大腦是如何發(fā)育的？《自然》發(fā)布首個(gè)全生命周期人腦發(fā)育圖表

■傅昭儀

在人類(lèi)的發(fā)育成長(zhǎng)過(guò)程中，身高體重等這些數(shù)據(jù)都比較常見(jiàn)，人們可以隨時(shí)記錄它們，以此來(lái)大致了解身體的發(fā)育狀況。200 多年前，菲利貝爾·德·蒙貝拉醫(yī)生繪制了第一個(gè)生長(zhǎng)圖表，用來(lái)監(jiān)測(cè)他兒子的身高。這份圖表也被看作兒科醫(yī)療的奠基石。但是你知道自己的大腦是如何發(fā)育的嗎？

大腦指揮調(diào)動(dòng)著我們的一切，大腦發(fā)育的成熟程度會(huì)影響人們的行為以及心理狀態(tài)。沒(méi)有發(fā)育穩(wěn)定的大腦，就意味著對(duì)自己情緒的控制力、與他人交往溝通的能力都有待完善，甚至為衰老后患上神經(jīng)退行性疾病或精神疾病埋下種子。一直以來(lái)，科學(xué)家們希望量化人類(lèi)大腦成熟度和健康衰老之間的關(guān)系，但因?yàn)橹耙恢睕](méi)有有效的衡量指標(biāo)可以用來(lái)評(píng)估大腦生長(zhǎng)與年齡相關(guān)的變化，這個(gè)愿望始終沒(méi)有達(dá)成。

近日，來(lái)自英國(guó)劍橋大學(xué)、美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)等科學(xué)家團(tuán)隊(duì)的研究人員在《自然》上發(fā)表了一篇題為《Brain charts for the human lifespan》的研究，填補(bǔ)了這一空白。他們收集了來(lái)自全球逾10萬(wàn)例個(gè)體、超過(guò)12 萬(wàn)張核磁共振腦掃描圖的數(shù)據(jù)，年齡跨度從受孕16 周后的胎兒到100 歲的老人，從而繪制了全球首個(gè)全生命周期大腦發(fā)育的生長(zhǎng)圖表。這一珍貴的參考圖表向我們展示了人類(lèi)大腦是如何在生命早期迅速擴(kuò)張，并伴隨著生命的足跡而緩慢收縮的。該研究讓那些苦于研究重復(fù)問(wèn)題的神經(jīng)科學(xué)家大為驚艷。

艱難的大數(shù)據(jù)收集

腦科學(xué)研究長(zhǎng)期存在一組“主要矛盾”。一方面，腦結(jié)構(gòu)因人而異，要想創(chuàng)建一組具有統(tǒng)計(jì)意義的圖表或模型，必須納入足夠多的數(shù)據(jù)。另一方面，腦部MRI 掃描耗時(shí)長(zhǎng)，價(jià)格貴。用數(shù)十年的時(shí)間和高昂的成本去收集10 萬(wàn)人的腦部磁共振成像（MRI）數(shù)據(jù)，是一個(gè)讓人望而卻步的艱難任務(wù)。

此次研究的主要參與者神經(jīng)科學(xué)家雅各布·塞德利茨（Jakob Seidlitz）是個(gè)“大數(shù)據(jù)”追逐者，他和他的團(tuán)隊(duì)認(rèn)為與其花費(fèi)時(shí)間和成本，不如“尋找同盟”。在過(guò)去的幾十年里，神經(jīng)影像學(xué)已成為人腦基礎(chǔ)研究和臨床研究中無(wú)處不在的工具，世界各地都儲(chǔ)存著大量腦部磁共振成像。經(jīng)過(guò)討論，研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一個(gè)名為“腦圖（brainchart）”的開(kāi)源網(wǎng)站，允許用戶(hù)自主上傳、下載數(shù)據(jù)。然后，他們給全球各地的研究人員發(fā)電子郵件，詢(xún)問(wèn)其是否愿意在線共享腦部MRI 掃描數(shù)據(jù)。海量的回信讓人喜出望外，研究團(tuán)隊(duì)一共收集到101457 人的123894 張磁共振掃描。這些腦掃描涵蓋了所有年齡段的神經(jīng)認(rèn)知正常的人群，以及有阿爾茨海默癥等疾病和存在神經(jīng)認(rèn)知差異（包括自閉癥譜系障礙）的人群。研究團(tuán)隊(duì)利用統(tǒng)計(jì)學(xué)模型提取圖像中的信息，并確保這些圖像可以直接比較，無(wú)論當(dāng)時(shí)使用的是哪種磁共振儀。

