蔣田仔

　　中國科學(xué)院自動(dòng)化研究所腦網(wǎng)絡(luò)組研究中心主任

　　腦是人體最為復(fù)雜的器官。長期以來，人類對(duì)腦的結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行了大量的研究。如果想知道大腦是如何工作的，就必須有一個(gè)腦圖譜，為復(fù)雜的腦部研究進(jìn)行“導(dǎo)航”。因此，腦圖譜一直以來都是研究腦結(jié)構(gòu)和功能及腦疾病的重要手段。從文藝復(fù)興時(shí)期的著名解剖學(xué)家維薩里對(duì)大腦結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)的描述開始，大量的神經(jīng)解剖描述，圖片和影像陸續(xù)出現(xiàn)。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和研究的不斷深入，各式各樣的腦圖譜層出不窮，人類腦圖譜已經(jīng)由早期的印刷版二維腦圖譜發(fā)展到現(xiàn)在的數(shù)字化三維、四維腦圖譜；由基于標(biāo)本斷面切片數(shù)據(jù)發(fā)展到基于活體影像學(xué)數(shù)據(jù)構(gòu)建的圖譜；由僅具有個(gè)體腦解剖結(jié)構(gòu)信息的單一圖譜到包含群體解剖結(jié)構(gòu)及功能信息的多模態(tài)腦圖譜。在不同的時(shí)期，出現(xiàn)了一些里程碑式的腦圖譜，包括布羅德曼腦圖譜、Talairach立體腦圖譜、于利希細(xì)胞構(gòu)筑腦圖譜等。腦圖譜的出現(xiàn)和不斷完善對(duì)腦科學(xué)基礎(chǔ)及臨床研究具有重要的意義。

　　但是，目前已被廣泛應(yīng)用的腦圖譜尚存在一些明顯的不足之處：先前許多腦圖譜的分區(qū)是依照大體解剖標(biāo)志來劃分的，很難與腦功能分區(qū)相對(duì)應(yīng)。此外，由于人腦分區(qū)數(shù)量多、功能復(fù)雜，個(gè)體之間變異大，腦區(qū)之間的邊界及其復(fù)雜的連接關(guān)系難以確定，再加之過去影像設(shè)備獲取的圖像分辨率低及層厚較厚等因素，腦區(qū)分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)尚未統(tǒng)一，而且對(duì)于功能復(fù)雜腦區(qū)的功能亞區(qū)邊界劃分也不明確。近些年來，隨著超薄切片技術(shù)、染色技術(shù)以及顯微觀察技術(shù)的進(jìn)步，基于細(xì)胞構(gòu)筑的腦解剖結(jié)構(gòu)研究得到了進(jìn)一步的發(fā)展，特別是隨著活體影像采集設(shè)備和計(jì)算機(jī)圖像和圖形技術(shù)的發(fā)展，使得人們能夠在獲取大樣本數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對(duì)人腦進(jìn)行結(jié)構(gòu)和功能區(qū)劃分，為完善和發(fā)展更為細(xì)致的腦圖譜提供了技術(shù)基礎(chǔ)。腦網(wǎng)絡(luò)組圖譜（Brainnetome Atlas）就是在這樣的背景下發(fā)展起來的。

