腦網(wǎng)絡(luò)組圖譜提出后，歐盟人腦計(jì)劃（Human Brain Project, HBP）第一時(shí)間將其收錄。此外，國際著名神經(jīng)影像分析軟件，如SPM等，也將腦網(wǎng)絡(luò)組圖譜作為主要人類腦圖譜提供給用戶使用。

雷鋒網(wǎng)《醫(yī)健AI掘金志》消息，近日，第四屆圖像計(jì)算與數(shù)字醫(yī)學(xué)國際研討會(huì)（ISICDM 2020），在遼寧省沈陽市的東北大學(xué)國際學(xué)術(shù)交流中心舉辦。

中科院自動(dòng)化所的蔣田仔教授以《The Human Brainnetome Atlas and its Applications in Understanding of Brain Functions and Disorders》為題作大會(huì)報(bào)告。

蔣田仔教授是歐洲科學(xué)院外籍院士、我國腦網(wǎng)絡(luò)組研究中心主任、腦網(wǎng)絡(luò)組重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任，同時(shí)也是IEEE Fellow、IAPR Fellow以及AIMBE Fellow。

他主要從事的領(lǐng)域包括多模態(tài)跨尺度腦網(wǎng)絡(luò)組圖譜研究、基于腦網(wǎng)絡(luò)圖譜的腦機(jī)融合和腦疾病早期預(yù)測(cè)和精準(zhǔn)治療。

以下為蔣田仔教授的大會(huì)報(bào)告內(nèi)容。經(jīng)授權(quán)，《醫(yī)健AI掘金志》作了不改變?cè)獾木庉嫼驼恚?/p>

蔣田仔：大家好，今天報(bào)告的題目叫《腦網(wǎng)絡(luò)組圖譜及其在腦認(rèn)知與腦疾病方面的應(yīng)用》，將分為以下幾個(gè)方面：

首先，介紹什么是腦網(wǎng)絡(luò)組圖譜，接著重點(diǎn)介紹怎么繪制并驗(yàn)證圖譜，以及圖譜的應(yīng)用和對(duì)未來的展望。

在講腦網(wǎng)絡(luò)組圖譜之前，首先要講一下什么叫腦網(wǎng)絡(luò)組。

所謂腦網(wǎng)絡(luò)組（brainnetome）是由兩個(gè)基本要素構(gòu)成，一是網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)（node），二是節(jié)點(diǎn)跟節(jié)點(diǎn)的連接（connection）。

腦網(wǎng)絡(luò)組至少可以從三個(gè)不同的尺度進(jìn)行定義和研究：節(jié)點(diǎn)為神經(jīng)元（neuron）的微觀尺度、節(jié)點(diǎn)為神經(jīng)元群的介觀尺度（mesoscale）、節(jié)點(diǎn)為腦區(qū)的宏觀尺度。

從微觀尺度看，人腦有1011個(gè)神經(jīng)元和1015個(gè)連接，所以如果要從微觀尺度研究全腦是不可能的，至少以目前的計(jì)算資源是無法做到的。以后如果出現(xiàn)量子計(jì)算機(jī)什么的才有可能。

更小的規(guī)模就是介觀尺度。介觀尺度以目前的算力和計(jì)算水平也達(dá)不到全腦研究的要求。

今天要講的主要是宏觀尺度。宏觀尺度就是連接腦區(qū)，在腦區(qū)跟腦區(qū)之間可以定義解剖連接(anatomical connectivity)、功能連接（functional connectivity）等等。

我認(rèn)為腦網(wǎng)絡(luò)組至少包括以下五個(gè)方面的研究內(nèi)容。

第一個(gè)方面是網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；

第二個(gè)方面是網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律；

第三個(gè)方面是不同的腦功能，如功能異常在網(wǎng)絡(luò)上是怎么表征的；

第四個(gè)方面是一些特定的網(wǎng)絡(luò)。如跟智力、注意等相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)是否有遺傳基礎(chǔ)；

第五個(gè)方面是對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行仿真與建模；

如果大家對(duì)腦網(wǎng)絡(luò)組有興趣，可以去看我于2013年發(fā)表在《NeuroImage》上的一篇文章《Brainnetome：A new -ome to understand the brain and its disorders》，里面詳細(xì)介紹了什么叫腦網(wǎng)絡(luò)組，以及一些腦網(wǎng)絡(luò)組研究的基本內(nèi)容。

