用“延時(shí)攝影”記錄人類(lèi)大腦“生長(zhǎng)曲線”

人類(lèi)大腦的發(fā)育過(guò)程就像一座智慧都市的進(jìn)化歷程——從胎兒和嬰兒期的“基礎(chǔ)施工”到兒童期和青春期的“高速建設(shè)”，再到中年期這一“功能優(yōu)化”黃金時(shí)期，最終步入老年期的“智慧運(yùn)維”階段。這座“神經(jīng)都市”的每個(gè)發(fā)展階段，都在實(shí)施精密而獨(dú)特的“神經(jīng)重構(gòu)”工程。

近日，我國(guó)科學(xué)家在《自然—神經(jīng)科學(xué)》發(fā)表封面論文，首次為人腦這座“智慧都市”繪制了從出生前至80歲的全生命周期“神經(jīng)建設(shè)時(shí)空?qǐng)D譜”。該研究標(biāo)定出大腦功能網(wǎng)絡(luò)發(fā)育的關(guān)鍵時(shí)間窗，有望為腦健康的數(shù)字化評(píng)估建立“生物標(biāo)志紅綠燈”。

“繪制人腦網(wǎng)絡(luò)全生命周期的時(shí)空變化圖譜，就像用延時(shí)攝影記錄一座城市的百年變遷?！闭撐耐ㄓ嵶髡摺⒈本煼洞髮W(xué)教授賀永對(duì)筆者說(shuō)，“我們發(fā)現(xiàn)人腦功能網(wǎng)絡(luò)在全生命周期中存在關(guān)鍵的發(fā)育時(shí)間點(diǎn)，比如全腦功能連接強(qiáng)度在38歲才達(dá)到峰值，而長(zhǎng)程連接甚至能持續(xù)優(yōu)化至45歲左右?！?/p>

潛心鉆研填補(bǔ)國(guó)際空白

從出生到老年，人類(lèi)認(rèn)知與行為的形成和發(fā)展始終離不開(kāi)大腦認(rèn)知功能網(wǎng)絡(luò)的建立與完善。而“揭示人腦復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的形成與發(fā)育規(guī)律”是賀永自2008年加入北京師范大學(xué)、組建研究團(tuán)隊(duì)以來(lái)的重點(diǎn)研究方向。

此前，對(duì)于成人階段的大腦連接網(wǎng)絡(luò)，賀永團(tuán)隊(duì)已經(jīng)有了較為深入的探索。但置于整個(gè)生命周期內(nèi)，人腦復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的演化規(guī)律和關(guān)鍵的發(fā)育節(jié)點(diǎn)到底是怎樣的，即使在國(guó)際腦科學(xué)研究領(lǐng)域也屬于“空白地帶”，缺乏系統(tǒng)性的研究與解析。

此外，自20世紀(jì)90年代功能磁共振成像技術(shù)推動(dòng)認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)及腦疾病研究以來(lái)，受限于全生命周期腦功能影像大數(shù)據(jù)與測(cè)量常模的缺失，腦疾病的腦功能個(gè)體化評(píng)測(cè)等相關(guān)臨床研究與應(yīng)用也受到部分限制。

隨著近年來(lái)國(guó)際腦影像大數(shù)據(jù)共享和全球協(xié)作的興起，賀永團(tuán)隊(duì)意識(shí)到時(shí)機(jī)已經(jīng)成熟。在扎實(shí)的研究基礎(chǔ)上，自2021年起他們正式開(kāi)啟了人腦全生命周期的發(fā)展圖譜與常模的研究與繪制工作。

“我們的合作網(wǎng)絡(luò)覆蓋全球100余家機(jī)構(gòu)，從42428例原始數(shù)據(jù)中篩選出33250例高質(zhì)量樣本，最終整合出了迄今規(guī)模最大、涵蓋全生命周期的高質(zhì)量多模態(tài)磁共振腦結(jié)構(gòu)和靜息態(tài)功能影像數(shù)據(jù)?！辟R永說(shuō)。

在腦功能影像大數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)首次繪制出了人腦功能網(wǎng)絡(luò)從出生前到老年期的完整“生長(zhǎng)曲線”，填補(bǔ)了國(guó)際上腦功能領(lǐng)域缺少全生命周期參考常模的空白。

解開(kāi)大腦功能網(wǎng)絡(luò)發(fā)育的“時(shí)空密碼”

人腦的發(fā)展貫穿整個(gè)生命周期，其過(guò)程并非簡(jiǎn)單的線性變化，而是遵循一種復(fù)雜、有規(guī)律的演化過(guò)程。因此，研究人員建立了一種多尺度建模框架，即從全腦、系統(tǒng)、區(qū)域三重尺度上的功能網(wǎng)絡(luò)發(fā)育軌跡進(jìn)行解析。

研究結(jié)果顯示，從全腦尺度看，大腦功能連接的強(qiáng)度，即大腦不同區(qū)域之間的神經(jīng)活動(dòng)的關(guān)聯(lián)程度，大約在38歲左右達(dá)到頂峰后才慢慢下降。有意思的是，大腦中短距離連接的強(qiáng)度從年輕時(shí)開(kāi)始慢慢減弱，而長(zhǎng)距離連接卻能增強(qiáng)到45歲左右才開(kāi)始下降。