　　建立腦網(wǎng)絡(luò)組圖譜的新思想起源于腦科學(xué)和腦疾病研究的迫切需求和現(xiàn)有腦圖譜存在的本質(zhì)問題。例如，有些腦圖譜未考慮個(gè)體變異，基于細(xì)胞構(gòu)筑學(xué)構(gòu)建的腦圖譜仍然是對(duì)尸體標(biāo)本的研究，許多腦區(qū)的劃分依據(jù)大體解剖標(biāo)志，許多功能復(fù)雜腦區(qū)的功能亞區(qū)的邊界不明確，而且以上腦圖譜基本上是來源于西方人的數(shù)據(jù)，不具備東方人的特征。研究表明，由于人種和生長環(huán)境的影響，東西方人腦會(huì)有比較顯著的差別，假如我們直接把上述的腦圖譜作為標(biāo)準(zhǔn)腦模板的話，研究結(jié)果可能會(huì)出現(xiàn)一些偏差。近年來，隨著腦影像數(shù)據(jù)采集設(shè)備和技術(shù)的進(jìn)步，比如高場強(qiáng)磁共振成像在活體上的應(yīng)用，特別是彌散張量成像技術(shù)的發(fā)展，為腦網(wǎng)絡(luò)組圖譜的繪制提供了技術(shù)基礎(chǔ)?；趪H上腦圖譜的發(fā)展及我們團(tuán)隊(duì)的研究積累，我們提出了利用腦連接信息而不是傳統(tǒng)的形態(tài)信息構(gòu)建腦圖譜的新思想，建立了構(gòu)建新一代腦圖譜的理論和方法體系，在此基礎(chǔ)上, 提出了針對(duì)不同腦區(qū)的亞區(qū)劃分方案，實(shí)現(xiàn)了全腦尺度的腦區(qū)亞區(qū)的精細(xì)劃分并明確其連接圖譜。腦網(wǎng)絡(luò)組圖譜比現(xiàn)有腦圖譜既具有更精細(xì)的腦區(qū)劃分，又具有不同亞區(qū)解剖與功能連接模式的全新活體人類腦圖譜。相較于傳統(tǒng)解剖學(xué)方法構(gòu)建的腦圖譜，如于利希細(xì)胞構(gòu)筑腦圖譜（其仍然是基于尸體標(biāo)本的研究，構(gòu)建周期長、耗時(shí)耗力，近20年的研究，僅完成70%的腦區(qū)，而且僅包含局部分區(qū)信息），首版腦網(wǎng)絡(luò)組圖譜包含了共252個(gè)大腦皮層腦區(qū)與皮層下核團(tuán)結(jié)構(gòu)，而且在體定量描繪不同腦區(qū)亞區(qū)的解剖與功能連接模式，并對(duì)每個(gè)亞區(qū)進(jìn)行了細(xì)致的功能描述。腦網(wǎng)絡(luò)組圖譜的構(gòu)建將引領(lǐng)人類腦圖譜未來發(fā)展從標(biāo)本走向活體，從粗糙走向精細(xì)，從單一的解剖結(jié)構(gòu)描述到集成結(jié)構(gòu)、功能和連接模式等多種知識(shí)的綜合描述，為實(shí)現(xiàn)腦科學(xué)和腦疾病研究的源頭創(chuàng)新提供基礎(chǔ)。

　　腦網(wǎng)絡(luò)組圖譜也是腦網(wǎng)絡(luò)組（Brainnetome）的核心內(nèi)容。腦網(wǎng)絡(luò)組是以腦網(wǎng)絡(luò)為基本單元的組學(xué)，它包括腦網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)和連接兩個(gè)基本要素。研究內(nèi)容包括利用各種成像技術(shù)及電生理技術(shù)在宏觀、介觀及微觀尺度上建立人腦和動(dòng)物腦的腦區(qū)、神經(jīng)元群或神經(jīng)元之間的連接圖（腦網(wǎng)絡(luò)），在此基礎(chǔ)上研究腦網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、腦網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)力學(xué)屬性、腦功能及功能異常的腦網(wǎng)絡(luò)表征、腦網(wǎng)絡(luò)的遺傳基礎(chǔ)，并對(duì)腦網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行建模和仿真，以及實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)所要的超級(jí)計(jì)算平臺(tái)。腦網(wǎng)絡(luò)組的研究目標(biāo)是從腦網(wǎng)絡(luò)的連接模式及其演變規(guī)律闡明腦的工作機(jī)理及腦疾病的發(fā)生和發(fā)展機(jī)制，為研究人腦內(nèi)部復(fù)雜的信息處理過程與高效的組織模式提供有效的途徑，為理解腦的信息處理過程及腦的高級(jí)功能開辟新途徑，為實(shí)現(xiàn)類腦計(jì)算和的智能技術(shù)奠定基礎(chǔ)。腦網(wǎng)絡(luò)組與國際上流行的連接組（connectome）有本質(zhì)的區(qū)別，連接組只關(guān)注腦網(wǎng)絡(luò)的連接，而腦網(wǎng)絡(luò)組不僅強(qiáng)調(diào)腦網(wǎng)絡(luò)的連接的重要性，而且強(qiáng)調(diào)腦網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的重要性。腦網(wǎng)絡(luò)組是迄今最復(fù)雜的組學(xué)，因?yàn)槟X網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)和連接可以在微觀、介觀和宏觀尺度上進(jìn)行研究，在微觀尺度上腦網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)就是神經(jīng)細(xì)胞，在介觀尺度上腦網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)就是具有某種共同特性的神經(jīng)細(xì)胞群，在宏觀尺度上腦網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)就是不同的腦區(qū)。無論在什么尺度上，腦網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的確定都面臨巨大挑戰(zhàn)，美國腦計(jì)劃的第一項(xiàng)研究內(nèi)容就是確定神經(jīng)元的類型，為研究神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)和環(huán)路及確定微觀和介觀尺度的腦網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)奠定基礎(chǔ)，而腦網(wǎng)絡(luò)組圖譜為確定宏觀尺度上腦網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)提供新途徑。

