自動化研究所繪制出全新人類腦圖譜

中國科學院自動化研究所腦網絡組研究中心蔣田仔團隊聯合國內外其它團隊通過6年的努力，成功繪制出全新的人類腦圖譜：腦網絡組圖譜。該圖譜包括246個精細腦區亞區，以及腦區亞區間的多模態連接模式，突破了100多年來傳統腦圖譜繪制思想，引入了腦結構和功能連接信息對腦區進行精細劃分和腦圖譜繪制的全新思想和方法，比傳統的Brodmann圖譜精細4-5倍，具有客觀精準的邊界定位，第一次建立了宏觀尺度上的活體全腦連接圖譜。自2011年以來，這項系統性研究工作的部分成果陸續在Journal of Neuroscience, Cerebral Cortex, Human Brain Mapping 等刊物上發表，累計20余篇。近日，全腦精細分區圖譜及其全腦連接圖譜在Cerebral Cortex上在線發表（題為：The Human Brainnetome Atlas: A New Brain Atlas Based on Connectional Architecture），引起國際學術界廣泛關注。

人類腦圖譜是理解腦的結構和功能的基石。腦圖譜的發展由腦科學自身發展及神經技術的重大突破等因素共同驅動，經歷了不同的歷史階段。目前最常用的腦圖譜還是100多年前德國神經科學家Brodmann在單個人的尸體組織標本上利用細胞構筑繪制的腦圖譜，即Brodmann圖譜，雖然國外有些實驗室試圖利用超薄切片技術、染色技術以及顯微觀察技術，基于腦標本的超薄切片構建細胞構筑概率腦圖譜，希望在一定程度上細化Brodmann分區，但是由于不能針對特定個體進行腦區劃分，而且耗時耗力，其應用一定程度上受到限制。

近三十年來，以非侵入性磁共振技術為代表的一批成像技術可以在體、無創地對人腦以前所未有的時空分辨率進行成像，可以測量包括腦的形狀和大小，連接腦不同區域的神經纖維，以及腦不同回路或通路的功能活動變化等。利用磁共振成像技術在獲取大樣本活體腦影像的基礎上，能夠對腦結構和功能區進行精細劃分并制作出適用活體個體的腦圖譜。目前雖然已經有一些基于磁共振圖像構建的腦圖譜，但是基本都是基于結構磁共振成像，在腦區劃分上主要基于溝回拓撲分布，而且腦區定義非常粗糙，甚至存在明顯的錯誤，很難與腦的功能解剖相對應。

自動化所腦網絡組研究中心突破傳統腦圖譜繪制的瓶頸，提出了“利用腦結構和功能連接信息”繪制腦網絡組圖譜的思想。自2010年以來，該團隊在科技部、國家自然科學基金委以及中科院戰略性先導科技專項的資助下，聯合國內多家綜合性醫院及研究院所對腦網絡組圖譜的繪制方法和功能驗證進行系統的研究，對腦網絡組圖譜使用需要的工具和軟件進行了全面的評測。

腦網絡組圖譜不僅包含了精細的大腦皮層腦區與皮層下核團亞區結構，而且在體定量描繪了不同腦區亞區的解剖與功能連接模式，并對每個亞區進行了細致的功能描述。腦網絡組圖譜的構建將引領人類腦圖譜未來發展從標本走向活體，從粗糙走向精細，從單一的解剖結構描述到集成結構、功能和連接模式等多種知識的綜合描述，為實現腦科學和腦疾病研究的源頭創新提供基礎。腦網絡組圖譜能夠提供每個亞區的結構和功能連接模式，從而明確每個亞區的組織模式及功能意義，這為在宏觀尺度上研究腦與行為的關系提供了不可或缺的工具，將加深對于人類精神和心理活動的認識，為理解人腦結構和功能開辟了新途徑，并對未來類腦智能系統的設計提供重要的啟示。此外，腦網絡組圖譜能夠提供的個體化的精細腦區亞區以及定量的連接模式，不僅為神經及精神疾病的新型治療技術提供準確的定位，而且還將為腦中風損傷區域及癲癇病灶的定位、神經外科手術中的腦膠質瘤的精確切除、以及對功能腦區更嚴格有效的保護做出貢獻，從而能夠極大程度地推動此類技術在臨床神經精神疾病治療的應用，提高診斷質量與治療效果。

腦網絡組圖譜是人類腦圖譜發展和神經技術進步的必然趨勢，是腦科學、認知科學、認知心理學等相關學科取得突破的關鍵，它能為解析神經及精神疾病神經環路的結構和功能異常，并為發展新一代診斷、治療技術方法奠定堅實的基礎。