神經(jīng)病學(xué)背景，標(biāo)準(zhǔn)化分?jǐn)?shù)在患有阿爾茨海默病或輕度認(rèn)知障礙的個(gè)體中分布呈現(xiàn)嚴(yán)重偏差，這令人驚訝；此外，精神分裂癥患者在某些大腦特征方面表現(xiàn)出相似程度的偏差，這也令人驚訝，盡管他們出現(xiàn)癥狀和確診疾病的時(shí)間通常處于生命周期里完全不同的階段。”

不過(guò)作者也指出，他們的數(shù)據(jù)庫(kù)還不算是完備體系，現(xiàn)有圖表只是初稿，需要進(jìn)一步調(diào)整完善才可部署到臨床環(huán)境中。

西雅圖華盛頓大學(xué)的兒科神經(jīng)學(xué)家漢娜·塔利（Hannah Tully）表示，如果這些圖表最終被推廣給了兒科醫(yī)生，他們需要非常小心謹(jǐn)慎地確保不出現(xiàn)理解上的差錯(cuò)。“一個(gè)看起來(lái)很完整很良好的大腦，不一定運(yùn)作良好。”

繪圖絕非易事

由于大腦結(jié)構(gòu)因人而異，因此研究人員不得不匯總大量掃描圖，創(chuàng)建一組具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義、權(quán)威性十足的生長(zhǎng)圖表。用論文合著者、劍橋大學(xué)神經(jīng)科學(xué)家理查德·伯利恒（Richard Bethlehem）的話說(shuō)，這并非易事，如果是自己去進(jìn)行數(shù)千次掃描，研究者面臨的時(shí)間成本將是數(shù)十年，經(jīng)濟(jì)成本則高到令人望而卻步，因此他們大概率會(huì)轉(zhuǎn)向已經(jīng)完成了的神經(jīng)影像學(xué)研究。

伯利恒和塞德利茨向世界各地的研究人員發(fā)送電子郵件，詢問(wèn)他們是否愿意為該項(xiàng)目分享自己的神經(jīng)影像數(shù)據(jù)。倆人對(duì)收到的回復(fù)數(shù)感到驚訝，不過(guò)可能因?yàn)镃OVID-19大流行，使研究人員身處實(shí)驗(yàn)室的時(shí)間更少，瀏覽電子郵件的時(shí)間更多了。

研究團(tuán)隊(duì)總共收集了來(lái)自101 457位個(gè)體的123 894次MRI掃描樣本，個(gè)體年齡小到受孕后16周，大到100歲。MRI檢查是非常全面的，包括對(duì)神經(jīng)典型者的大腦掃描，以及對(duì)患有各種疾病（如阿爾茨海默病）和神經(jīng)認(rèn)知差異（包括自閉癥譜系障礙）人群的大腦掃描。研究人員使用統(tǒng)計(jì)模型從圖像中提取信息，并確保無(wú)論使用哪種類型的MRI機(jī)器，掃描結(jié)果都可直接相互比較。

最終結(jié)果可以總結(jié)如下：從4個(gè)月大到3歲，大腦從其最大體積的10%增至80%，于11歲左右達(dá)到峰值1 066立方厘米，然后逐漸下降；灰質(zhì)體積從妊娠中期開(kāi)始迅速增加，于6歲前達(dá)到峰值，然后開(kāi)始緩慢下降；皮層下灰質(zhì)的體積在14歲半達(dá)到峰值；白質(zhì)體積從妊娠中期到兒童早期迅速增加，于29歲前達(dá)到峰值，50歲后開(kāi)始加速下降。

這只是一份“初稿”

圣路易斯華盛頓大學(xué)的神經(jīng)科學(xué)家尼科·多森巴赫（Nico Dosenbach）認(rèn)為，收集到如此之多的數(shù)據(jù)集簡(jiǎn)直就是“外交杰作”，而這個(gè)數(shù)據(jù)規(guī)模也應(yīng)當(dāng)是研究者匯總大腦圖像時(shí)需要踐行的標(biāo)準(zhǔn)。

盡管數(shù)據(jù)集規(guī)模龐大，但正如前文所述，伯利恒和塞德利茨等人承認(rèn)新數(shù)據(jù)庫(kù)尚不完備，他們的工作存在神經(jīng)影像學(xué)研究特有的問(wèn)題，例如：明顯缺乏多樣性，收集的腦部掃描主要來(lái)自北美和歐洲，不成比例地反映了大學(xué)生年紀(jì)、城市出身的白種人富裕人群的情況；來(lái)自南美和非洲的數(shù)據(jù)集分別僅有3個(gè)和1個(gè)，不到研究所用全部腦部掃描的1%。劍橋大學(xué)的認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)家莎拉-杰恩·布萊克莫爾（Sarah-Jayne Blakemore）表示，這限制了研究結(jié)果的普遍性。

萊爾德指出，全世界有數(shù)十億人無(wú)法使用MRI機(jī)器，這使得我們難以獲得多樣化的腦成像數(shù)據(jù)。不過(guò)作者團(tuán)隊(duì)仍在努力嘗試。他們推出了一個(gè)網(wǎng)站，并計(jì)劃在收到更多腦部掃描時(shí)實(shí)時(shí)更新生長(zhǎng)圖表。

另一個(gè)挑戰(zhàn)在于確定怎么樣對(duì)腦掃描圖的所有者給予恰當(dāng)信任。一些掃描來(lái)自開(kāi)放訪問(wèn)的數(shù)據(jù)集，但另一些不對(duì)研究人員開(kāi)放。大多數(shù)封閉數(shù)據(jù)沒(méi)有通過(guò)審核，無(wú)法被納入大腦生長(zhǎng)圖表，因此它們的所有者做了額外工作來(lái)分享它們——這些科學(xué)家也被加入了新成果的作者欄。

研究人員強(qiáng)調(diào)，該腦圖項(xiàng)目仍處于初級(jí)階段，需進(jìn)一步發(fā)展完善，包括納入更加多樣化（種族、社會(huì)經(jīng)濟(jì)和人口統(tǒng)計(jì)等）的參與者數(shù)據(jù)。塞德利茨總結(jié)道：“我們希望此項(xiàng)研究將是朝著促進(jìn)人類神經(jīng)影像學(xué)數(shù)據(jù)共享與合作努力邁出的一小步，有望為未來(lái)的研究提供一個(gè)共同框架，幫助調(diào)查和分享有關(guān)大腦發(fā)育以及神經(jīng)和精神疾病的結(jié)果。”

資料來(lái)源 Nature