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大腦與行為

正常的人腦是什么樣子？從功能角度講，這一點尚不明確。如果能夠了解這一點，我們就有可能*改變心理疾病的診斷和治療方式。美國的兩組研究人員正嘗試利用西門子的試驗用磁共振成像設備，探知觸發(fā)人類行為的大腦神經連接模式。

如同宇航員探索浩瀚無際的太空一樣，來自美國和歐洲學府的多位科學家接手了一項任務，研究人體最復雜的部位之一——由1000億個神經元和150萬億個突觸組成的人類大腦。美國國立衛(wèi)生研究院出資4000萬美元，啟動了一個名為“人類大腦聯(lián)絡圖項目（HCP）”的科研項目，目標是探索大腦結構與功能之間的關系。“我們希望盡可能解密當今成像技術如何揭示人類大腦連線，以及大腦連線如何影響我們的行為以及不同個體之間的行為差異。”圣路易斯華盛頓大學醫(yī)學院解剖學和神經生物學系主任兼愛迪生教授DavidVan Essen博士指出。

“啟動該項目，源于這樣一個假設：如果我們能了解大腦結構與功能之間的關系，我們便可揭示自閉癥等疾病的成因，更加有效地治療因中風等疾病引起的傷害。”Bruce R. Rosen博士表示。他是哈佛大學醫(yī)學院放射學教授，現(xiàn)任哈佛大學醫(yī)學院馬薩諸塞州波士頓馬丁斯生物醫(yī)學成像中心主任。

借助西門子試驗用3特斯拉磁共振掃描儀所提供的新的成像技術，研究人員揭密人類大腦中纖維狀的腦白質結構。

該目標一旦實現(xiàn)，有望*改變心理疾病、神經退行性疾病以及大腦損傷的診斷和治療現(xiàn)狀，而要實現(xiàn)這一目標，研究人員必須完成兩大任務：一是研究能夠從功能和結構兩方面以接近微米量級的精細度生成大腦三維結構圖像的技術；二是在考慮健康大腦的巨大差異的情況下，總結出大腦的正常結構?？上驳氖牵鏖T子開發(fā)的兩臺試驗用3特斯拉磁共振成像（MRI）掃描儀成功解決了技術難題，由此完成了*項任務。第二大任務成為圣路易斯華盛頓大學和明尼蘇達大學醫(yī)學院磁共振研究中心（CMRR）的主要研究課題之一。

其中一臺掃描儀的梯度強度是臨床用磁共振掃描儀的2.5倍，是專為明尼蘇達大學醫(yī)學院磁共振研究中心開發(fā)的，最近落戶圣路易斯華盛頓大學（梯度用于進行空間編碼）。另一臺掃描儀的目標梯度強度最高達到臨床用3特斯拉磁共振掃描儀的7.5倍，應波士頓馬丁斯成像中心的要求，與加州大學洛杉磯分校合作設計。

“啟動人類大腦聯(lián)絡圖項目，是為了幫助我們解答有關人類大腦的基本問題，” 明尼蘇達大學醫(yī)學院磁共振研究中心主任KamilUgurbil教授坦言，“過去二十年來，磁共振技術不斷取得進步突破，實現(xiàn)了功能性腦成像（fMRI）和擴散成像等技術，為開展這個項目創(chuàng)造了條件。不過硬件和圖像采集方法還有待改進，目前我們正在著手解決這些問題。”

突破性技術。多年來，研究人員一直在探索人腦的神經元結構圖。實現(xiàn)這一目標的關鍵在于成像技術，比如水分子在大腦中的各向異性擴散磁共振成像，以及的靜息態(tài)功能磁共振成像。華盛頓大學和明尼蘇達大學的合作研究團隊采用的是靜息態(tài)功能磁共振成像和高角分辨率擴散成像（HARDI，一種特殊的擴散成像法）；MGH/UCLA合作研究團隊采用的則是擴散光譜成像（DSI）技術。這是一種常見的擴散張量成像形式，由麻省總醫(yī)院放射學教授兼馬丁斯生物醫(yī)學成像中心連接組學主任Van J. Wedeen博士于2005年*提出。此項目的出發(fā)點是展現(xiàn)各MRI體素（一種三維像素）內線路的纖維狀結構，辨別出交叉線路。