下面再回到今天的主題，腦網(wǎng)絡(luò)組圖譜。

我認(rèn)為所謂的腦圖譜繪制，某種意義上就是圖像處理。它是在尋找具有不同特性的腦區(qū)之間的邊界，某種意義上就是一種圖像分割。

最早的圖譜叫Brodmann圖譜。目前而言，該圖譜是腦認(rèn)知及腦疾病研究中使用得比較多的圖譜。

Brodmann圖譜主要是基于細(xì)胞構(gòu)筑進(jìn)行繪制的腦圖譜。

細(xì)胞構(gòu)筑的意思就是看細(xì)胞的形狀。這一片跟那一片的形狀長得很類似，他們認(rèn)為就在同一個(gè)腦區(qū)；這一片跟另一片在形狀上有明顯的不同，他們就認(rèn)為在不同的腦區(qū)。這就是Brodmann圖譜繪制的基本思想。

Brodmann把皮層分成了52個(gè)不同的區(qū)域。現(xiàn)在看來，這個(gè)分區(qū)是非常粗糙的，而且有好多邊界其實(shí)是錯(cuò)的。

1996年前后，德國于利希研究中心（Forschungszentrum Jülich）下面的神經(jīng)科學(xué)與醫(yī)學(xué)研究所（Institute of Neuroscience and Medicine）就是想改造Brodmann圖譜。

這個(gè)研究所用的思想跟Brodmann是完全一樣的，還是把去世后的人捐獻(xiàn)的腦袋切成一片片，然后染色，看每一片上面的邊界在什么地方，再將它組成三維的。

這項(xiàng)研究從1996年到現(xiàn)在，二十多年過去了，盡管已經(jīng)在《Science》上發(fā)表了兩篇文章，但仍然沒有完成全腦圖譜的繪制。

因?yàn)橛幸恍┠X區(qū)的細(xì)胞構(gòu)筑比較復(fù)雜，很容易就能把它分成不同的類型；但還有一些腦區(qū)的細(xì)胞類型非常一致，這樣的腦區(qū)，如果完全基于細(xì)胞構(gòu)筑的話，是沒辦法區(qū)分開的。

2010年左右，我們開始醞釀中國的973項(xiàng)目，設(shè)想的第一件事就是要用五年左右的時(shí)間重新繪制一個(gè)腦圖譜。

當(dāng)時(shí)如果完全沿用國外原有的腦圖譜繪制思想是不可能完成的。因?yàn)閲庾隽四敲撮L時(shí)間都沒有完成，我們?cè)趺纯赡芪迥昃湍芡瓿伞?/p>

所以我們走了一條完全不一樣的道路。

圖像處理相關(guān)領(lǐng)域的人應(yīng)該都了解，腦圖像的基本單元不是一個(gè)個(gè)細(xì)胞，到不了那個(gè)程度。腦圖像的基本單位并不是細(xì)胞，而是體素。二維圖像的最小單位是像素，三維的最小單位就是體素。

腦圖像跟其他圖像有一個(gè)本質(zhì)的區(qū)別，那就是腦圖像的每一個(gè)體素都可以定義跟全腦其他體素之間的連接。所以只要拿一個(gè)體素出來，就可以定義它在全腦的連接，即所謂的連接模式（Connectivity Profile）。

有了這個(gè)東西以后，就可以比較體素和體素之間的連接模式是否一樣。連接模式一樣的話，那么它們就在同一個(gè)區(qū)域里；不一樣的話，就在不同的腦區(qū)。

這就是腦網(wǎng)絡(luò)組圖譜繪制的最基本的思想。

首先，需要有人的磁共振圖像以及結(jié)構(gòu)像。如果要進(jìn)一步定義連接模式，除了結(jié)構(gòu)像以外，我們還需要用于定義解剖連接的彌散磁共振成像，以及可以定義功能連接的功能磁共振成像。

經(jīng)過反復(fù)的論證，我們認(rèn)為只有解剖連接才有可能作為繪制圖譜的工具。

由于功能連接會(huì)受各種各樣的因素影響，尤其是時(shí)間因素——早上跟晚上采集的，功能上有可能也不一樣，這種隨時(shí)間動(dòng)態(tài)變化的東西，是沒辦法用于繪制圖譜的。所以我們使用的是彌散磁共振成像。

我們花了大概兩年時(shí)間——由于不同的腦區(qū)有著不一樣的特性，繪制全腦的圖譜還是面臨著很多挑戰(zhàn)——建立了腦圖譜繪制的框架。有了這個(gè)框架以后，就可以對(duì)不同的腦區(qū)進(jìn)行劃分。

像內(nèi)后皮質(zhì)（posteromedial cortex）這個(gè)區(qū)域(左上圖藍(lán)色部分)的細(xì)胞構(gòu)筑非常復(fù)雜，用細(xì)胞構(gòu)筑去區(qū)分腦區(qū)是沒有任何問題的。但是剛才說了，我們希望能夠走另外一條道路。