據(jù)了解，這是迄今最大規(guī)模的神經(jīng)影像學(xué)研究，美國(guó)佛羅里達(dá)國(guó)際大學(xué)認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)家Angela Laird 說(shuō)：“他們匯總的這個(gè)大型數(shù)據(jù)集令人驚嘆，為領(lǐng)域設(shè)立了一個(gè)新的標(biāo)準(zhǔn)。”

數(shù)據(jù)研究的成果

研究團(tuán)隊(duì)使用標(biāo)準(zhǔn)化的神經(jīng)成像軟件從MRI 掃描中提取數(shù)據(jù)，最后按年齡繪制了包含皮質(zhì)灰質(zhì)（GMV）、白質(zhì)（WMV）、皮質(zhì)下灰質(zhì)（sGMV）和腦室腦脊液（腦室或CSF）等多個(gè)主要大腦指標(biāo)的曲線圖。這項(xiàng)研究的帶頭人之一，劍橋大學(xué)精神病學(xué)系的Richard Bethlehem 博士說(shuō)：“通過(guò)協(xié)調(diào)大腦圖像，我們能夠?qū)⒄麄€(gè)生命周期的數(shù)據(jù)結(jié)合在一起。它使我們能夠觀測(cè)大腦中發(fā)生的非常早期、快速的變化，以及隨著年齡的增長(zhǎng)而長(zhǎng)期、緩慢的衰退?！?/p>

此次研究中，研究團(tuán)隊(duì)觀察到了以下幾點(diǎn)：

灰質(zhì)總體積（GMV）和平均皮質(zhì)厚度會(huì)在發(fā)育早期達(dá)到峰值。GMV 從孕中期開(kāi)始迅速增加，在6 歲時(shí)達(dá)到峰值，隨后近線性下降。這一峰值的觀測(cè)時(shí)間比過(guò)往報(bào)告晚了2～3 年。

從孕中期到兒童早期，白質(zhì)總體積（WMV）也在迅速增加，于28.7 歲時(shí)達(dá)到峰值，50 年后則會(huì)加速下降。

控制基本身體功能和行為的皮層下灰質(zhì)體積，會(huì)在14.5歲時(shí)達(dá)到峰值。

神經(jīng)科學(xué)家格外關(guān)心腦脊液（CSF）空間增大，這一指標(biāo)變化通常與腦萎縮有關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)，2 歲前，相關(guān)指標(biāo)呈上升趨勢(shì)，到30 歲左右保持穩(wěn)定，然后緩慢地近線性增長(zhǎng)。到60 歲以后又呈指數(shù)增加。

研究還密切跟蹤了總大腦表面積和總大腦體積。兩者分別在10.97 歲和12.5 歲時(shí)達(dá)到峰值。

研究缺憾和臨床前景

許多精神疾病是非典型大腦發(fā)育的結(jié)果，阿爾茨海默癥和帕金森病等神經(jīng)退行性疾病會(huì)導(dǎo)致大腦中可觀察到的變化，發(fā)育性遺傳疾病也會(huì)導(dǎo)致大腦結(jié)構(gòu)異常。

現(xiàn)在，這些數(shù)據(jù)集已經(jīng)有大約165個(gè)不同的診斷標(biāo)簽。這意味著研究人員可以通過(guò)比較患者大腦體積與同齡人相比變化的速度來(lái)發(fā)現(xiàn)神經(jīng)退化的跡象。

不過(guò)，研究團(tuán)隊(duì)坦言，他們沒(méi)有擺脫神經(jīng)影像學(xué)研究特有的問(wèn)題，即缺乏多樣性?！叭蛴袛?shù)十億人無(wú)法用到MRI，其腦成像數(shù)據(jù)難以獲得。我們收集的數(shù)據(jù)主要來(lái)自北美和歐洲，白人、大學(xué)教育水平、城市和富裕人群占比非常大。僅有3 組來(lái)自南美的數(shù)據(jù)和1 組來(lái)自非洲的數(shù)據(jù)，占總數(shù)的1%?！彼麄冋f(shuō)，現(xiàn)在繪制出的曲線圖只是第一版草圖，數(shù)據(jù)仍在進(jìn)一步更新和優(yōu)化。

Bethlehem 博士解釋說(shuō)：“在未來(lái)，隨著我們整合更多的數(shù)據(jù)集并完善圖表，它們最終可能成為常規(guī)臨床實(shí)踐的一部分，被用來(lái)幫助評(píng)估接受阿爾茨海默癥等疾病篩查的患者。”