美國國立衛(wèi)生研究院人類大腦聯(lián)絡圖項目（圖片來源：馬丁斯生物醫(yī)學成像中心）

擴散成像法的原理是，水分子在組織中移動，以此可測量氫核（質子）在射頻脈沖的作用下，在不斷變化的靜態(tài)和動態(tài)磁場中生成的無線電信號。“這些水分子自然地沿軸突移動，軸突是連接腦細胞的白質纖維，從根本上說，擴散成像技術生成的圖像復制了軸突的通路。”Wedeen解釋并補充道，“如果把成百上千個體素串聯(lián)在一起，就會了解神經束也就是白質通路的樣貌。但重要的是，當兩條通路交叉時，系統(tǒng)必須精準地將它們聯(lián)合在一起，這一點擴散光譜成像做到了。借助此技術，我們可以看到充斥人腦的三維腦白質網格。”

然而，取得當前的圖像清晰度并非易事，不僅需要大大提高磁共振敏感度，而且需要顯著提高系統(tǒng)處理速度，以獲取水分子的空間數(shù)據流，但問題在于市面上沒有一臺掃描儀能夠同時做到這兩點。波士頓研究團隊得出的結論是，與先前提出的假設不同的是，提高神經通路的成像分辨率，并不一定要求場強必須高于主磁體的3特斯拉，而是要提高調制主磁體磁場的更小磁梯度線圈的場強。“梯度（線圈）是磁共振掃描儀的一部分，它編碼水分子的空間特征，反映水分子的移動方向，”Rosen解釋說。

梯度線圈場強越高，編碼水分子擴散運動的速度就越快，相應會生成角度分辨率更高的圖像，這是區(qū)分交叉纖維的關鍵因素。“這就好比一臺相機，快門速度越快，圖像越清晰。盡管我們沒有直接拍攝軸突的圖像，但實際上我們可以根據水分子的移動情況來推斷軸突的圖像。”Wedeen補充道。

不過，可能有人會問為什么水分子會沿著軸突通路運動？“答案十分簡單，”馬丁斯成像中心磁共振中心主任Lawrence L. Wald博士說，“因為軸突是細長的突起，在軸突內部，水分子自然會沿著軸突方向而非與軸突垂直的方向移動。此外，在測量磁共振信號的時間間隔內，水分子之間的距離大約接近于軸突的間隔距離，大約在10至20微米之間。因此，如果我們關注水分子的移動情況，便可了解軸突的排列方向。”

市面上大多數(shù)用于臨床成像的3特斯拉磁共振掃描儀的梯度強度，為40-45毫特斯拉/米（mT/m），但Wedeen對靈長目動物進行的研究結果表明，可以利用更高的梯度強度來生成成人大腦布線圖的清晰擴散圖像?；谠撗芯拷Y果，MGH／UCLA和明尼阿波利斯／圣路易斯的研究人員找到以Eva Eberlein為首的西門子磁共振設計團隊，詢問他們能否開發(fā)出梯度強度達到*的水平的磁共振掃描儀。“他們開發(fā)出兩款樣機，其梯度強度是現(xiàn)有掃描儀的2-8倍，這堪稱一大工程突破，”Wald回憶道。當梯度強度提升至80 mT/m至300 mT/m時，電磁能的密度最高可提高56倍。

左圖：人腦右半球視覺皮質中與“種子”區(qū)域（黑點）有關的功能連通性成像。紅色和黃色區(qū)域與種子區(qū)域具有功能連通性。右圖：控制身體活動的運動皮質中與種子區(qū)域有關的功能連通性成像

提高梯度強度同時帶來了一個挑戰(zhàn)。鑒于梯度強度更高的掃描儀可生成分辨率更高的圖像，獲取某一結構區(qū)域的圖像，需要采集更多層的磁共振圖像。分辨率提高一倍，將令掃描時間延長四倍以上。因此，新研發(fā)的技術*必須能夠加快編碼速度，同時縮短掃描時間?；贑MRR早前提出的理念，比如“多波段多層”成像，MGH研究人員開發(fā)出一種被稱為“同時多層”成像的改良技術，該技術不僅可在同一時間采集多層磁共振圖像，還可以在確保敏感度損失最低的情況下，讓不同的圖像層彼此分離。“該技術令成像速度提升了三倍，如果結合更高的梯度強度，實際成像速度會提升四倍，”Wald說，“總而言之，我們將平均掃描時間從大約一小時縮短至大約15分鐘。”