所以，我們基于彌散磁共振成像來看這個(gè)區(qū)域跟前額的連接，把它建立起來以后，發(fā)現(xiàn)這個(gè)腦區(qū)可以分成五個(gè)不同的亞區(qū)。

這個(gè)方法跟傳統(tǒng)的方法相比有一個(gè)最大的好處，就是不僅能夠提供分區(qū)——這是傳統(tǒng)腦圖譜繪制的最終目標(biāo)，還能夠提供每一個(gè)亞區(qū)跟全腦其他腦區(qū)之間的連接模式——這個(gè)就叫連接圖譜。

所謂腦網(wǎng)絡(luò)組圖譜，就是比以前更加精細(xì)的分區(qū)，加上每一個(gè)腦區(qū)跟全腦區(qū)來連接的連接圖譜。我們不叫它腦圖譜，這個(gè)意義也就在這個(gè)地方。

這個(gè)例子就告訴我們，傳統(tǒng)的基于細(xì)胞構(gòu)筑的方法能做的事情，腦網(wǎng)絡(luò)組圖譜也能做。但是腦網(wǎng)絡(luò)組圖譜能夠提供更多的信息。這個(gè)信息就是連接圖譜。這是第一點(diǎn)。

對(duì)于一些細(xì)胞構(gòu)筑比較單一的腦區(qū)，如顳極這個(gè)區(qū)域就可以利用連接模式，把它分成三個(gè)不同的亞區(qū)。這三個(gè)不同亞區(qū)的連接模式是完全不一樣的。

這就是功能連接模式的指紋圖，這三個(gè)不同的亞區(qū)跟全腦的連接完全不同。我們不光可以定義它的解剖連接，也可以基于三個(gè)亞區(qū)定義它的功能連接。

這個(gè)例子說明，傳統(tǒng)的方法，即完全基于細(xì)胞構(gòu)筑去做分區(qū)的方法是區(qū)分不開的，但是利用連接模式就可以把它分成不同的亞區(qū)。傳統(tǒng)方法做不到的事情，我們能夠做到。

我們?cè)?016年完成了對(duì)全腦的皮層和皮層下的分區(qū)。皮層分成210個(gè)不同的亞區(qū)，皮層下分成了36個(gè)不同亞區(qū)，加在一起就是246個(gè)不同亞區(qū)。這就是腦網(wǎng)絡(luò)組圖譜的分區(qū)結(jié)果。

左邊這個(gè)圖的下方和右邊最上方提示的就是連接圖譜。

圓環(huán)，就是相當(dāng)于把246個(gè)亞區(qū)放在一個(gè)圓環(huán)上面，點(diǎn)擊任何一個(gè)亞區(qū)就能夠展示跟全腦其他地方是怎么連接的。包括右邊那個(gè)可以動(dòng)來動(dòng)去的圖，也可以展示不同亞區(qū)的連接模式是什么樣的。

這個(gè)工作出來以后在國際上引起了一些非常重要的反響。George Paxinos就認(rèn)為腦網(wǎng)絡(luò)組圖譜實(shí)際上開辟了腦圖譜繪制的新篇章。

現(xiàn)在，腦網(wǎng)絡(luò)組圖譜相關(guān)的軟件也已經(jīng)開放共享給國內(nèi)外相關(guān)研究領(lǐng)域的科研人員和臨床醫(yī)生免費(fèi)使用。

腦網(wǎng)絡(luò)組圖譜出來以后，歐盟人腦計(jì)劃（Human Brain Project, HBP）第一時(shí)間就將它收錄到了平臺(tái)里面。此外，一些國際著名神經(jīng)影像分析軟件，如SPM，也將腦網(wǎng)絡(luò)組圖譜作為主要人類腦圖譜提供給用戶使用。

接下來介紹怎么驗(yàn)證這個(gè)圖譜是合理的。主要是從三個(gè)層面驗(yàn)證。

第一個(gè)最簡單的就是跨模態(tài)比較（Cross-modality Comparison）。比如說用DTI（磁共振彌散張量成像）技術(shù)定義解剖連接模式得出的結(jié)果，和用功能連接、細(xì)胞構(gòu)筑或其他模態(tài)得出的分區(qū)結(jié)果是否一致？

第二個(gè)層面是從遺傳機(jī)制這個(gè)全新的角度去證明其合理性。

第三個(gè)層面是最重要的，即能否基于連接模式預(yù)測(cè)腦區(qū)的功能在什么地方。比如說進(jìn)行記憶任務(wù)時(shí)會(huì)激活某些區(qū)域，而如果基于解剖連接就能預(yù)測(cè)哪個(gè)地方會(huì)被激活，這就更上一個(gè)層次了。

