神經(jīng)外科功能區(qū)定位技術(shù)助力“腦計(jì)劃”研究

江濤

(北京市神經(jīng)外科研究所，首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京天壇醫(yī)院神經(jīng)外科，國(guó)家神經(jīng)系統(tǒng)疾病中心，北京 100050)

一、“腦計(jì)劃”的任務(wù)

大腦由于其結(jié)構(gòu)精細(xì)、功能復(fù)雜，因此是人體最精密、最復(fù)雜的器官。它不僅產(chǎn)生并控制人體感覺(jué)、運(yùn)動(dòng)等初級(jí)功能，并且還負(fù)責(zé)產(chǎn)生語(yǔ)言、認(rèn)知、情感、記憶、執(zhí)行等高級(jí)功能。腦功能的生理學(xué)結(jié)構(gòu)是腦區(qū)及神經(jīng)功能環(huán)路。在病理狀態(tài)下，相對(duì)應(yīng)的神經(jīng)功能可能由于神經(jīng)元及神經(jīng)細(xì)胞的損傷而發(fā)生改變或代償。因此，充分揭示腦功能的類(lèi)型、腦功能區(qū)以及神經(jīng)功能環(huán)路的分布、神經(jīng)功能的損傷與代償機(jī)制是至關(guān)重要的。

一直以來(lái)，神經(jīng)科學(xué)、心理科學(xué)等方面的專(zhuān)家學(xué)者們始終致力于探索并揭示大腦的工作原理，及其處理信息、行使功能的工作機(jī)制。隨著神經(jīng)科學(xué)技術(shù)的長(zhǎng)足發(fā)展，“腦計(jì)劃”已經(jīng)逐漸被各國(guó)提出并加以實(shí)施。

自2012年以來(lái)，先后由歐盟、美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家率先開(kāi)展“腦計(jì)劃”的工作。2016年，我國(guó)也發(fā)布了“中國(guó)腦計(jì)劃”即“腦科學(xué)與類(lèi)腦研究”戰(zhàn)略布局方案[1]。該計(jì)劃共提出了九項(xiàng)主要任務(wù)，分別為：①統(tǒng)計(jì)大腦細(xì)胞類(lèi)型；②建立大腦結(jié)構(gòu)圖；③開(kāi)發(fā)大規(guī)模神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)記錄技術(shù)；④開(kāi)發(fā)操作神經(jīng)環(huán)路的工具；⑤了解神經(jīng)細(xì)胞活動(dòng)與個(gè)體行為之間的關(guān)系；⑥將神經(jīng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)與理論、模型、統(tǒng)計(jì)和計(jì)算進(jìn)行整合；⑦描述人類(lèi)大腦成像技術(shù)的機(jī)制；⑧建立人類(lèi)數(shù)據(jù)的收集機(jī)制；⑨神經(jīng)科學(xué)的知識(shí)傳播與培訓(xùn)[2]。該計(jì)劃的最終目標(biāo)是真正理解神經(jīng)活動(dòng)的環(huán)路和模式[3]，了解智力活動(dòng)和行為模式，為診治神經(jīng)和精神疾病奠定基礎(chǔ)。

盡管目前制定的研究策略是主要通過(guò)研究神經(jīng)內(nèi)科以及精神方面的疾病揭示腦功能連接環(huán)路。神經(jīng)外科作為唯一能夠直接通過(guò)手術(shù)接觸到大腦的學(xué)科，具有獨(dú)特的資源和技術(shù)手段。因此，神經(jīng)外科在“腦計(jì)劃”中的作用是至關(guān)重要的[4]。

二、功能區(qū)定位技術(shù)

利用腦功能區(qū)的定位技術(shù)準(zhǔn)確地揭示各神經(jīng)功能環(huán)路的分布以及在疾病狀態(tài)下神經(jīng)功能環(huán)路的變化具有重要的作用和價(jià)值。目前常用的功能區(qū)定位技術(shù)主要包括影像學(xué)定位技術(shù)和電生理技術(shù)。

