基于MRI的人與獼猴顳上回聽覺區(qū)的同源性研究

柴靜文，王千山，姚蓉，王玥，李斌強(qiáng)，李海芳

作者單位：太原理工大學(xué)信息與計算機(jī)學(xué)院，太原 030000

感覺系統(tǒng)的功能是對外界環(huán)境進(jìn)行快速有效地感知并確定感覺信息的來源。靈長類動物顳上回(superior temporal gyrus，STG)是位于顳葉上部的一道溝壑，是處理聽覺訊息的中樞。其中人類的聽覺皮層位于顳葉皮層，獼猴聽覺皮層的范圍是從核心聽覺區(qū)到顳上回前側(cè)(rostral superior temporal gyrus，STGr)和顳極背側(cè)[1]。人類和獼猴利用聲音信號來參與社會互動，當(dāng)施加聲音刺激后發(fā)現(xiàn)獼猴在顳上回區(qū)域?qū)β曇舯憩F(xiàn)出與人類相似的反應(yīng)[2]，并且獼猴顳上回的belt區(qū)域關(guān)注認(rèn)知功能[3]，這與人類的顳上回可能有對應(yīng)關(guān)系[4-5]。顳上回一直被視為大腦中聽覺和言語的重要樞紐，受損時可能會導(dǎo)致聽覺性失語癥。因此，研究顳上回區(qū)域及其包含的聽覺功能對聽覺模式的理解是有重要意義的。

雖然獼猴與人類的諸多特征具有相似性，但在形態(tài)、功能等方面也存在著較大的進(jìn)化差異[6-7]。因此，動物實驗結(jié)論在物種間推廣的可行性需要經(jīng)過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目缥锓N比較分析。連接性是對一個區(qū)域如何連接到其他大腦區(qū)域的描述[8]。目前已有文獻(xiàn)基于連接的聚類方法推斷人類與獼猴組織原則的相似性[9]；連接指紋概念提供了一個比較不同大腦皮層區(qū)域的連接性的新方法，用連接模式表征大腦皮層區(qū)域[10]。已有研究基于連接對人類和獼猴進(jìn)行跨物種比較推測出人類和獼猴的同源區(qū)[11-12]，但是關(guān)于顳上回區(qū)域人類和獼猴的同源性仍有待研究。

本研究利用彌散張量成像(diffusion tensor imaging，DTI)數(shù)據(jù)，并輔以纖維束追蹤的處理技術(shù)，基于大腦感興趣區(qū)域(region of interest，ROI)與目標(biāo)區(qū)域建立腦區(qū)之間的連接。利用連接指紋比較方法對人類和獼猴顳上回區(qū)域的結(jié)構(gòu)連接模式進(jìn)行深入研究，有助于從連接模式的角度探究兩個物種之間的同源性，為探索人類特有高級認(rèn)知功能和獼猴動物模型相關(guān)研究的精準(zhǔn)展開提供支持，為替代性實驗提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 感興趣區(qū)域提取

人類腦影像數(shù)據(jù)來源于人腦連接組項目(Human Connectome Project)數(shù)據(jù)中心，原始數(shù)據(jù)可以從網(wǎng)站https://db.humanconnectome.org/下載，該研究遵照赫爾辛基宣言的最新版本。經(jīng)過數(shù)據(jù)清理，去除含缺失值或極端值的數(shù)據(jù)，研究選取了22 例年輕健康成年人作為被試，其中男13 例，女9 例，年齡22～35 歲。選擇的腦影像數(shù)據(jù)是彌散張量成像數(shù)據(jù)和結(jié)構(gòu)磁共振成像(structural magnetic resonance imaging，sMRI)數(shù)據(jù)。其中DTI 數(shù)據(jù)包括多梯度的1.25 mm 各向同性數(shù)據(jù)，sMRI 數(shù)據(jù)包括0.7 mm 高分辨率的各向同性T1 加權(quán)成像數(shù)據(jù)和T2 加權(quán)成像數(shù)據(jù)。具體采集參數(shù)為：T1W：TE=2.14 ms，TR=2400 ms，TI=1000 ms，翻 轉(zhuǎn) 角=7°，體 素 分 辨 率 為0.7 mm×0.7 mm×0.7 mm；DTI：TE=89.5 ms，TR=5520 ms，彌散加權(quán)b值1000 s/mm2，2000 s/mm2，3000 s/mm2。

