蔣田仔 中國科學院自動化研究所腦網(wǎng)絡組研究中心主任

腦網(wǎng)絡組圖譜

人類腦圖譜構(gòu)建的發(fā)展歷程

　 　腦是人體最為復雜的器官。長期以來，人類對腦的結(jié)構(gòu)和功能進行了大量的研究。如果想知道大腦是如何工作的，就必須有一個腦圖譜，為復雜的腦部研究進行 “導航”。因此，腦圖譜一直以來都是研究腦結(jié)構(gòu)和功能及腦疾病的重要手段。從文藝復興時期的著名解剖學家維薩里對大腦結(jié)構(gòu)進行詳細的描述開始，大量的神經(jīng) 解剖描述，圖片和影像陸續(xù)出現(xiàn)。隨著技術(shù)的不斷進步和研究的不斷深入，各式各樣的腦圖譜層出不窮，人類腦圖譜已經(jīng)由早期的印刷版二維腦圖譜發(fā)展到現(xiàn)在的數(shù) 字化三維、四維腦圖譜；由基于標本斷面切片數(shù)據(jù)發(fā)展到基于活體影像學數(shù)據(jù)構(gòu)建的圖譜；由僅具有個體腦解剖結(jié)構(gòu)信息的單一圖譜到包含群體解剖結(jié)構(gòu)及功能信息 的多模態(tài)腦圖譜。在不同的時期，出現(xiàn)了一些里程碑式的腦圖譜，包括布羅德曼腦圖譜、Talairach立體腦圖譜、于利希細胞構(gòu)筑腦圖譜等。腦圖譜的出現(xiàn) 和不斷完善對腦科學基礎(chǔ)及臨床研究具有重要的意義。

　　但是，目前已被廣泛應用的腦圖譜尚存在一些明顯的不足之處：先前許多腦圖譜的分區(qū)是 依照大體解剖標志來劃分的，很難與腦功能分區(qū)相對應。此外，由于人腦分區(qū)數(shù)量多、功能復雜，個體之間變異大，腦區(qū)之間的邊界及其復雜的連接關(guān)系難以確定， 再加之過去影像設備獲取的圖像分辨率低及層厚較厚等因素，腦區(qū)分區(qū)標準尚未統(tǒng)一，而且對于功能復雜腦區(qū)的功能亞區(qū)邊界劃分也不明確。近些年來，隨著超薄切 片技術(shù)、染色技術(shù)以及顯微觀察技術(shù)的進步，基于細胞構(gòu)筑的腦解剖結(jié)構(gòu)研究得到了進一步的發(fā)展，特別是隨著活體影像采集設備和計算機圖像和圖形技術(shù)的發(fā)展， 使得人們能夠在獲取大樣本數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對人腦進行結(jié)構(gòu)和功能區(qū)劃分，為完善和發(fā)展更為細致的腦圖譜提供了技術(shù)基礎(chǔ)。腦網(wǎng)絡組圖譜 （Brainnetome Atlas）就是在這樣的背景下發(fā)展起來的。

　　建立腦網(wǎng)絡組圖譜的新思想起源于腦科學和腦疾病研究的迫切需求 和現(xiàn)有腦圖譜存在的本質(zhì)問題。例如，有些腦圖譜未考慮個體變異，基于細胞構(gòu)筑學構(gòu)建的腦圖譜仍然是對尸體標本的研究，許多腦區(qū)的劃分依據(jù)大體解剖標志，許 多功能復雜腦區(qū)的功能亞區(qū)的邊界不明確，而且以上腦圖譜基本上是來源于西方人的數(shù)據(jù)，不具備東方人的特征。研究表明，由于人種和生長環(huán)境的影響，東西方人 腦會有比較顯著的差別，假如我們直接把上述的腦圖譜作為標準腦模板的話，研究結(jié)果可能會出現(xiàn)一些偏差。近年來，隨著腦影像數(shù)據(jù)采集設備和技術(shù)的進步，比如 高場強磁共振成像在活體上的應用，特別是彌散張量成像技術(shù)的發(fā)展，為腦網(wǎng)絡組圖譜的繪制提供了技術(shù)基礎(chǔ)�；�于國際上腦圖譜的發(fā)展及我們團隊的研究積累，我 們提出了利用腦連接信息而不是傳統(tǒng)的形態(tài)信息構(gòu)建腦圖譜的新思想，建立了構(gòu)建新一代腦圖譜的理論和方法體系，在此基礎(chǔ)上, 提出了針對不同腦區(qū)的亞區(qū)劃分方案，實現(xiàn)了全腦尺度的腦區(qū)亞區(qū)的精細劃分并明確其連接圖譜。腦網(wǎng)絡組圖譜比現(xiàn)有腦圖譜既具有更精細的腦區(qū)劃分，又具有不同 亞區(qū)解剖與功能連接模式的全新活體人類腦圖譜。相較于傳統(tǒng)解剖學方法構(gòu)建的腦圖譜，如于利希細胞構(gòu)筑腦圖譜（其仍然是基于尸體標本的研究，構(gòu)建周期長、耗 時耗力，近20年的研究，僅完成70%的腦區(qū)，而且僅包含局部分區(qū)信息），首版腦網(wǎng)絡組圖譜包含了共252個大腦皮層腦區(qū)與皮層下核團結(jié)構(gòu)，而且在體定量 描繪不同腦區(qū)亞區(qū)的解剖與功能連接模式，并對每個亞區(qū)進行了細致的功能描述。腦網(wǎng)絡組圖譜的構(gòu)建將引領(lǐng)人類腦圖譜未來發(fā)展從標本走向活體，從粗糙走向精 細，從單一的解剖結(jié)構(gòu)描述到集成結(jié)構(gòu)、功能和連接模式等多種知識的綜合描述，為實現(xiàn)腦科學和腦疾病研究的源頭創(chuàng)新提供基礎(chǔ)。

