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        繪制全生命周期的人類大腦發(fā)育圖

        2022-06-27 09:50:48編譯莫莊非
        世界科學(xué) 2022年6期
        關(guān)鍵詞:圖表研究

        編譯 莫莊非

        研究人員匯總超過12萬次的腦部掃描,繪制了人類全生命周期的大腦發(fā)育圖譜

        不久前,賓夕法尼亞大學(xué)的神經(jīng)科學(xué)家雅各布·塞德利茨(Jakob Seidlitz)帶著他15個(gè)月大的兒子到兒科醫(yī)生處進(jìn)行檢查,但對檢查——他的兒子沒有任何健康問題——并不滿意,因?yàn)楦鶕?jù)醫(yī)生所使用的身高和體重圖表,這個(gè)小娃娃似乎正以標(biāo)準(zhǔn)速度發(fā)育著。問題在于,塞德利茨認(rèn)為目前缺少用以衡量他兒子大腦生長過程的等價(jià)度量/等效指標(biāo)?!傲钊苏痼@的是,醫(yī)生們就這個(gè)關(guān)鍵器官所掌握的生物學(xué)信息是如此之少?!?/p>

        不過他們或許很快就能改變現(xiàn)狀。塞德利茨與同事合作,收集匯總超過12萬次腦部掃描圖像——目前同類研究里的最大規(guī)?!?jiǎng)?chuàng)制了第一份貫穿全生命周期的大腦發(fā)育圖譜。這些圖表直觀顯示了人類大腦如何在生命早期快速擴(kuò)張,然后隨著年齡增長緩慢收縮?!蹲匀弧罚∟ature)雜志于2022年4月6日刊載了此項(xiàng)研究。

        神經(jīng)科學(xué)家對塞德利茨等人的成果感到震驚,他們的科研工作長期受制于可重復(fù)性問題,其中部分原因是樣本量小。磁共振成像(MRI) 價(jià)格昂貴,因此科學(xué)家往往要面對實(shí)驗(yàn)參與者人數(shù)不足的困難。

        佛羅里達(dá)國際大學(xué)認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)家安吉拉·萊爾德(Angela Laird)發(fā)表評論表示:“他們收集的海量數(shù)據(jù)集令人印象深刻,為本領(lǐng)域樹立了新標(biāo)準(zhǔn)。”

        共同作者、精神病醫(yī)師亞倫·亞歷山大-布洛赫(Aaron Alexander-Bloch)評論道:“基于神經(jīng)病學(xué)背景,標(biāo)準(zhǔn)化分?jǐn)?shù)在患有阿爾茨海默病或輕度認(rèn)知障礙的個(gè)體中分布呈現(xiàn)嚴(yán)重偏差,這令人驚訝;此外,精神分裂癥患者在某些大腦特征方面表現(xiàn)出相似程度的偏差,這也令人驚訝,盡管他們出現(xiàn)癥狀和確診疾病的時(shí)間通常處于生命周期里完全不同的階段?!?/p>

        不過作者也指出,他們的數(shù)據(jù)庫還不算是完備體系,現(xiàn)有圖表只是初稿,需要進(jìn)一步調(diào)整完善才可部署到臨床環(huán)境中。

        西雅圖華盛頓大學(xué)的兒科神經(jīng)學(xué)家漢娜·塔利(Hannah Tully)表示,如果這些圖表最終被推廣給了兒科醫(yī)生,他們需要非常小心謹(jǐn)慎地確保不出現(xiàn)理解上的差錯(cuò)。“一個(gè)看起來很完整很良好的大腦,不一定運(yùn)作良好?!?/p>

        繪圖絕非易事

        由于大腦結(jié)構(gòu)因人而異,因此研究人員不得不匯總大量掃描圖,創(chuàng)建一組具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義、權(quán)威性十足的生長圖表。用論文合著者、劍橋大學(xué)神經(jīng)科學(xué)家理查德·伯利恒(Richard Bethlehem)的話說,這并非易事,如果是自己去進(jìn)行數(shù)千次掃描,研究者面臨的時(shí)間成本將是數(shù)十年,經(jīng)濟(jì)成本則高到令人望而卻步,因此他們大概率會轉(zhuǎn)向已經(jīng)完成了的神經(jīng)影像學(xué)研究。