　　在“973”項(xiàng)目“基于影像的腦網(wǎng)絡(luò)及其臨床應(yīng)用”、國家自然科學(xué)基金委和中國科學(xué)院先導(dǎo)專項(xiàng)的資助下，我們?cè)谀X網(wǎng)絡(luò)組圖譜的繪制和應(yīng)用方面取得了重要進(jìn)展。首先，在計(jì)算理論與方法方面, 建立了腦圖譜構(gòu)建所需的腦亞區(qū)劃分方法體系，解決了亞區(qū)邊界自動(dòng)確定等一系列現(xiàn)有方法所面臨的問題。其次，對(duì)一些特性各異的腦區(qū)提出了針對(duì)性的腦區(qū)劃分方案，并從不同角度進(jìn)行了驗(yàn)證，增進(jìn)了對(duì)這些腦區(qū)的認(rèn)識(shí)，為腦圖譜的構(gòu)建奠定了基礎(chǔ)。在此基礎(chǔ)上完成了全腦尺度上腦區(qū)功能亞區(qū)劃分以及多模態(tài)連接模式繪制，所有的研究成果都將會(huì)在腦網(wǎng)絡(luò)組圖譜門戶網(wǎng)站（http://atlas.brainnetome.org）上，以在線顯示以及軟件下載的方式提供給相關(guān)研究領(lǐng)域的科研人員使用。

　　腦網(wǎng)絡(luò)組圖譜將成為腦科學(xué)和腦疾病研究的新領(lǐng)域，未來圍繞腦網(wǎng)絡(luò)組圖譜將會(huì)涌現(xiàn)出許多新的研究方向。例如，腦網(wǎng)絡(luò)組圖譜中每個(gè)亞區(qū)的功能確定需要認(rèn)知科學(xué)、心理學(xué)和腦影像學(xué)等學(xué)科的聯(lián)合研究，將會(huì)成為這些學(xué)科的共同科學(xué)前沿；利用腦網(wǎng)絡(luò)組圖譜研究不同的腦疾病，繪制神經(jīng)精神疾病的腦網(wǎng)絡(luò)組圖譜的異常模式，以便發(fā)現(xiàn)腦疾病早期診斷和療效評(píng)價(jià)的生物標(biāo)志；利用腦網(wǎng)絡(luò)組圖譜進(jìn)行神經(jīng)外科手術(shù)導(dǎo)航、病灶定位和腦功能保護(hù)；腦網(wǎng)絡(luò)組圖譜為類腦計(jì)算和類腦智能系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供新的科學(xué)依據(jù)，已經(jīng)引起該領(lǐng)域的高度重視；此外，腦網(wǎng)絡(luò)組圖譜的研究也會(huì)引發(fā)新技術(shù)和新設(shè)備的研發(fā)。總之，腦網(wǎng)絡(luò)組圖譜將會(huì)成為腦科學(xué)和腦疾病研究的利器，將成為解剖學(xué)、神經(jīng)科學(xué)、認(rèn)知科學(xué)、神經(jīng)心理學(xué)、神經(jīng)病學(xué)、精神病和信息科學(xué)等學(xué)科的共同科學(xué)前沿，為腦科學(xué)和腦疾病及類腦計(jì)算和智能技術(shù)的研究帶來革命性變化。

　　（樊令仲系中國科學(xué)院自動(dòng)化研究所腦網(wǎng)絡(luò)組研究中心副研究員）