中國人腦圖譜的現狀、進展及展望

李坤成，梁佩鵬

(1.首都醫(yī)科大學宣武醫(yī)院放射科，北京 100053；2.磁共振成像腦信息學北京市重點實驗室，北京 100053；3.首都師范大學心理學院，北京 100048)

目前，意識的起源、智力的物質基礎仍是人類的未解之謎；同時，嚴重危害人類健康的神經、精神疾病日漸增多，大腦結構和功能的正常狀態(tài)及大腦發(fā)育、發(fā)展和退化規(guī)律仍不清楚。因此，深入研究正常人和病理狀態(tài)下的腦內信息加工過程，對于研究腦、認識腦、保護腦和開發(fā)腦均有重要意義，已成為當今國際前沿熱點研究領域。腦成像技術是研究上述問題的重要途徑，而從整體、系統(tǒng)水平構建活體、多模態(tài)、數字化的正常人“標準腦圖譜”是解決這些問題的核心之一。人類腦圖譜的構建和應用屬于腦與認知科學的基礎設施建設。借助腦圖譜這一標準參考空間，研究者可以比較或綜合不同模態(tài)、不同大腦狀態(tài)(健康或疾病)、世界各地不同實驗室的腦成像結果[1]。

最早應用于研究的腦圖譜是由Talairach和Tournoux于1988年共同完成的Talairach腦圖譜，該圖譜的數據來自1具56歲法國婦女尸體，應用布羅德曼分區(qū)作為腦區(qū)的標簽，坐標系統(tǒng)為Talairach坐標，又稱之為Talairach空間。布羅德曼分區(qū)是一個根據細胞結構將大腦皮層劃分為一系列解剖區(qū)域的系統(tǒng)，最早由Korbinian Brodmann提出，包括每個半球的52個區(qū)域。Talairach坐標系統(tǒng)是一種人大腦的三維坐標系統(tǒng)，以圖形標示大腦結構的位置，由于應用映射變換，故基本不受腦大小和腦整體形狀個體差異的影響。基于Talairach腦圖譜，來源于MRI、PET和其他影像學方法的個體圖像可方便地標記到Talairach標準空間，進而推斷腦區(qū)部位[2]。

蒙特利爾神經學研究所(montreal neurological institute， MNI)構建了一系列腦模板，包括MNI305、MNI152和MNI452等，其中MNI152應用最廣泛[3]，此標準腦圖譜來自152名年輕成人的高空間分辨率腦圖像數據，與Talairach圖譜不同，屬于活體概率腦圖譜。MNI的研究者將這些大腦通過仿射轉換后與MNI305圖譜進行對應，再將這152個大腦數據進行平均，得到了更清晰、精確的腦標準模板。該模板是腦成像國際聯(lián)盟(International Consortium for Brain Mapping， ICBM)公認模板，故也被稱為ICBM152模板，目前大部分神經成像研究采用該模板。為得到更加清晰的腦圖譜，MNI對1位研究人員Colin Holmes進行了27次大腦掃描，再將這些掃描數據與MNI305進行配準，然后進行平均獲得了更加清晰和精確腦圖譜，稱之為柯林-27標準大腦圖譜[4]。目前，許多基于MNI大腦模板的神經成像結果均是基于柯林-27圖譜顯示。

然而，不同人群(按照年齡、性別、種族等)的大腦存在顯著形態(tài)學差異，包括大腦的形狀和尺寸。已有的腦圖譜或來源于個別尸體解剖資料(如Talairach腦圖譜)、或來源單個或小規(guī)模樣本(如MNI152等)，當其應用于不同年齡段、不同性別及不同種群時，可能產生較大的偏差，已成為制約腦功能和結構研究的主要問題之一。

由于缺少統(tǒng)一的正常中國人標準腦圖譜，因此，在既往腦科學研究和應用中，只能將中國人的腦圖像配準到西方人的標準腦圖譜。由于東西方人的大腦形態(tài)存在顯著差異，因而常導致腦功能和結構定位的誤差甚至錯誤。因而，迫切需要研發(fā)中國人的腦圖譜以支持針對中國人的神經科學研究和臨床應用。

首都醫(yī)科大學宣武醫(yī)院放射科李坤成教授團隊與合作者，開發(fā)了中國人3D結構腦圖譜，命名為“Chinese2020”，并定義了中國人標準腦空間，標記了相應的AAL腦區(qū)，且為不同年齡段和性別的中國人群構建了概率腦圖譜[5]。該腦圖譜基于一組多中心大規(guī)模數據，因而具有廣泛的代表性，可提供關于中國人群客觀、準確的影像學信息；同時，該腦圖譜是動態(tài)的，針對不同年齡、性別有不同的腦圖譜，因而可支持進行有關大腦發(fā)育、老化理論的驗證和比較。對于中國人群的腦成像研究，與配準到西方人腦圖譜相比，配準到Chinese2020的形變更小，功能和結構定位的灰質占比更高；與基于AAL圖譜的海馬分割相比較，基于Chinese2020的分割準確率更高。以上結果說明，Chinese2020可更好地表征中國人群的大腦形態(tài)學特征。目前，Chinese2020已可供全球研究人員免費下載使用(www.chinese-brain-atlases.org)，是首個實際可用的中國人3D結構腦圖譜。Chinese2020已被應用于阿爾茨海默病[6]、帕金森病、腦血管病、睡眠障礙等神經精神疾病的影像學研究，被用于靜息態(tài)/任務態(tài)功能MRI[7]、形態(tài)學分析等多模態(tài)MRI數據分析，部分內容也可見本期專題文章。

為構建更為精細的中國人3D結構腦圖譜以及構建中國人白質纖維腦圖譜，首都醫(yī)科大學宣武醫(yī)院牽頭(李坤成教授為PI)發(fā)起了一項新的中國人腦結構圖譜多中心、多學科研究。本多中心項目采用Siemens Prisma3.0T高端MRI儀及64通道頭線圈，目前已完成收集1000名健康志愿者(18歲以上)的多模態(tài)MRI數據，正處于數據分析階段，將構建和發(fā)布更為精細的中國人3D結構腦圖譜和白質纖維腦圖譜。

不同年齡、疾病狀態(tài)等均應有不同的腦圖譜，故針對中國人的腦圖譜也應對應不同年齡、疾病狀態(tài)等，構建由不同腦圖譜組成的腦圖譜庫。后續(xù)的工作還應包括：①中國兒童腦圖譜的構建，以用于腦發(fā)育研究；但由于配合程度、資金、倫理等問題，制作兒童腦圖譜的難度較大；②考慮到中國人(蒙古人種的代表)與西方高加索人(白種人)的腦結構有明顯差異，而中國維吾爾族的主要基因來源是高加索人(白種人)，因此，今后若能構建中國維吾爾族成人腦圖譜，則更便于與漢族比較；③至今尚不清楚缺氧是否造成居住在高海拔地區(qū)人群的腦功能和結構發(fā)生改變，故居住在高原地區(qū)人群可能與低海拔地區(qū)人群的腦結構存在差異，因此，有必要構建高原地區(qū)成人腦圖譜；④由于與大腦比較，小腦結構和功能均簡單，故目前國內外僅有大腦圖譜，但小腦在許多正常和疾病腦功能方面(尤其靜態(tài)腦連接)發(fā)揮重要作用，因此有必要構建中國人小腦圖譜；⑤針對嚴重影響人民群眾健康和生命的重大腦疾病，應逐個構建專門疾病腦模板，有可能配合遠程影像學、大數據、云計算、人工智能等新技術的進展，將之應用于臨床工作。