　　腦網(wǎng)絡組圖 譜也是腦網(wǎng)絡組（Brainnetome）的核心內(nèi)容。腦網(wǎng)絡組是以腦網(wǎng)絡為基本單元的組學，它包括腦網(wǎng)絡的節(jié)點和連接兩個基本要素。研究內(nèi)容包括利用各 種成像技術(shù)及電生理技術(shù)在宏觀、介觀及微觀尺度上建立人腦和動物腦的腦區(qū)、神經(jīng)元群或神經(jīng)元之間的連接圖（腦網(wǎng)絡），在此基礎(chǔ)上研究腦網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)、腦網(wǎng) 絡的動力學屬性、腦功能及功能異常的腦網(wǎng)絡表征、腦網(wǎng)絡的遺傳基礎(chǔ)，并對腦網(wǎng)絡進行建模和仿真，以及實現(xiàn)這些目標所要的超級計算平臺。腦網(wǎng)絡組的研究目標 是從腦網(wǎng)絡的連接模式及其演變規(guī)律闡明腦的工作機理及腦疾病的發(fā)生和發(fā)展機制，為研究人腦內(nèi)部復雜的信息處理過程與高效的組織模式提供有效的途徑，為理解 腦的信息處理過程及腦的高級功能開辟新途徑，為實現(xiàn)類腦計算和的智能技術(shù)奠定基礎(chǔ)。腦網(wǎng)絡組與國際上流行的連接組（connectome）有本質(zhì)的區(qū)別， 連接組只關(guān)注腦網(wǎng)絡的連接，而腦網(wǎng)絡組不僅強調(diào)腦網(wǎng)絡的連接的重要性，而且強調(diào)腦網(wǎng)絡節(jié)點的重要性。腦網(wǎng)絡組是迄今最復雜的組學，因為腦網(wǎng)絡的節(jié)點和連接 可以在微觀、介觀和宏觀尺度上進行研究，在微觀尺度上腦網(wǎng)絡節(jié)點就是神經(jīng)細胞，在介觀尺度上腦網(wǎng)絡節(jié)點就是具有某種共同特性的神經(jīng)細胞群，在宏觀尺度上腦 網(wǎng)絡節(jié)點就是不同的腦區(qū)。無論在什么尺度上，腦網(wǎng)絡節(jié)點的確定都面臨巨大挑戰(zhàn)，美國腦計劃的第一項研究內(nèi)容就是確定神經(jīng)元的類型，為研究神經(jīng)元網(wǎng)絡和環(huán)路 及確定微觀和介觀尺度的腦網(wǎng)絡節(jié)點奠定基礎(chǔ)，而腦網(wǎng)絡組圖譜為確定宏觀尺度上腦網(wǎng)絡節(jié)點提供新途徑。

　　在“973”項目“基于影像的腦網(wǎng) 絡及其臨床應用”、國家自然科學基金委和中國科學院先導專項的資助下，我們在腦網(wǎng)絡組圖譜的繪制和應用方面取得了重要進展。首先，在計算理論與方法方面, 建立了腦圖譜構(gòu)建所需的腦亞區(qū)劃分方法體系，解決了亞區(qū)邊界自動確定等一系列現(xiàn)有方法所面臨的問題。其次，對一些特性各異的腦區(qū)提出了針對性的腦區(qū)劃分方 案，并從不同角度進行了驗證，增進了對這些腦區(qū)的認識，為腦圖譜的構(gòu)建奠定了基礎(chǔ)。在此基礎(chǔ)上完成了全腦尺度上腦區(qū)功能亞區(qū)劃分以及多模態(tài)連接模式繪制， 所有的研究成果都將會在腦網(wǎng)絡組圖譜門戶網(wǎng)站（http://atlas.brainnetome.org）上，以在線顯示以及軟件下載的方式提供給相關(guān) 研究領(lǐng)域的科研人員使用。

　　腦網(wǎng)絡組圖譜將成為腦科學和腦疾病研究的新領(lǐng)域，未來圍繞腦網(wǎng)絡組圖譜將會涌現(xiàn)出許多新的研究方向。例如，腦 網(wǎng)絡組圖譜中每個亞區(qū)的功能確定需要認知科學、心理學和腦影像學等學科的聯(lián)合研究，將會成為這些學科的共同科學前沿；利用腦網(wǎng)絡組圖譜研究不同的腦疾病， 繪制神經(jīng)精神疾病的腦網(wǎng)絡組圖譜的異常模式，以便發(fā)現(xiàn)腦疾病早期診斷和療效評價的生物標志；利用腦網(wǎng)絡組圖譜進行神經(jīng)外科手術(shù)導航、病灶定位和腦功能保 護；腦網(wǎng)絡組圖譜為類腦計算和類腦智能系統(tǒng)設計提供新的科學依據(jù)，已經(jīng)引起該領(lǐng)域的高度重視；此外，腦網(wǎng)絡組圖譜的研究也會引發(fā)新技術(shù)和新設備的研發(fā)�？� 之，腦網(wǎng)絡組圖譜將會成為腦科學和腦疾病研究的利器，將成為解剖學、神經(jīng)科學、認知科學、神經(jīng)心理學、神經(jīng)病學、精神病和信息科學等學科的共同科學前沿， 為腦科學和腦疾病及類腦計算和智能技術(shù)的研究帶來革命性變化。（樊令仲系中國科學院自動化研究所腦網(wǎng)絡組研究中心副研究員）