先從第一個(gè)層面給大家介紹不同模態(tài)之間怎么去驗(yàn)證。

這個(gè)驗(yàn)證的背景在于，腦區(qū)的劃分有基于細(xì)胞構(gòu)筑的，有基于解剖連接的，有基于功能連接的等等。那么，這些不同的劃分方式是否能夠得出一樣的分區(qū)結(jié)果？

如Broca區(qū)（布羅卡皮層區(qū)）基于細(xì)胞構(gòu)筑已經(jīng)區(qū)分出了很多腦區(qū)，那么再用解剖連接進(jìn)行劃分，得出來的結(jié)果跟基于細(xì)胞構(gòu)筑區(qū)分出的結(jié)構(gòu)是否一樣？

我們發(fā)現(xiàn)結(jié)果非常一致。

此外，也可以基于連接模式把Wernicke's area（韋尼克區(qū)）分成三個(gè)不同的亞區(qū)，然后再通過術(shù)中電刺激（Intraoperative Electrical Stimulation）刺激每一個(gè)亞區(qū)，看哪些亞區(qū)是跟語言有關(guān)的，或者去看不同亞區(qū)的功能是否一樣。這也是一種驗(yàn)證方式。

除了皮層上面的腦區(qū)可以用跨模態(tài)驗(yàn)證，皮層下的腦區(qū)也可以，如伏隔核(nucleus accumben)。用三種不同的成像模式所獲得的伏隔核的分區(qū)結(jié)果是完全一樣的。

第二個(gè)層面的驗(yàn)證則基于遺傳相關(guān)性。這方面在人和動(dòng)物上已經(jīng)有了一些突破性的進(jìn)展。

2011年，《NEURON》上發(fā)表了一篇文章，里面利用了雙生子進(jìn)行計(jì)算。同卵雙生的遺傳系數(shù)是1，異卵的則為0.5。

這就是所謂的雙生子模型。

雙生子模型是怎么做的呢？先提取人的皮層，進(jìn)行三角剖分。每一個(gè)三角片都可以算出一個(gè)面積。因?yàn)槿瞧皇堑热瞧写笥行。@樣就可以把每個(gè)頂點(diǎn)作為節(jié)點(diǎn)，然后用一個(gè)模型去算遺傳相關(guān)系數(shù)。

所謂遺傳相關(guān)系數(shù)，就是以三角形的頂點(diǎn)作為節(jié)點(diǎn)重新劃分皮層，得到一個(gè)遺傳相關(guān)矩陣（Genetic correlation matrix），在這上面去聚類，就可以把不同的亞區(qū)聚在不同的類里面。

這種方式既沒有用到連接模式，也沒有用到細(xì)胞構(gòu)筑，但分區(qū)的結(jié)果跟基于連接模式得出的結(jié)果幾乎是完全一樣的。

這就說明邊界的形成，即patterning，可能先天就是如此，后天也許會(huì)有一些改變，但那些改變?cè)诖蟪叨壬峡赡苁俏⒉蛔愕赖摹＿@是另外一種驗(yàn)證方式。

第三個(gè)層面，基于連接模式，甚至能夠預(yù)測(cè)人在進(jìn)行某種任務(wù)時(shí)大腦所激活的區(qū)域。

我們不是第一個(gè)提出來的，我們只是想用這個(gè)方式去驗(yàn)證它。

2012年《NAT NEUROSCI》上有一篇文章表示，基于DTI的解剖連接能夠預(yù)測(cè)一些非常簡單的區(qū)域，如面孔識(shí)別的區(qū)域，特別是梭狀回。識(shí)別面孔時(shí)，大腦的哪個(gè)區(qū)域會(huì)被激活？如果基于彌散磁共振成像所獲得的解剖連接同樣能夠預(yù)測(cè)到哪個(gè)地方有激活，這就很有意思了。

但更為關(guān)鍵的問題是，現(xiàn)在已經(jīng)能夠預(yù)測(cè)一個(gè)腦區(qū)，那么全腦的其他功能區(qū)域能不能預(yù)測(cè)？

第二個(gè)非常關(guān)鍵的問題是，現(xiàn)在只是能夠預(yù)測(cè)一些很簡單的腦區(qū)，如動(dòng)手指、識(shí)別面孔等等，那么對(duì)于像工作記憶(workingmemory)這樣的區(qū)域——復(fù)雜且激活的是多個(gè)腦區(qū)，能否進(jìn)行預(yù)測(cè)？如果能夠預(yù)測(cè)，不同腦區(qū)的預(yù)測(cè)效果是否一樣？