建立大腦數(shù)據庫。在人類大腦聯(lián)絡圖項目中，哈佛大學-UCLA聯(lián)合研究團隊肩負的使命是開發(fā)一種新的掃描儀，突破當今磁共振擴散成像技術的極限。華盛頓大學／明尼蘇達大學聯(lián)合研究團隊不僅需要改善數(shù)據采集方法，還需要通過大規(guī)模研究了解腦功能的連通性。“功能性成像法，尤其是靜息態(tài)功能磁共振成像法，能提供有關功能連通性的重要信息，而不只是單純地顯示大腦的硬連線，是對擴散成像的重要補充，”華盛頓大學的DavidVan Essen博士說，他與KamilUgurbil教授同為聯(lián)合研究團隊的帶頭人。

自2008年以來，CMRR團隊曾經利用西門子7特斯拉磁共振系統(tǒng)，在更高場強下開展高分辨率功能性成像研究工作，探索能縮短掃描時間的創(chuàng)新技術。如今，在人類大腦聯(lián)絡圖項目中，他們轉而對這些技術進行調整，改良成“多波段多層成像”技術配套用在定制的HCP 3特斯拉掃描儀中，成功將功能連通性的數(shù)據采集時間縮短了九倍。

克服了這些制約因素后，團隊的下一目標是利用此技術掃描1200位有基因關聯(lián)的個體。“項目的出發(fā)點是，”Ugurbil解釋說，“獲得*的出色數(shù)據質量，以建成腦連接模式的數(shù)據庫，開發(fā)從數(shù)據庫中挖掘相關數(shù)據的工具。”

此外，Van Essen-Ugurbil團隊還將采納明尼蘇達大學研究團隊*提出的大膽做法，在超高磁場（7特斯拉）中掃描多位受試者。“對于靜息態(tài)功能磁共振成像和解剖成像而言，采用7特斯拉磁場強度的效果更甚一籌，預期用在擴散成像中也同樣會效果顯著，”Ugurbil指出。

事實上，該項目側重研究有密切基因關系的群體，將為“影像遺傳學”這一新興領域最終建成全新數(shù)據庫奠定基礎。研究人員希望通過探索圖像信息與遺傳信息之間的潛在關系，解密某些心理疾病的病因機理。“目前，已發(fā)布了一些與此相關的研究成果，譬如，有研究人員指出，自閉癥患者的大腦回路異于常人，換言之，他們的大腦的功能連通性不及常人。”Van Essen說，“不過，我們正在努力將這一研究推向更高水平。正如人類基因組項目打開了進入生物信息學的大門一樣，我們期望能夠開啟神經信息學這一全新專業(yè)，充分利用成像設備生成的廣泛信息，探索未知的神經世界。”

如今，我們已朝著這一方向邁出了*步。在這個人集數(shù)據采集、數(shù)據分析、信息學和可視化處理于一體的項目中，Van Essen和Ugurbil從健康成人試點研究中獲得了左右大腦半球圖像，并以此創(chuàng)建了一個交互式綜合數(shù)據集。這些圖像均是采用靜息態(tài)功能磁共振掃描儀采集的。在數(shù)據庫中，它們?yōu)楫斞芯磕巢课唬ㄒ院邳c表示）時，大腦部位與其他特定部位實際互動的平均圖像。紅色和黃色區(qū)域與種子位置密切相關。點擊一下數(shù)據集中的某個條目，用戶便可查看30GB的數(shù)據。“這是一款同類工具，”Van Essen說，“隨著我們數(shù)據庫不斷擴充，其功能將日趨強大，不過這只是人類大腦聯(lián)絡圖項目的序曲。”

作者：Arthur F. Pease

西門子在人類大腦聯(lián)絡圖項目中扮演的角色

人類大腦聯(lián)絡圖項目（HCP）為期五年，由美國國立衛(wèi)生研究院（位于馬里蘭州貝塞斯達）出資開展，旨在揭秘大腦的遠距離通信網絡。這是人類首次大規(guī)模嘗試收集和共享如此詳盡的數(shù)據，以期借此解決有關人類腦皮層連接解剖和變異的基本問題。該項目的目標是構建個體體內和不同個體完整的結構和功能神經連接圖。

HCP包含兩項研究工作，其中之一為期五年，由位于明尼蘇達州明尼阿波里斯的磁共振研究中心（CMRR）與位于密蘇里州圣路易斯華盛頓大學合作承擔；另一項為三年期項目，由麻省總醫(yī)院（MGH）馬丁斯成像中心與加州大學洛杉磯分校合作開展。

人腦的神經元連接錯綜復雜，至今仍無人破解。若想清晰呈現(xiàn)大腦的連接結構，高端成像設備必不可少。HCP廣泛采用多種磁共振成像技術，包括靜息態(tài)功能磁共振成像、擴散磁共振成像以及任務相關功能磁共振成像等。為了迎合HCP項目的需要，西門子專門設計開發(fā)兩的試驗用3特斯拉磁共振掃描儀。這兩臺掃描儀目前尚未投入商用。