獼猴腦影像數(shù)據(jù)源于加利福尼亞大學(xué)戴維斯分校神經(jīng)科學(xué)中心UC Davis，原始數(shù)據(jù)可以從網(wǎng)站http://fcon_1000.projects.nitrc.org/indi/PRIMEdownloads.html下載[13]，飼養(yǎng)的獼猴符合UC-Davis IACUC 道德認(rèn)證，且該數(shù)據(jù)的采集實驗得到了當(dāng)?shù)貍惱砦瘑T會的批準(zhǔn)，并遵守歐盟關(guān)于保護(hù)用于科學(xué)目的的動物的指令(2010/63/EU)。采取同樣的入組和排除標(biāo)準(zhǔn)，研究選取了9例被試，被試年齡分布在18.5～22.5歲，體質(zhì)量分布在7.28～14.95 kg 的獼猴。選擇的腦影像數(shù)據(jù)包括彌散張量成像數(shù)據(jù)和結(jié)構(gòu)磁共振成像數(shù)據(jù)。具體采集參數(shù)為：T1W：TE=3.65 ms，TR=2500 ms，TI=1100 ms，翻轉(zhuǎn)角=7°，體素分辨率為0.3 mm×0.3 mm×0.3 mm；DTI：TE=115 ms，TR=6400 ms，彌散加權(quán)b 值1600 s/mm2，800 s/mm2。

DTI 數(shù)據(jù)主要基于牛津大學(xué)的FSL 工具(https://fsl.fmrib.ox.ac.uk/fsl/fslwiki/)完成。DTI數(shù)據(jù)處理包括：頭動渦流矯正，梯度方向校正，獲取大腦掩膜圖像，將圖譜配準(zhǔn)到個體以及使用FMRIB提供的雙張量模型BEDPOSTX[14]估計彌散參數(shù)等操作。

研究顯示，中國科學(xué)院自動化研究所的人類腦網(wǎng)絡(luò)組圖譜對腦區(qū)精細(xì)劃分，有客觀精準(zhǔn)的邊界定位，是第一次建立宏觀尺度上的活體全腦連接圖譜[15]。于是，本研究基于中國科學(xué)院自動化研究所腦網(wǎng)絡(luò)組圖譜和D99獼猴腦圖譜[16]，使用FSL根據(jù)圖譜腦區(qū)對應(yīng)編號基于個體提取人類和獼猴顳上回的感興趣區(qū)域與目標(biāo)區(qū)域。其中，參考早期跨物種研究Neubert等人提供的同源位點坐標(biāo)，結(jié)合所選腦圖譜配準(zhǔn)到Neubert 提供坐標(biāo)的空間，根據(jù)坐標(biāo)點對應(yīng)出腦區(qū)編號并提取出來作為目標(biāo)區(qū)域。所用圖譜確定了18個同源腦區(qū)作為目標(biāo)區(qū)域。目標(biāo)區(qū)域包括腦島、輔助運動區(qū)、鼻周皮層、海馬體、海馬旁回等聽覺相關(guān)腦區(qū)以及其他與軀體感覺、運動、執(zhí)行等功能相關(guān)的腦區(qū)，如表1所示。本文所選擇人類感興趣區(qū)域見圖1A所示，分別為：STG_6_1 (Area 38m，紅色區(qū)域)，STG_6_2 (Area 41/42，青色區(qū)域)，STG_6_3 (Area TE，黃色區(qū) 域)，STG_6_4 (Area 22c，藍(lán) 色 區(qū) 域)，STG_6_5(Area 38l，綠色區(qū)域)，STG_6_6 (Area 22r，粉色區(qū)域)。選擇獼猴感興趣區(qū)域為：STGr (見圖1B 紅色區(qū)域)。

圖1 感興趣區(qū)域。1A：人類；1B：獼猴。Fig.1 Region of interest.1A:Human;1B:Macaque.

表1 人類和獼猴大腦目標(biāo)區(qū)域Tab.1 Human and macaque brain target areas

1.2 數(shù)據(jù)處理

使用牛津大學(xué)FMRIB 軟件包提供的PROBTRACKX從感興趣區(qū)域到目標(biāo)腦區(qū)進(jìn)行概率纖維束追蹤，通過設(shè)置感興趣區(qū)域為種子點，目標(biāo)區(qū)域為必經(jīng)節(jié)點和終止節(jié)點來指導(dǎo)概率纖維束走向，估計感興趣區(qū)域和目標(biāo)腦區(qū)間的概率連接情況，將追蹤結(jié)果值作為腦區(qū)之間的連接值。