為了解決這個(gè)問題，我們利用了一個(gè)跟機(jī)器學(xué)習(xí)有關(guān)的非常重要的模型。

研究使用的是美國Human Connectome Project（HCP，人腦連接組計(jì)劃）的數(shù)據(jù)，里面提供了七個(gè)不同的任務(wù)，有工作記憶、體育、社會(huì)相關(guān)的、語言的等等，每個(gè)任務(wù)都會(huì)導(dǎo)致一些腦區(qū)的激活。

我們列出了兩列數(shù)據(jù)，一列是用解剖連接預(yù)測(cè)出來的結(jié)果，一列是真實(shí)的激活組。兩組數(shù)據(jù)一比較，幾乎是一模一樣的。所以第一個(gè)結(jié)論就是，任何一個(gè)任務(wù)都可以用彌散磁共振成像提供的解剖連接的方式進(jìn)行預(yù)測(cè)。

如果能夠預(yù)測(cè)到，預(yù)測(cè)的效果是否一樣？為了判斷這個(gè)問題，我們定義了一種指標(biāo)，Connectivity-function Relationship（CFR），用于刻畫預(yù)測(cè)精度。

CFR這樣一個(gè)量，它在全腦的分布是否一樣？也就是說，兩個(gè)完全不同的腦區(qū)，比如說聯(lián)合皮層跟感覺運(yùn)動(dòng)皮層，即一些復(fù)雜的皮層跟簡單一點(diǎn)的皮層相比較，它是一樣？還是不一樣？我們就發(fā)現(xiàn)不同腦區(qū)的CFR實(shí)際上是不一樣的。

CFR不僅不一樣，還有一個(gè)層級(jí)結(jié)構(gòu)，即越簡單的腦區(qū)，預(yù)測(cè)的精度就越高。按照從簡單到復(fù)雜的順序，把這七個(gè)任務(wù)相關(guān)的腦網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行排序，可以發(fā)現(xiàn)和視覺、運(yùn)動(dòng)相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)的CFR指標(biāo)很高，即預(yù)測(cè)的精度很高。

CFR指標(biāo)會(huì)隨著從簡單到復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)，呈現(xiàn)出從高到低，逐步遞減的趨勢(shì)。

而這樣的層級(jí)結(jié)構(gòu)，其分布方式跟大腦本身的很多生物學(xué)意義是完全一致的。

比如Myelin（髓磷脂），就是說髓鞘化功能的靈活性、個(gè)體之間的功能差異，也有這樣一種從簡單到復(fù)雜、CFR指標(biāo)從高往低的排序過程。CFR指標(biāo)跟它有非常好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

大家如果對(duì)這個(gè)問題感興趣，可以看看我們最近剛發(fā)表在《CEREBRAL CORTEX》上的一篇文章。

下面再講幾個(gè)應(yīng)用的例子。

第一，通過腦網(wǎng)絡(luò)組圖譜可能會(huì)發(fā)現(xiàn)一些新的腦區(qū)。

第二，與抑郁癥有關(guān)。我們發(fā)現(xiàn)男女在調(diào)節(jié)情緒方面使用的是完全不同的網(wǎng)絡(luò)。

第三，腦網(wǎng)絡(luò)組圖譜可能會(huì)給疾病的診斷或治療帶來一些全新的觀點(diǎn)。

第一個(gè)應(yīng)用以旁海馬腦區(qū)（lateral parahippocampal region）為例。

為什么以旁海馬為例呢？主要是因?yàn)檫@個(gè)跟老年癡呆有關(guān)。

像心理疾病、AD（阿爾茲海默癥）這樣的精神類疾病，影像到底能在多大程度上幫助醫(yī)生進(jìn)行診斷？這方面的知識(shí)實(shí)際上非常有限。盡管文章發(fā)了很多，但要應(yīng)用到臨床還是非常困難的。

但旁海馬這個(gè)腦區(qū)，包括內(nèi)側(cè)顳葉、腦皮質(zhì)的萎縮可以用于輔助診斷AD。早在2007年，歐盟的指南里就已經(jīng)提到了內(nèi)側(cè)顳葉。旁海馬實(shí)際上只是內(nèi)側(cè)顳葉的一小部分。

以前的傳統(tǒng)是將旁海馬分成前層跟后層。基于前層旁海馬和后層旁海馬，又提出了一個(gè)所謂的記憶系統(tǒng)。跟前層旁海馬相連的那些腦區(qū)所構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)叫前記憶系統(tǒng)；跟后層旁海馬相連的那些腦區(qū)所構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)就叫后記憶系統(tǒng)。