1. 影像學(xué)技術(shù)：現(xiàn)有的應(yīng)用于功能區(qū)定位的影像學(xué)技術(shù)包括：給予血氧水平的任務(wù)態(tài)功能磁共振(task functional magnetic resonance imaging, task-fMRI)及靜息態(tài)功能磁共振(rest functional magnetic resonance imaging, rest-fMRI)、彌散張量成像(diffusion tensor imaging, DTI)及纖維追蹤技術(shù)(fiber tractography, FT)、腦代謝功能成像技術(shù)以及基于腦網(wǎng)絡(luò)水平的組學(xué)分析技術(shù)。這些技術(shù)可作為無(wú)創(chuàng)技術(shù)對(duì)正常人群及患有各種神經(jīng)功能疾病的患者進(jìn)行研究。不同的磁共振序列具有各自的成像特點(diǎn)，因此將不同序列組合成多模態(tài)的影像學(xué)分析可充分揭示腦皮質(zhì)、皮質(zhì)下結(jié)構(gòu)的解剖學(xué)特點(diǎn)和功能連接特點(diǎn)。利用腦網(wǎng)絡(luò)屬性作為分析指標(biāo)，對(duì)不同組別的被試進(jìn)行分析，可有效地揭示各個(gè)神經(jīng)功能環(huán)路的分布和連接情況，以及進(jìn)一步研究其自身的工作機(jī)制。

2. 電生理技術(shù)：目前常用的腦功能監(jiān)測(cè)電生理技術(shù)主要包括：體感誘發(fā)電位(somatosensory evoked potential, SEP)，運(yùn)動(dòng)誘發(fā)電位(motion evoked potential, MEP)，皮質(zhì)腦電技術(shù)(electrocorticogram, ECoG)等技術(shù)。這些技術(shù)主要是通過(guò)對(duì)比分析不同神經(jīng)功能環(huán)路(或不同位置)的電信號(hào)在工作狀態(tài)下與靜息狀態(tài)下的差異，揭示腦功能區(qū)及神經(jīng)功能環(huán)路的分布情況。此外，經(jīng)顱磁刺激和直接皮層電刺激技術(shù)在國(guó)內(nèi)的逐步發(fā)展，為腦功能區(qū)定位提供了新的研究方向。直接皮層電刺激也是目前功能區(qū)定位的“金標(biāo)準(zhǔn)”，能夠精確定位患者的語(yǔ)言、運(yùn)動(dòng)等重要功能區(qū)。通過(guò)功能影像學(xué)分析可能潛在的神經(jīng)環(huán)路并充分利用電生理手段進(jìn)行驗(yàn)證是實(shí)現(xiàn)解釋神經(jīng)功能環(huán)路分布的主要研究思路。

三、功能區(qū)定位技術(shù)在“腦計(jì)劃”中的應(yīng)用價(jià)值

功能區(qū)定位技術(shù)在“腦計(jì)劃”中發(fā)揮重要作用，可幫助繪制和驗(yàn)證人腦宏觀(guān)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)圖譜。通過(guò)綜合不同影像技術(shù)，我們對(duì)于正常人群的大腦皮質(zhì)功能分布情況已經(jīng)有了初步的掌握。利用task-fMRI和rest-fMRI技術(shù)，適用于正常人群的腦功能皮質(zhì)分布圖譜不斷完善。通過(guò)在rest-fMRI和DTI序列中分析腦區(qū)之間的連接屬性，初步揭示了部分神經(jīng)及精神疾病的神經(jīng)環(huán)路改變機(jī)制。在患者中，task-fMRI和rest-fMRI技術(shù)被用來(lái)探索疾病帶來(lái)的腦功能網(wǎng)絡(luò)代償方式。

經(jīng)顱磁刺激技術(shù)和直接皮質(zhì)電刺激技術(shù)也被更多應(yīng)用到神經(jīng)外科的術(shù)前功能定位。皮層刺激是功能定位的金標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)“腦計(jì)劃”擬構(gòu)建的人腦神經(jīng)環(huán)路是有力的驗(yàn)證。目前應(yīng)用主要為精確定位感覺(jué)運(yùn)動(dòng)功能、語(yǔ)言功能及部分高級(jí)認(rèn)知功能。例如，利用直接皮層電刺激觀(guān)察與語(yǔ)言功能相關(guān)的皮質(zhì)及皮質(zhì)下結(jié)構(gòu)[5]。

