脑网络组图谱：人类认识脑和脑疾病的利器

蒋田仔

中国科学院自动化研究所脑网络组研究中心主任

脑是人体最为复杂的器官。长期以来，人类对脑的结构和功能进行了大量的研究。如果想知道大脑是如何工作的，就必须有一个脑图谱，为复杂的脑部研究进行“导航”。因此，脑图谱一直以来都是研究脑结构和功能及脑疾病的重要手段。从文艺复兴时期的著名解剖学家维萨里对大脑结构进行详细的描述开始，大量的神经解剖描述，图片和影像陆续出现。随着技术的不断进步和研究的不断深入，各式各样的脑图谱层出不穷，人类脑图谱已经由早期的印刷版二维脑图谱发展到现在的数字化三维、四维脑图谱；由基于标本断面切片数据发展到基于活体影像学数据构建的图谱；由仅具有个体脑解剖结构信息的单一图谱到包含群体解剖结构及功能信息的多模态脑图谱。在不同的时期，出现了一些里程碑式的脑图谱，包括布罗德曼脑图谱、Talairach立体脑图谱、于利希细胞构筑脑图谱等。脑图谱的出现和不断完善对脑科学基础及临床研究具有重要的意义。

但是，目前已被广泛应用的脑图谱尚存在一些明显的不足之处：先前许多脑图谱的分区是依照大体解剖标志来划分的，很难与脑功能分区相对应。此外，由于人脑分区数量多、功能复杂，个体之间变异大，脑区之间的边界及其复杂的连接关系难以确定，再加之过去影像设备获取的图像分辨率低及层厚较厚等因素，脑区分区标准尚未统一，而且对于功能复杂脑区的功能亚区边界划分也不明确。近些年来，随着超薄切片技术、染色技术以及显微观察技术的进步，基于细胞构筑的脑解剖结构研究得到了进一步的发展，特别是随着活体影像采集设备和计算机图像和图形技术的发展，使得人们能够在获取大样本数据的基础上，对人脑进行结构和功能区划分，为完善和发展更为细致的脑图谱提供了技术基础。脑网络组图谱（Brainnetome Atlas）就是在这样的背景下发展起来的。

建立脑网络组图谱的新思想起源于脑科学和脑疾病研究的迫切需求和现有脑图谱存在的本质问题。例如，有些脑图谱未考虑个体变异，基于细胞构筑学构建的脑图谱仍然是对尸体标本的研究，许多脑区的划分依据大体解剖标志，许多功能复杂脑区的功能亚区的边界不明确，而且以上脑图谱基本上是来源于西方人的数据，不具备东方人的特征。研究表明，由于人种和生长环境的影响，东西方人脑会有比较显著的差别，假如我们直接把上述的脑图谱作为标准脑模板的话，研究结果可能会出现一些偏差。近年来，随着脑影像数据采集设备和技术的进步，比如高场强磁共振成像在活体上的应用，特别是弥散张量成像技术的发展，为脑网络组图谱的绘制提供了技术基础。基于国际上脑图谱的发展及我们团队的研究积累，我们提出了利用脑连接信息而不是传统的形态信息构建脑图谱的新思想，建立了构建新一代脑图谱的理论和方法体系，在此基础上, 提出了针对不同脑区的亚区划分方案，实现了全脑尺度的脑区亚区的精细划分并明确其连接图谱。脑网络组图谱比现有脑图谱既具有更精细的脑区划分，又具有不同亚区解剖与功能连接模式的全新活体人类脑图谱。相较于传统解剖学方法构建的脑图谱，如于利希细胞构筑脑图谱（其仍然是基于尸体标本的研究，构建周期长、耗时耗力，近20年的研究，仅完成70%的脑区，而且仅包含局部分区信息），首版脑网络组图谱包含了共252个大脑皮层脑区与皮层下核团结构，而且在体定量描绘不同脑区亚区的解剖与功能连接模式，并对每个亚区进行了细致的功能描述。脑网络组图谱的构建将引领人类脑图谱未来发展从标本走向活体，从粗糙走向精细，从单一的解剖结构描述到集成结构、功能和连接模式等多种知识的综合描述，为实现脑科学和脑疾病研究的源头创新提供基础。