關(guān)于模型的提出發(fā)表在《Nat Rev Neurosci》上。這個(gè)模型出來以后，很多研究都想借助它解釋一些跟情緒相關(guān)的現(xiàn)象，但實(shí)際上沒辦法解釋。所以這樣就提出了非常嚴(yán)格的條件。

而用腦網(wǎng)絡(luò)組圖譜的思想對(duì)旁海馬重新分區(qū)以后，發(fā)現(xiàn)旁海馬不僅有前后兩個(gè)分區(qū)，而是至少可以分成前、中、后三個(gè)分區(qū)。

經(jīng)過反復(fù)的驗(yàn)證，從功能連接，到跟海馬從前到后的連接強(qiáng)度、跟內(nèi)嗅皮層從前到后的連接強(qiáng)度等等，發(fā)現(xiàn)這三個(gè)腦區(qū)的模式是完全不同的，這就證明了旁海馬有三個(gè)分區(qū)。

分出三個(gè)分區(qū)的意義就在于，以前的模型要重新改寫，包括旁海馬的連接圖譜都要發(fā)生變化，以前的圖譜就不能再用了。

更重要的是，我們發(fā)現(xiàn)AD病人的旁海馬經(jīng)歷了前、中、后這樣一個(gè)漸變的過程。在較早的時(shí)候，可能只有最前層開始萎縮，慢慢地往中間的過渡，等老年癡呆以后，整個(gè)旁海馬都開始萎縮了。

所以，使用腦網(wǎng)絡(luò)組圖譜的話，可能可以在很早的時(shí)候就發(fā)現(xiàn)這些蛛絲馬跡，而不是等到造成了災(zāi)難性的后果以后才能知道。

這個(gè)例子就說明，基于腦網(wǎng)絡(luò)組圖譜可以去發(fā)現(xiàn)一些從前沒有發(fā)現(xiàn)的腦區(qū)，并且能夠給出一個(gè)非常清楚的解釋。

下面再講一下第二個(gè)應(yīng)用的例子。

現(xiàn)在抑郁癥病人中，女性要比男性多很多。這是流行病學(xué)調(diào)查的數(shù)據(jù)，誰也不能解釋為什么是這樣的。另一方面，情緒調(diào)節(jié)是抑郁癥最核心的一個(gè)癥狀。

那么我們就要問，哪些腦區(qū)或者一個(gè)什么樣的腦網(wǎng)絡(luò)是支撐情緒調(diào)節(jié)的？

這個(gè)問題到現(xiàn)在并沒有非常清晰的答案。但有一些腦區(qū)跟情緒調(diào)節(jié)有關(guān)是非常明確的。像Amygdala，即杏仁核腦區(qū)，就是跟情緒調(diào)節(jié)有關(guān)的，而且這個(gè)結(jié)論非常明確。

那么就以杏仁核為出發(fā)點(diǎn)，計(jì)算它跟全腦的連接強(qiáng)度，然后再按照連接強(qiáng)度跟情緒調(diào)節(jié)的分?jǐn)?shù)之間的相關(guān)性，看女性和男性之間是否存在差別。

我們發(fā)現(xiàn)，如果用傳統(tǒng)的圖譜，即把整個(gè)杏仁核作為一個(gè)腦區(qū)進(jìn)行分析，兩者是沒有差別的。

那么再往前走一步，用新的圖譜把杏仁核分成三個(gè)不同亞區(qū)，即centromedial nuclei group（CM）、laterobasal nuclei group（LB）跟the superficial nuclei group（SF）。

在這三個(gè)亞區(qū)上重復(fù)剛才的過程，即計(jì)算這三個(gè)亞區(qū)跟全腦的連接強(qiáng)度，再去跟情緒調(diào)節(jié)的分?jǐn)?shù)做相關(guān)性分析，看女性和男性之間到底有沒有本質(zhì)的區(qū)別。

我們招募了三百多個(gè)大學(xué)生進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)很有意思的現(xiàn)象。

央內(nèi)側(cè)核（CM of Amygdala）和額上回（superior frontal gyrus）的連接強(qiáng)度，跟情緒調(diào)節(jié)的分?jǐn)?shù)做相關(guān)性分析以后，在男性里面呈現(xiàn)正相關(guān)，女性里面則呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)。

但同樣是中央內(nèi)側(cè)核，它跟島葉（insula）或顳上回（superior temporal gyrus）這樣一些腦區(qū)的連接強(qiáng)度，跟情緒調(diào)節(jié)的分?jǐn)?shù)做相關(guān)以后，男性里面又變成了負(fù)相關(guān)，女性里面則變成了正相關(guān)。

