神經(jīng)外科功能區(qū)定位技術(shù)助力“腦計劃”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，國家神經(jīng)系統(tǒng)疾病中心，北京 100050)

一、“腦計劃”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、運動等初級功能，并且還負(fù)責(zé)產(chǎn)生語言、認(rèn)知、情感、記憶、執(zhí)行等高級功能。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制是至關(guān)重要的。

一直以來，神經(jīng)科學(xué)、心理科學(xué)等方面的專家學(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、行使功能的工作機制。隨著神經(jīng)科學(xué)技術(shù)的長足發(fā)展，“腦計劃”已經(jīng)逐漸被各國提出并加以實施。

自2012年以來，先后由歐盟、美國等發(fā)達(dá)國家率先開展“腦計劃”的工作。2016年，我國也發(fā)布了“中國腦計劃”即“腦科學(xué)與類腦研究”戰(zhàn)略布局方案。該計劃共提出了九項主要任務(wù)，分別為：①統(tǒng)計大腦細(xì)胞類型；②建立大腦結(jié)構(gòu)圖；③開發(fā)大規(guī)模神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)記錄技術(shù)；④開發(fā)操作神經(jīng)環(huán)路的工具；⑤了解神經(jīng)細(xì)胞活動與個體行為之間的關(guān)系；⑥將神經(jīng)科學(xué)實驗與理論、模型、統(tǒng)計和計算進(jìn)行整合；⑦描述人類大腦成像技術(shù)的機制；⑧建立人類數(shù)據(jù)的收集機制；⑨神經(jīng)科學(xué)的知識傳播與培訓(xùn)。該計劃的最終目標(biāo)是真正理解神經(jīng)活動的環(huán)路和模式，了解智力活動和行為模式，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手術(shù)接觸到大腦的學(xué)科，具有獨特的資源和技術(shù)手段。因此，神經(jīng)外科在“腦計劃”中的作用是至關(guān)重要的。

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)可作為無創(chuàng)技術(shù)對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，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)特點和功能連接特點。利用腦網(wǎng)絡(luò)屬性作為分析指標(biāo)，對不同組別的被試進(jìn)行分析，可有效地揭示各個神經(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制。

2.電生理技術(shù)：目前常用的腦功能監(jiān)測電生理技術(shù)主要包括：體感誘發(fā)電位(somatosensory evoked potential, SEP)，運動誘發(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)主要是通過對比分析不同神經(jīng)功能環(huán)路(或不同位置)的電信號在工作狀態(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言、運動等重要功能區(qū)。通過功能影像學(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)行驗證是實現(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“腦計劃”中的應(yīng)用價值

功能區(qū)定位技術(shù)在“腦計劃”中發(fā)揮重要作用，可幫助繪制和驗證人腦宏觀神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)圖譜。通過綜合不同影像技術(shù)，我們對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)路改變機制。在患者中，task-fMRI和rest-fMRI技術(shù)被用來探索疾病帶來的腦功能網(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“腦計劃”擬構(gòu)建的人腦神經(jīng)環(huán)路是有力的驗證。目前應(yīng)用主要為精確定位感覺運動功能、語言功能及部分高級認(rèn)知功能。例如，利用直接皮層電刺激觀察與語言功能相關(guān)的皮質(zhì)及皮質(zhì)下結(jié)構(gòu)。

皮層腦電對于癲癇的研究具有其獨特的優(yōu)勢。目前，利用皮層腦電及腦代謝影像序列對癲癇患者的發(fā)病位置、發(fā)病機制的研究，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，腦功能定位技術(shù)在“腦計劃”中的作用是舉足輕重的。盡管現(xiàn)在已取得了初步的成果，但距離實現(xiàn)完成“腦計劃”的目標(biāo)尚有很長的路要走。

四、功能區(qū)定位技術(shù)在“腦計劃”中的未來發(fā)展方向

結(jié)合我國“腦計劃”提出的具體任務(wù)目標(biāo)，功能區(qū)定位技術(shù)在“腦計劃”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，探索腦功能重塑機制；②實現(xiàn)對疾病腦神經(jīng)功能環(huán)路及其重塑形式的個體化預(yù)測。

目前，對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)路以及血流動力學(xué)的改變。這些變化會降低影像學(xué)功能定位的準(zhǔn)確度。同時，神經(jīng)電生理技術(shù)驗證神經(jīng)環(huán)路的過程中，需要手術(shù)團隊和患者的高度默契的配合。手術(shù)中功能監(jiān)測使用任務(wù)的設(shè)計，是驗證相關(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)路會實時再分布。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，對于了解腦功能重塑機制具有關(guān)鍵作用。

隨著人工智能技術(shù)、腦機接口設(shè)備的不斷發(fā)展，利用人工智能算法預(yù)測個體化神經(jīng)功能環(huán)路的分布情況已逐漸成為可能。針對某些特定的神經(jīng)功能環(huán)路，通過大數(shù)據(jù)來預(yù)測分析，很可能實現(xiàn)個體化的神經(jīng)功能環(huán)路分布預(yù)測。

綜上，神經(jīng)外科常用的腦功能區(qū)定位技術(shù)對揭示人腦重要神經(jīng)環(huán)路具有不可替代的作用，對推動“腦計劃”的順利實施有著巨大的應(yīng)用價值。加快發(fā)展并實踐更為精準(zhǔn)的腦功能區(qū)定位技術(shù)，是“腦計劃”實施過程中的下一個重要目標(biāo)。