脑网络组图谱也是脑网络组（Brainnetome）的核心内容。脑网络组是以脑网络为基本单元的组学，它包括脑网络的节点和连接两个基本要素。研究内容包括利用各种成像技术及电生理技术在宏观、介观及微观尺度上建立人脑和动物脑的脑区、神经元群或神经元之间的连接图（脑网络），在此基础上研究脑网络拓扑结构、脑网络的动力学属性、脑功能及功能异常的脑网络表征、脑网络的遗传基础，并对脑网络进行建模和仿真，以及实现这些目标所要的超级计算平台。脑网络组的研究目标是从脑网络的连接模式及其演变规律阐明脑的工作机理及脑疾病的发生和发展机制，为研究人脑内部复杂的信息处理过程与高效的组织模式提供有效的途径，为理解脑的信息处理过程及脑的高级功能开辟新途径，为实现类脑计算和的智能技术奠定基础。脑网络组与国际上流行的连接组（connectome）有本质的区别，连接组只关注脑网络的连接，而脑网络组不仅强调脑网络的连接的重要性，而且强调脑网络节点的重要性。脑网络组是迄今最复杂的组学，因为脑网络的节点和连接可以在微观、介观和宏观尺度上进行研究，在微观尺度上脑网络节点就是神经细胞，在介观尺度上脑网络节点就是具有某种共同特性的神经细胞群，在宏观尺度上脑网络节点就是不同的脑区。无论在什么尺度上，脑网络节点的确定都面临巨大挑战，美国脑计划的第一项研究内容就是确定神经元的类型，为研究神经元网络和环路及确定微观和介观尺度的脑网络节点奠定基础，而脑网络组图谱为确定宏观尺度上脑网络节点提供新途径。

在“973”项目“基于影像的脑网络及其临床应用”、国家自然科学基金委和中国科学院先导专项的资助下，我们在脑网络组图谱的绘制和应用方面取得了重要进展。首先，在计算理论与方法方面, 建立了脑图谱构建所需的脑亚区划分方法体系，解决了亚区边界自动确定等一系列现有方法所面临的问题。其次，对一些特性各异的脑区提出了针对性的脑区划分方案，并从不同角度进行了验证，增进了对这些脑区的认识，为脑图谱的构建奠定了基础。在此基础上完成了全脑尺度上脑区功能亚区划分以及多模态连接模式绘制，所有的研究成果都将会在脑网络组图谱门户网站（http://atlas.brainnetome.org）上，以在线显示以及软件下载的方式提供给相关研究领域的科研人员使用。

脑网络组图谱将成为脑科学和脑疾病研究的新领域，未来围绕脑网络组图谱将会涌现出许多新的研究方向。例如，脑网络组图谱中每个亚区的功能确定需要认知科学、心理学和脑影像学等学科的联合研究，将会成为这些学科的共同科学前沿；利用脑网络组图谱研究不同的脑疾病，绘制神经精神疾病的脑网络组图谱的异常模式，以便发现脑疾病早期诊断和疗效评价的生物标志；利用脑网络组图谱进行神经外科手术导航、病灶定位和脑功能保护；脑网络组图谱为类脑计算和类脑智能系统设计提供新的科学依据，已经引起该领域的高度重视；此外，脑网络组图谱的研究也会引发新技术和新设备的研发。总之，脑网络组图谱将会成为脑科学和脑疾病研究的利器，将成为解剖学、神经科学、认知科学、神经心理学、神经病学、精神病和信息科学等学科的共同科学前沿，为脑科学和脑疾病及类脑计算和智能技术的研究带来革命性变化。