CMRR使用的試驗用3特斯拉磁共振掃描儀的梯度強度*，范圍介于70 mT/m至100 mT/m 之間，是世界的臨床用3特斯拉磁共振掃描儀的2.5倍左右，因而極其適合用于要求較高分辨率的功能和擴散磁共振研究。MGH使用的試驗用3特斯拉掃描儀是一臺專為擴散磁共振成像設計的新型研究用掃描儀，其梯度強度高達300 mT/m ，相當于新臨床用3特斯拉磁共振掃描儀的7.5倍，因而極其適合用于采集大腦的纖維追蹤數(shù)據。因梯度強度顯著提升，僅可用于研究用途，該掃描儀對極其微弱的擴散加權信號十分敏感，相比的專業(yè)臨床用掃描儀而言，更適用于高分辨率腦功能磁共振研究。“人類大腦聯(lián)絡圖計劃旨在促進更好地了解人類大腦組織，能為該項目提供創(chuàng)新的磁共振成像技術和知識，是我們莫大的榮耀，”德國愛爾蘭根西門子醫(yī)療磁共振集團*執(zhí)行官Bernd Ohnesorge博士說，“我們將在現(xiàn)有研究成果的基礎上，進一步發(fā)展磁共振技術，以將從項目中獲取的經驗知識轉化為全新的磁共振技術，并適時用于患者的臨床診治。我們堅信，西門子與學術界的密切合作，將推進前沿醫(yī)療技術的研究，改善診斷和治療水平，并最終提升人類的健康水平。”

開發(fā)神經成像數(shù)據的分析和可視化顯示工具

為識別異常連接模式，西門子研究人員正在開發(fā)一種人腦的交互節(jié)點表示方式。在徑向顯示圖中，內圈中每個齒狀物均代表一個節(jié)點，弧線為節(jié)點之間的互連線。

若能更深入地了解重度抑郁癥（MDD）等神經障礙和老年性癡呆癥等神經退行性疾病，臨床治療將有望取得重大進展。認識人類大腦聯(lián)絡圖項目產生的大腦連接（連線）圖，可以加強對神經疾病的了解。由于聯(lián)絡圖項目利用專業(yè)的磁共振成像掃描儀生成了*的大量數(shù)據，且大部分來自于“靜息態(tài)”功能磁共振成像掃描（在受試者沒有明確任務時對整個大腦進行成像）和擴散磁共振成像掃描，現(xiàn)階段需要若干*技術來處理、分析并顯示這些數(shù)據信息。

為實現(xiàn)這一目標，位于新澤西州普林斯頓的西門子美國研究院的研究人員正在Mariappan S. Nadar博士的帶領下，努力開發(fā)一套工具，以此利用NIH聯(lián)絡圖項目研究成果開發(fā)出可用于臨床實踐的全新算法和軟件。最近，他們利用這些工具分析了靜息態(tài)功能磁共振成像，從中獲得了區(qū)分正常對照組與ADHD（注意力缺失過動癥）研究組的有利結果，相關算法采用的是靜息態(tài)功能磁共振掃描儀采集的數(shù)據和非成像數(shù)據。“采用此算法的出發(fā)點是，”Mariappan解釋說，“聯(lián)絡圖項目生成了大量的信息數(shù)據，我們可從中了解到大腦哪些部位與另一大腦部位交互以及彼此交互的強度。在我們的研究中，每個大腦部位均采用一個網絡節(jié)點表示，交互用邊線表示。節(jié)點是表示互連大腦部位的數(shù)學抽象，邊線表示連接各組大腦部位的連線。在我們按照這些連線建立數(shù)據庫的過程中，我們發(fā)現(xiàn)，A部位通常與B部位相連。缺少這種連接或者這種連接微弱說明存在潛在病癥，而存在‘通常不存在’的連接或者這種連接過強也說明存在潛在病癥。”

為促進并加快了解和識別異常模式，團隊成功開發(fā)了可視化顯示交互三維網絡的工具，從而令直觀的二維空間工作和三維空間導航變?yōu)楝F(xiàn)實。在徑向顯示圖（上圖）中，梳齒狀內圈中的每個齒狀物均代表三維網絡的一個節(jié)點，弧線為節(jié)點之間的互連線。外圈為節(jié)點簇層級。