連接指紋表示ROI 與已確定獼猴和人類之間同源性的目標(biāo)大腦區(qū)域的連接性。使用基于個體空間提取的ROI 和18 個同源腦區(qū)，進(jìn)行概率纖維束追蹤。為了避免個體差異導(dǎo)致的實驗誤差，研究利用所有被試與目標(biāo)區(qū)域連接的平均值作為構(gòu)建連接指紋的連接值。標(biāo)準(zhǔn)化連接值后，建立ROI與目標(biāo)區(qū)域的連接指紋圖，確定獼猴ROI 連接指紋和每個人類ROI 連接指紋之間結(jié)構(gòu)連接模式的相似與差異。

1.3 同源性分析

在計算相似性之前，所有的連接指紋都需要標(biāo)準(zhǔn)化。連接指紋比較的是連接強(qiáng)度，即ROI與目標(biāo)區(qū)域的連接模式。

常用的樣本相似性度量方法包括歐氏距離、曼哈頓距離和余弦相似度等。在基于連接指紋圖的跨物種比較過程中，通常選擇曼哈頓距離和余弦相似度兩個指標(biāo)進(jìn)行度量。曼哈頓距離又稱城市街區(qū)距離，通過距離的測量決定連接指紋的差異，其定義為

式中，p 和q 是連通指紋的兩個向量，i 是指紋的n 個目標(biāo)區(qū)域。d 的值越小表示兩個向量的相似性越高。而余弦相似度是通過計算兩個向量的夾角余弦值來評估他們的相似性，計算過程中關(guān)注的是指紋圖的角度，忽略特征向量的長度，其定義為

式中，向量之間的夾角越小，cosine的值越接近1，表示兩個向量的相似性越高。

1.4 統(tǒng)計檢驗

由于所使用的被試數(shù)量較少，兩種被試的年齡、性別的分布不太均勻，因此這些被試不能完全反應(yīng)物種整體水平在腦區(qū)連接結(jié)構(gòu)方面的一些差異。針對以上問題，采用python 以及NumPy 庫對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)分析。對人類與獼猴構(gòu)建的連接指紋采用置換檢驗，通過對樣本進(jìn)行順序修改置換5000次，重新計算檢驗統(tǒng)計量，構(gòu)造經(jīng)驗分布，對其可信度進(jìn)行檢驗，并重復(fù)檢驗1000 次，得到一組P值，使用Matlab基于linear step-up 方法進(jìn)行校正，在此基礎(chǔ)上求出P-value 進(jìn)行推斷。以P＜0.05 為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié)果

本文對人類和獼猴顳上回的感興趣區(qū)域和已知的人與獼猴同源區(qū)域建立連接指紋，通過計算曼哈頓距離和余弦相似度，得到結(jié)構(gòu)連接模式的相似性，如表2所示。

表2 人類ROI與獼猴STGr連接指紋相似度Tab.2 Similarity of connectivity fingerprint between human ROI and STGr

人類顳上回(area 38m)和獼猴STGr 的連接指紋如圖2所示。人類area 38m和獼猴STGr連接指紋的曼哈頓距離結(jié)果如圖3所示，其中人類area 38m與獼猴感興趣區(qū)域的連接指紋距離值(d=0.733)是最小的，其對應(yīng)的余弦相似度的值是最大的(cosine=0.966)。

圖2 area 38m與STGr連接指紋。 圖3 area 38m與STGr曼哈頓距離。 圖4 連接指紋與置換測試。4A：area 38m_L；4B：area 38m_R。Fig. 2 Connectivity fingerprint between area 38m and STGr. Fig. 3 Manhattan distance between area 38m and STGr. Fig. 4 Connectivity fingerprints and permutation test.4A:area 38m_L;4B:area 38m_R.

當(dāng)考慮左右腦的差異，人腦左、右半球area 38m腦區(qū)連接指紋和排列置換測試結(jié)果如圖4所示，置換檢驗P＜0.05，其中置換檢驗結(jié)果紅色代表真實值，藍(lán)色代表閾值，灰色代表測試的數(shù)據(jù)。area 38m 左、右半球連接指紋對應(yīng)的曼哈頓距離值分別為0.983 和0.554，余弦相似度的值分別為0.948 和0.975。

3 討論

通過分析磁共振成像數(shù)據(jù)，本文對兩個物種顳上回聽覺區(qū)的結(jié)構(gòu)連接模式進(jìn)行同源性研究，發(fā)現(xiàn)人類顳上回(area 38m)區(qū)域與獼猴顳上回前側(cè)的結(jié)構(gòu)連接相似度值最高，因此人類顳上回(area 38m)具有和獼猴顳上回前側(cè)相似的結(jié)構(gòu)連接模式，可能具有共同的進(jìn)化起源。