這也就說明，男性和女性使用了兩個(gè)完全不同的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行情緒調(diào)節(jié)。這是非常有意思的一個(gè)證據(jù)。

這個(gè)例子也說明，如果仍然使用老圖譜，也許什么有意思的結(jié)果都發(fā)現(xiàn)不了。但如果使用新的圖譜，就會(huì)發(fā)現(xiàn)類似這樣一個(gè)非常有意思的現(xiàn)象。而以前基于老圖譜得出的很多結(jié)論有可能要重寫。

再講一個(gè)和診斷有關(guān)的例子。

大家都知道，現(xiàn)在精神類疾病沒有定量的生物標(biāo)志，基本都是靠醫(yī)生的經(jīng)驗(yàn)對(duì)病人進(jìn)行問癥分析，進(jìn)而做出診斷。

而我們通過腦網(wǎng)絡(luò)組圖譜，提取紋狀體進(jìn)行分析，定義了一個(gè)紋狀體功能異常（Functional Striatal Abnormality, FSA）的定量指標(biāo)。

我們基于973項(xiàng)目采集了五年所得到的數(shù)據(jù)，包含了千余例精神分裂癥患者與正常對(duì)照的多模態(tài)影像學(xué)數(shù)據(jù)。其中，有七家醫(yī)院，每家醫(yī)院都有大概中等規(guī)模的樣本。而紋狀體功能異常能夠在另外的至少七家醫(yī)院里面非常好地重復(fù)。

可重復(fù)性是能不能形成生物標(biāo)志的最關(guān)鍵的因素。比如說，你發(fā)現(xiàn)了一個(gè)精神分裂癥患者與正常對(duì)照異常的指標(biāo)，但是無法在不同機(jī)型的機(jī)器上得到重復(fù)性的結(jié)果，那么這個(gè)指標(biāo)就是無效的。

現(xiàn)在發(fā)表的大部分研究成果都是在單中心上做出來的，但這個(gè)中心得出的結(jié)果，在另外一個(gè)中心卻未必能夠重復(fù)。

所以我們第一步就發(fā)現(xiàn)這七個(gè)中心都能很好地重復(fù)紋狀體功能異常這個(gè)指標(biāo)。

接著，基于這個(gè)指標(biāo)，可以回過頭來，利用深度學(xué)習(xí)等其他知識(shí)去做分類，發(fā)現(xiàn)它是一個(gè)能夠很好地將精神分裂癥和正常人區(qū)分開的生物標(biāo)志。

病人服用現(xiàn)在常用的藥物進(jìn)行治療以后，其生物標(biāo)志的異常是否減輕？或者一個(gè)藥物療程以后，病人的癥狀有明顯的改善，這時(shí)的指標(biāo)是否也已經(jīng)往正常水平靠攏？答案是肯定的。

這個(gè)例子就說明，可以基于腦網(wǎng)絡(luò)組圖譜，去尋找一些疾病診斷的生物標(biāo)志。

再講一個(gè)跟治療有關(guān)的例子。

現(xiàn)有的證據(jù)證明，對(duì)帕金森這類神經(jīng)退行性的疾病來說，藥物治療的意義其實(shí)不是特別大。但現(xiàn)在有其他的治療方式，像DBS（Deep Brain Stimulation）就明顯比藥物治療的效果要好。但DBS治療也有副作用，它會(huì)導(dǎo)致抑郁、自殺等等。

DBS治療的靶點(diǎn)主要在丘腦底核(subthalamus nucleus ，STN)。而丘腦底核可以分成三個(gè)不同亞區(qū)，分別跟運(yùn)動(dòng)、情緒、社會(huì)認(rèn)知功能有關(guān)。如果電極剛好放在跟運(yùn)動(dòng)有關(guān)的腦區(qū)，那么治療效果可能就很好。

但是如果放偏了，放在了跟情緒有關(guān)的腦區(qū)——本來帕金森不是情緒障礙，這就等于是來回刺激一個(gè)正常的腦組織，就會(huì)從正常變成異常，從而導(dǎo)致抑郁、自殺；當(dāng)電極放偏到跟社會(huì)認(rèn)知功能有關(guān)的地方，可能就會(huì)導(dǎo)致社會(huì)認(rèn)知功能障礙。

本來有了腦網(wǎng)絡(luò)組圖譜以后，以前的那些問題都不是問題了，但就是因?yàn)殡姌O放錯(cuò)了位置，反而導(dǎo)致了新的問題。

所以要如何解決這個(gè)電極放置的問題？首先，醫(yī)生要利用腦網(wǎng)絡(luò)組圖譜找到合適的位置。但光有圖譜，有經(jīng)驗(yàn)的醫(yī)生可能可以一放一個(gè)準(zhǔn)，新醫(yī)生卻未必能放準(zhǔn)。