皮層腦電對(duì)于癲癇的研究具有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。目前，利用皮層腦電及腦代謝影像序列對(duì)癲癇患者的發(fā)病位置、發(fā)病機(jī)制的研究，也已取得了部分成果。例如，研究發(fā)現(xiàn)顳葉鉤回及海馬的硬化與癲癇的發(fā)病相關(guān)。

可見(jiàn)，腦功能定位技術(shù)在“腦計(jì)劃”中的作用是舉足輕重的。盡管現(xiàn)在已取得了初步的成果，但距離實(shí)現(xiàn)完成“腦計(jì)劃”的目標(biāo)尚有很長(zhǎng)的路要走。

四、功能區(qū)定位技術(shù)在“腦計(jì)劃”中的未來(lái)發(fā)展方向

結(jié)合我國(guó)“腦計(jì)劃”提出的具體任務(wù)目標(biāo)，功能區(qū)定位技術(shù)在“腦計(jì)劃”中的發(fā)展方向應(yīng)主要集中在以下兩方面：①充分揭示正常腦神經(jīng)功能環(huán)路的分布，探索腦功能重塑機(jī)制；②實(shí)現(xiàn)對(duì)疾病腦神經(jīng)功能環(huán)路及其重塑形式的個(gè)體化預(yù)測(cè)。

目前，對(duì)于正常人群和部分神經(jīng)及精神疾病患者的神經(jīng)功能環(huán)路分布的研究已初具規(guī)模，但是對(duì)于神經(jīng)外科所特有的疾病，如顱腦腫瘤、顱腦創(chuàng)傷等疾病的研究仍處于起步階段。研究難點(diǎn)主要在于顱內(nèi)占位造成腦組織結(jié)構(gòu)、功能環(huán)路以及血流動(dòng)力學(xué)的改變。這些變化會(huì)降低影像學(xué)功能定位的準(zhǔn)確度。同時(shí)，神經(jīng)電生理技術(shù)驗(yàn)證神經(jīng)環(huán)路的過(guò)程中，需要手術(shù)團(tuán)隊(duì)和患者的高度默契的配合。手術(shù)中功能監(jiān)測(cè)使用任務(wù)的設(shè)計(jì)，是驗(yàn)證相關(guān)神經(jīng)功能環(huán)路的基礎(chǔ)。在病理狀態(tài)下，某些神經(jīng)環(huán)路會(huì)實(shí)時(shí)再分布。綜合各種腦功能定位技術(shù)，全面了解不同疾病的神經(jīng)功能環(huán)路再分布情況，對(duì)于了解腦功能重塑機(jī)制具有關(guān)鍵作用。

隨著人工智能技術(shù)、腦機(jī)接口設(shè)備的不斷發(fā)展，利用人工智能算法預(yù)測(cè)個(gè)體化神經(jīng)功能環(huán)路的分布情況已逐漸成為可能。針對(duì)某些特定的神經(jīng)功能環(huán)路，通過(guò)大數(shù)據(jù)來(lái)預(yù)測(cè)分析，很可能實(shí)現(xiàn)個(gè)體化的神經(jīng)功能環(huán)路分布預(yù)測(cè)。

綜上，神經(jīng)外科常用的腦功能區(qū)定位技術(shù)對(duì)揭示人腦重要神經(jīng)環(huán)路具有不可替代的作用，對(duì)推動(dòng)“腦計(jì)劃”的順利實(shí)施有著巨大的應(yīng)用價(jià)值。加快發(fā)展并實(shí)踐更為精準(zhǔn)的腦功能區(qū)定位技術(shù)，是“腦計(jì)劃”實(shí)施過(guò)程中的下一個(gè)重要目標(biāo)。