3.1 跨物種同源性分析

現(xiàn)有研究通過對兩個物種施加聽覺刺激，發(fā)現(xiàn)了兩個物種的顳葉前側(cè)均擁有語音區(qū)，并指出獼猴和人類的高級聽覺皮層的功能組織比目前已知的更為相似[17]。另一研究使用相同刺激對比獼猴和人類的反應(yīng)得到猴腦的敏感性低于人腦，其原因可能是由于人腦功能的專門化[18]。本文在研究人類與獼猴顳上回參與聽覺處理區(qū)域的過程中，關(guān)注的是大腦解剖連接模式，而不是執(zhí)行任務(wù)時大腦區(qū)域的功能激活。本文在人類的顳上回，搜索與獼猴顳上回前側(cè)具有相同結(jié)構(gòu)連接模式的區(qū)域。實驗中用于識別人類和獼猴顳上回區(qū)域連接模式相似性的目標(biāo)區(qū)域是已知同源的。分析發(fā)現(xiàn)人類的area 38m與獼猴顳上回前側(cè)具有最相似的結(jié)構(gòu)連接模式。

利用結(jié)構(gòu)連接指紋分析兩個物種的不同區(qū)域，可以解釋這些區(qū)域在物種進(jìn)化過程中腦連接的差異。2018 年劉義鵬等人就腦纖維可視化總結(jié)得到量化腦結(jié)構(gòu)連接可以揭示在腦發(fā)育過程中的生理變化，有助于研究神經(jīng)病理條件下腦網(wǎng)絡(luò)改變的結(jié)果。本研究結(jié)果顯示，在人類顳上回的6 個感興趣區(qū)域中，area 38m 與獼猴的連接指紋曼哈頓距離值最小(d=0.733)，對應(yīng)余弦相似度的值最大(cosine=0.966)。對兩個物種的連接模式分析得到：area 38m和獼猴STGr 對鼻周皮層、運動皮層等區(qū)域的連接強(qiáng)度是一致的，其差異在于獼猴STGr 與44v 區(qū)域的連接比人類的更強(qiáng)，而人類area 38m與腹側(cè)紋狀體、海馬區(qū)的連接比獼猴更強(qiáng)。

雖然大腦左右半球在形態(tài)上大體對稱，但是在結(jié)構(gòu)連接和功能上卻不完全對稱，即大腦偏側(cè)化。顯然，研究中顳上回area 38m_L 區(qū)域和area 38m_R區(qū)域與獼猴顳上回前側(cè)都有著相似的結(jié)構(gòu)連接模式：兩個區(qū)域均與情緒記憶相關(guān)的鼻周皮層[19]，獎賞、情緒和運動相關(guān)的腹側(cè)紋狀體以及記憶和學(xué)習(xí)相關(guān)的海馬區(qū)有較強(qiáng)的連接，與認(rèn)知和運動相關(guān)的頂葉島蓋連接較弱。但也存在部分差異，兩個區(qū)域分別完成不同任務(wù)的處理：人類顳上回area 38m_L 區(qū)域相比顳上回area 38m_R 區(qū)域，顯示出與海馬旁回更強(qiáng)的連接。海馬旁回位于枕葉和顳葉下方的內(nèi)側(cè)，與情感、學(xué)習(xí)及記憶等高級神經(jīng)功能活動有關(guān)。這也驗證了先前對人類area 38m_L 區(qū)域的描述，它是更關(guān)注情感信息的區(qū)域。以上結(jié)果驗證了顳葉皮質(zhì)在人腦中的擴(kuò)張是優(yōu)先于獼猴大腦的，得到人腦具有不同功能特征的分區(qū)這一結(jié)論。

根據(jù)人類和獼猴連接指紋統(tǒng)計量的排列置換測試結(jié)果，證明人類area 38m 與獼猴STGr 區(qū)域有相似的結(jié)構(gòu)連接模式這一結(jié)果是可信的。分別為左、右半球構(gòu)建連接指紋后，曼哈頓距離和余弦相似度結(jié)果均顯示人類和獼猴腦區(qū)之間的結(jié)構(gòu)連接模式有較高相似性，但是左、右半球?qū)?yīng)連接指紋的排列置換測試的結(jié)果卻不一致。area 38m_R 檢驗統(tǒng)計量的值是落在置信區(qū)間內(nèi)的，證明該結(jié)果可信。而area 38m_L 的檢驗統(tǒng)計量的值均位于置信區(qū)間外，這表示小概率事件發(fā)生，樣本所反應(yīng)結(jié)果的可信度較低。觀察area 38m_L 區(qū)域所對應(yīng)的閾值區(qū)間，發(fā)現(xiàn)該區(qū)域的余弦相似度值較高(cosine=0.948)，且位于左閾值附近，即小概率事件呈現(xiàn)出了較低的跨物種一致性。