        伯利恒和塞德利茨向世界各地的研究人員發(fā)送電子郵件,詢問他們是否愿意為該項(xiàng)目分享自己的神經(jīng)影像數(shù)據(jù)。倆人對收到的回復(fù)數(shù)感到驚訝,不過可能因?yàn)镃OVID-19大流行,使研究人員身處實(shí)驗(yàn)室的時(shí)間更少,瀏覽電子郵件的時(shí)間更多了。

        研究團(tuán)隊(duì)總共收集了來自101 457位個(gè)體的123 894次MRI掃描樣本,個(gè)體年齡小到受孕后16周,大到100歲。MRI檢查是非常全面的,包括對神經(jīng)典型者的大腦掃描,以及對患有各種疾?。ㄈ绨柎暮D。┖蜕窠?jīng)認(rèn)知差異(包括自閉癥譜系障礙)人群的大腦掃描。研究人員使用統(tǒng)計(jì)模型從圖像中提取信息,并確保無論使用哪種類型的MRI機(jī)器,掃描結(jié)果都可直接相互比較。

        最終結(jié)果可以總結(jié)如下:從4個(gè)月大到3歲,大腦從其最大體積的10%增至80%,于11歲左右達(dá)到峰值1 066立方厘米,然后逐漸下降;灰質(zhì)體積從妊娠中期開始迅速增加,于6歲前達(dá)到峰值,然后開始緩慢下降;皮層下灰質(zhì)的體積在14歲半達(dá)到峰值;白質(zhì)體積從妊娠中期到兒童早期迅速增加,于29歲前達(dá)到峰值,50歲后開始加速下降。

        這只是一份“初稿”

        圣路易斯華盛頓大學(xué)的神經(jīng)科學(xué)家尼科·多森巴赫(Nico Dosenbach)認(rèn)為,收集到如此之多的數(shù)據(jù)集簡直就是“外交杰作”,而這個(gè)數(shù)據(jù)規(guī)模也應(yīng)當(dāng)是研究者匯總大腦圖像時(shí)需要踐行的標(biāo)準(zhǔn)。

        盡管數(shù)據(jù)集規(guī)模龐大,但正如前文所述,伯利恒和塞德利茨等人承認(rèn)新數(shù)據(jù)庫尚不完備,他們的工作存在神經(jīng)影像學(xué)研究特有的問題,例如:明顯缺乏多樣性,收集的腦部掃描主要來自北美和歐洲,不成比例地反映了大學(xué)生年紀(jì)、城市出身的白種人富裕人群的情況;來自南美和非洲的數(shù)據(jù)集分別僅有3個(gè)和1個(gè),不到研究所用全部腦部掃描的1%。劍橋大學(xué)的認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)家莎拉-杰恩·布萊克莫爾(Sarah-Jayne Blakemore)表示,這限制了研究結(jié)果的普遍性。

        萊爾德指出,全世界有數(shù)十億人無法使用MRI機(jī)器,這使得我們難以獲得多樣化的腦成像數(shù)據(jù)。不過作者團(tuán)隊(duì)仍在努力嘗試。他們推出了一個(gè)網(wǎng)站,并計(jì)劃在收到更多腦部掃描時(shí)實(shí)時(shí)更新生長圖表。

        另一個(gè)挑戰(zhàn)在于確定怎么樣對腦掃描圖的所有者給予恰當(dāng)信任。一些掃描來自開放訪問的數(shù)據(jù)集,但另一些不對研究人員開放。大多數(shù)封閉數(shù)據(jù)沒有通過審核,無法被納入大腦生長圖表,因此它們的所有者做了額外工作來分享它們——這些科學(xué)家也被加入了新成果的作者欄。

        研究人員強(qiáng)調(diào),該腦圖項(xiàng)目仍處于初級階段,需進(jìn)一步發(fā)展完善,包括納入更加多樣化(種族、社會經(jīng)濟(jì)和人口統(tǒng)計(jì)等)的參與者數(shù)據(jù)。塞德利茨總結(jié)道:“我們希望此項(xiàng)研究將是朝著促進(jìn)人類神經(jīng)影像學(xué)數(shù)據(jù)共享與合作努力邁出的一小步,有望為未來的研究提供一個(gè)共同框架,幫助調(diào)查和分享有關(guān)大腦發(fā)育以及神經(jīng)和精神疾病的結(jié)果。”

        資料來源 Nature

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