突破:墨爾本大學田野等繪製迄今為止最精細的人腦亞皮層功能圖譜

2020-11-28 騰訊網

腦測繪學是一門歷史悠久的學科。雖然100 多年來， 神經解剖學家們致力於研究並描繪人腦的最高級神經中樞——大腦皮層 ( 註：大腦皮層是腦的最外層解剖結構，厚度約為1.6-4毫米，由上百億神經細胞組成，屬於腦和神經系統演化史上最晚出現的一部分)，但是在大腦皮層之下，腦中心的深處，有這樣一群神經元胞體（亦稱為神經核團）——

它們在演化史上的古老程度或可追溯到5億6千萬年前生活在寒武紀的原始脊柱動物[1-2]；

它們負責處理人類的從基本的感覺、運動功能到高級的認知和記憶等多種多樣的神經心理活動；

它們的結構和功能異常往往會導致嚴重的神經精神疾病，比如亨廷頓氏舞蹈症、帕金森氏症、精神分裂症以及抑鬱症；

它們，仿佛沒有得到上世紀神經解剖學家們足夠的青睞；它們，被當代科學家們幽默地稱作 terra incognita (拉丁語：未知之地)[3]。

究其根源，這一切的未知是因為我們尚缺乏一張細緻而準確的皮層下神經核團的功能圖譜，而這些皮層下神經核團也因此常常被統稱為亞皮層。正如航海家有賴於羅盤和航海地圖在無盡的大海中探索未知，現代醫學也需要一張詳細標記的人腦「地圖」以準確定位認知和心理活動以及腦神經病變。

亞皮層腦圖譜的缺失對現代神經科學而言猶如航海家丟失了部分航海圖，可能讓自己陷入未知的險境；亦猶如盲人摸象，難以對人類的神經心理活動和腦疾病給出綜合而全面的解釋，知其然而不知其所以然。

北京時間2020年9月28日晚23時，《自然-神經科學》在線發表了一篇題為「Topographic organization of the human subcortex unveiled with functional connectivity gradients」 的研究論文，開創性地揭開了人腦亞皮層功能構架的神秘面紗。

該研究由澳大利亞墨爾本大學醫學院精神醫學系田野博士(論文第一作者及通訊作者)及其導師Andrew Zalesky（共同通訊作者）等人合作完成。通過分析1000多名健康成年人的高解析度功能性磁共振腦影像，該研究成功繪製了一份迄今為止最為精細的人腦亞皮層功能圖譜。

該圖譜所呈現的人腦亞皮層組織功能構架的複雜性和多級性令研究人員驚訝不已。該論文的第一作者田野博士解釋道：「這些皮層下神經核團就如一個由4個階層構成的古老的等級社會，且每個階層又可細分為多個功能社區。舉例來說，這個等級社會的最底層便可劃分為27個功能社區。每個社區都有其獨特的功能特點，並具有詳細的分工，而兩兩社區相鄰之處就好似一個流動商販集散地。雖然此處有明確的地界，但這些流動商販在一定程度上可以自由活動。正因為如此，我們發現如果讓人們在大腦掃描的過程中進行複雜的認知任務，比如算術，這些功能社區的邊界線會發生動態變化。」

作者認為，這些皮層下神經核團的功能特性並不是一成不變的，而是可以隨著個人想法和行為的改變而做出一些適應性的調整。這種適應性往往在人類演化史中扮演著舉足輕重的角色。

人腦亞皮層功能解剖圖譜。Thalamus: 丘腦；Caudate: 尾狀核；Nucleus accumbens: 伏隔核；Putamen: 殼核； Amygdala: 杏仁核；Hippocampus: 海馬體; Globus Pallidus: 蒼白球。

該圖譜具有前所未有的準確度和高解析度，可以幫助神經外科醫生對神經精神疾病實施更加精準地亞皮層區域靶向治療。比如，通過手術在大腦深處植入微型電極，並施以適當的電刺激，以緩解帕金森患者的肌肉運動障礙和難治性強迫症患者的強迫性觀念和行為（註：這種技術在臨床上稱作腦深部電刺激）。

值得一提的是，這些皮層下神經核團就像一個中樞神經系統的守門人，負責調節和控制所有大腦皮層和身體其它部分之間快速、海量的信息交換，而該圖譜的繪製正是基於這樣一個實時互交互動的腦網絡系統。

該研究發現，在這個腦網絡中，雖然這些皮層下神經核團與大腦皮層在空間上相距甚遠，但它們內部的信息交換以及它們與大腦皮層各區域之間緊密的神經連接和功能協同，促成了低級感覺運動功能、高級認知功能以及神經心理活動的高度協調統一。

目前，該圖譜已經被應用於臨床試驗，以評估靶向治療（包括腦深部電刺激和經顱磁刺激）對難治性強迫症患者的臨床療效。

總而言之，該研究是神經科學領域的一項令人激動的重要突破，讓我們進一步了解了這片人腦中最為古老的「未知之地」。同時，也讓我們清醒地認識到人腦的複雜性。對人腦的探索，這，只是一個開始。

參考文獻：

1. Stephenson-Jones et al. Evolutionary conservation of the basal ganglia as a common vertebrate mechanism for action selection. Current Biology (2011).

2. Kumar et al. A molecular timescale for vertebrate evolution. Nature (1998)

3. Forstmann et al. Towards a mechanistic understanding of the human subcortex. Nature Review Neuroscience (2016).

編輯 | 餘 荷

排版 | 王大雪

來源| 小柯機器人

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