導(dǎo)致獼猴顳上回前側(cè)與人類area 38m_R區(qū)域連接更為相似的原因可能是大腦的偏側(cè)化。在2018年梅丹丹等人根據(jù)先驗知識探究發(fā)現(xiàn)，人腦加工任務(wù)的半球偏側(cè)化導(dǎo)致左半球?qū)ρ哉Z功能、語言性聲音的處理、對聽覺語音語義信息加工更有優(yōu)勢，其行為領(lǐng)域主要是情緒的加工；而右半球?qū)Σ恍枰哉Z參加的空間知覺和形象思維、環(huán)境聲音與音樂的處理更有優(yōu)勢。人類腦區(qū)結(jié)構(gòu)和功能的變化造成與其他腦區(qū)連接關(guān)系的增強(qiáng)或減弱，因此導(dǎo)致了左右腦對于目標(biāo)腦區(qū)連接的差異[20]。

3.2 研究意義

聽覺作為主要的感知方式之一，它是個體感知外界環(huán)境、維持生存和繁殖活動的重要途徑。大腦皮質(zhì)顳上回主要是聽覺性語言中樞。顳上回受損傷可能出現(xiàn)聽覺性失語癥或稱接受性失語癥等并發(fā)癥，也有引起癲癇發(fā)作的可能。因此，本文利用DTI數(shù)據(jù)，通過比較影像學(xué)量化物種間皮層區(qū)域在連接上的相似與差異，分析出人類與獼猴在顳上回聽覺處理相關(guān)區(qū)域的同源性，可以幫助了解活體的神經(jīng)纖維走向，有助于深入了解人腦結(jié)構(gòu)，為神經(jīng)科學(xué)研究提供了理論支撐。由于許多精神病理綜合征與大腦區(qū)域和連接之間的改變有關(guān)，構(gòu)建連接指紋也可以作為精神病理學(xué)的診斷工具。對于有興趣研究聽覺處理的研究者而言，可以對顳上回前側(cè)區(qū)域進(jìn)一步探究。

3.3 限制與不足

在研究人類和獼猴顳上回聽覺區(qū)域的同源性中，發(fā)現(xiàn)的兩個物種結(jié)構(gòu)連接模式的相似性，能夠為探索人類特有高級認(rèn)知功能和獼猴動物模型相關(guān)研究提供支持，也為替代性實驗提供了理論依據(jù)。但本文對兩個物種顳上回同源性的研究主要依據(jù)是大腦結(jié)構(gòu)連接模式，其功能的連接差異需要進(jìn)一步討論。目前研究發(fā)現(xiàn)人與猴子均優(yōu)先使用左半球聽覺系統(tǒng)分析聲音，且存在左半球比右半球變化更強(qiáng)的功能不對稱現(xiàn)象[21]。現(xiàn)有研究發(fā)現(xiàn)人類顳上回在噪音中對語音感知有著關(guān)鍵作用，并且對低頻純音刺激的響應(yīng)區(qū)域面積較大。因此，獼猴的左右半球是否存在與人類同樣的連接變化趨勢也有待研究。其次，在本研究中基于連接指紋對顳上回連接模式進(jìn)行跨物種比較的方法的比較特征精度和可擴(kuò)展性較低，每個待比較腦區(qū)的連接指紋應(yīng)有獨特的目標(biāo)腦區(qū)來構(gòu)建，后續(xù)研究可以探索更完善的高精度跨物種比較方法，進(jìn)一步驗證和精細(xì)化現(xiàn)有結(jié)果。

綜上所述，本研究發(fā)現(xiàn)人類area 38m 與獼猴顳上回前側(cè)STGr 是同源的，即具有相似的連接模式。其中，人類右半球與獼猴的結(jié)構(gòu)連接模式相似性比左半球更高，這些現(xiàn)象可能與大腦的偏側(cè)化相關(guān)。

作者利益沖突聲明：全體作者均聲明無利益沖突。