所以我們希望能夠建造一個(gè)手術(shù)機(jī)器人，手術(shù)規(guī)劃好以后由機(jī)器人去放置電極。為此，我們提出了一個(gè)新名詞——腦網(wǎng)絡(luò)組圖譜導(dǎo)航的手術(shù)機(jī)器人（Brainnetome Atlas Guided Neurosurgical Robot）。第一款機(jī)器人馬上就要出來了。

簡單地總結(jié)一下。

今天介紹了一個(gè)新的圖譜——腦網(wǎng)絡(luò)組圖譜，是用跟以前完全不一樣的基于解剖連接的信息構(gòu)造的。

接著介紹了腦網(wǎng)絡(luò)組圖譜的作用，并通過不同的方式證明它是合理的。腦網(wǎng)絡(luò)組圖譜可以用于發(fā)現(xiàn)新的腦區(qū)，也可以用來尋找疾病診斷的生物標(biāo)志，還可以提供神經(jīng)調(diào)控的精準(zhǔn)靶點(diǎn)等等。

腦網(wǎng)絡(luò)組圖譜不僅僅是一個(gè)圖譜，而是開辟了一個(gè)新的領(lǐng)域。

現(xiàn)在研究的方向分為“一體兩翼”。

“一體”就是腦網(wǎng)絡(luò)組圖譜本身。比如說，我們現(xiàn)在只是構(gòu)建了一個(gè)人類腦圖譜，那么能不能把圖譜個(gè)體化？有沒有一種方式能夠?qū)⒚總€(gè)病人的圖譜快速地繪制出來？包括整個(gè)老化過程、發(fā)育過程對(duì)圖譜是怎么影響的等等。

更重要的是每一個(gè)腦區(qū)的功能是什么？像情緒記憶等等有哪些腦區(qū)參與了？這里面實(shí)際上有很多東西可以研究。這個(gè)就叫“一體”，就是關(guān)注圖譜。

除了腦圖譜本身的研究以外，還有“兩翼”，即兩個(gè)應(yīng)用。

一個(gè)是跟“類腦”有關(guān)，也就是所謂的環(huán)路特異性的腦機(jī)交互，或者腦機(jī)融合。

另一個(gè)就是疾病的診療。前面已經(jīng)舉了兩個(gè)例子，就已經(jīng)不言自喻。引入新的圖譜以后，可能很多結(jié)論都會(huì)發(fā)生變化。大數(shù)據(jù)，加上腦網(wǎng)絡(luò)組圖譜，再加上人工智能的一些新方法，可能會(huì)讓現(xiàn)在腦疾病面臨的一些瓶頸問題取得突破。

除了繪制人的腦網(wǎng)絡(luò)組圖譜，還可以繪制獼猴的腦網(wǎng)絡(luò)組圖譜。因?yàn)楂J猴的腦袋跟人腦比較相似，所以獼猴是研究人類很多疾病所必須的一個(gè)模型。

更重要的是，我們不僅可以建立宏觀尺度的腦網(wǎng)絡(luò)組圖譜，還可以在獼猴上建立介觀尺度的圖譜。

所謂建立介觀尺度的腦網(wǎng)絡(luò)組圖譜，就是在宏觀尺度的基礎(chǔ)上，利用其他技術(shù)，把細(xì)胞尺度上面的不同連接統(tǒng)統(tǒng)構(gòu)建出來。

未來我們也有一些國際合作項(xiàng)目。比如跟于利希中心有一個(gè)國際合作重點(diǎn)項(xiàng)目，主要是想把細(xì)胞構(gòu)筑的分區(qū)跟基于連接模式進(jìn)行分區(qū)的兩個(gè)結(jié)果放在一起進(jìn)行比較。

腦網(wǎng)絡(luò)組圖譜研究項(xiàng)目是中國科學(xué)院國家自然科學(xué)基金委員會(huì)的重大研究計(jì)劃，獲得了科技部973項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金委以及中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)的資助。

謝謝大家，我的報(bào)告到此結(jié)束。

原文標(biāo)題：萬字長文 | 中科院蔣田仔教授：腦網(wǎng)絡(luò)組圖譜及其在腦認(rèn)知與腦疾病方面的應(yīng)用

文章出處：【微信公眾號(hào)：IoT科技評(píng)論】歡迎添加關(guān)注！文章轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。

責(zé)任編輯：haq