“這說(shuō)明，即使到了中年，我們的大腦仍然具有很強(qiáng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可塑性?！闭撐牡谝蛔髡?、北京師范大學(xué)博士生孫良龍說(shuō)。

大腦可以被劃分為多個(gè)負(fù)責(zé)不同功能的“系統(tǒng)”，如視覺(jué)、運(yùn)動(dòng)、背側(cè)注意等。在系統(tǒng)尺度上，研究人員將大腦按年齡分成了26個(gè)組，并為每組創(chuàng)建了系統(tǒng)水平的腦功能圖譜，在國(guó)際上首次捕捉到了大腦功能網(wǎng)絡(luò)演化的連續(xù)軌跡和關(guān)鍵時(shí)間點(diǎn)。

根據(jù)這份腦圖譜，研究人員發(fā)現(xiàn)，在嬰兒出生時(shí)，大腦的初級(jí)感覺(jué)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)育就已經(jīng)達(dá)到成人水平的80%，更為復(fù)雜的與記憶、推理等高級(jí)認(rèn)知相關(guān)的功能系統(tǒng)則需要到4～6歲時(shí)才能達(dá)到類(lèi)似的成熟水平。但腦功能系統(tǒng)內(nèi)部與功能系統(tǒng)之間整體的平衡要發(fā)育到25歲左右才逐漸成熟，之后保持相對(duì)穩(wěn)定，到老年期開(kāi)始下降。

此外，研究人員還發(fā)現(xiàn)了一個(gè)有趣的規(guī)律——大腦網(wǎng)絡(luò)在區(qū)域水平的時(shí)空發(fā)育遵循著“感覺(jué)運(yùn)動(dòng)—聯(lián)合皮層”軸原則，即從初級(jí)的感覺(jué)運(yùn)動(dòng)區(qū)域向更高級(jí)的額頂聯(lián)合皮層梯度式推進(jìn)。

“這個(gè)發(fā)展過(guò)程與人類(lèi)大腦的進(jìn)化軌跡高度吻合?！睂O良龍說(shuō)，他們還發(fā)現(xiàn)，這個(gè)發(fā)展規(guī)律能解釋超過(guò)60%的大腦區(qū)域在全生命周期的發(fā)育變化。

轉(zhuǎn)化正在進(jìn)行時(shí)

“全生命周期”是這份大腦發(fā)展圖譜與常模的最大亮點(diǎn)，也是研究中最復(fù)雜、最具挑戰(zhàn)性的部分。

要繪制具有時(shí)空連續(xù)性的群體與個(gè)體功能的分區(qū)圖譜，就必須先建立起長(zhǎng)時(shí)間跨度的大腦解剖結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)關(guān)系。賀永告訴記者，從0歲的嬰兒到80歲的老人，各個(gè)階段的大腦結(jié)構(gòu)和功能大不相同，因此在不同年齡階段之間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)匹配與對(duì)齊極具挑戰(zhàn)性。

為此，他們建立了一套年齡特異性腦功能圖譜算法。該算法創(chuàng)新性地運(yùn)用高斯加權(quán)迭代法繪制年齡群組圖譜，即將受試者劃分為26個(gè)年齡組，通過(guò)概率加權(quán)以生成連續(xù)的年齡腦圖譜。

“這個(gè)過(guò)程需要大量的反復(fù)試驗(yàn)和對(duì)算法的不斷優(yōu)化，每一個(gè)關(guān)鍵步驟都凝結(jié)著我們的耐心與堅(jiān)韌意志?！辟R永感慨道。

許多腦疾病，如孤獨(dú)癥、抑郁癥、阿爾茨海默病等都與腦功能連接異常有關(guān)。對(duì)此，賀永表示，基于腦功能連接組的“生長(zhǎng)曲線”模型為全年齡段腦疾病的數(shù)字化評(píng)估、精準(zhǔn)診斷及干預(yù)提供了重要的參考標(biāo)準(zhǔn)，有望推動(dòng)腦疾病精準(zhǔn)診療的發(fā)展。

目前，研究團(tuán)隊(duì)正著手建設(shè)基于腦功能連接組常模的個(gè)體發(fā)育異常精準(zhǔn)識(shí)別和干預(yù)評(píng)估智能分析平臺(tái)。在成果轉(zhuǎn)化應(yīng)用方面，團(tuán)隊(duì)已和國(guó)內(nèi)多家醫(yī)療機(jī)構(gòu)展開(kāi)合作，以推動(dòng)腦健康數(shù)字化評(píng)估的標(biāo)準(zhǔn)化和精準(zhǔn)化發(fā)展。

同時(shí)，這項(xiàng)始于腦影像大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)研究的工作，正嘗試為理解人類(lèi)高級(jí)認(rèn)知能力的形成和發(fā)展打開(kāi)一個(gè)新窗口?！叭祟?lèi)大腦功能連接組在全生命周期中的發(fā)育規(guī)則，可作為設(shè)計(jì)新一代人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法和類(lèi)腦計(jì)算模型架構(gòu)的生物學(xué)基礎(chǔ)，進(jìn)一步促進(jìn)腦機(jī)接口、人工智能等交叉領(lǐng)域的研究融合。”賀永補(bǔ)充道。