研究表明大腦像人的「功能性指紋」 或能預測神經與精神疾病

2020-12-05 前瞻網

俄勒岡健康與科學大學(Oregon Health and Science University)的研究員兼實驗室經理米凱拉·科多瓦(Michaela Cordova)用孩子們進行了一項研究，旨在繪製大腦神經連接的地圖。

大腦各區域之間的物理聯繫，統稱為「連接體」，是區分人類與其他物種認知能力的一部分。

但它們也把我們彼此區分開來。

目前，科學家們正將神經影像學方法與機器學習相結合，以了解個體間大腦結構和功能的共性和差異，目的是預測特定的大腦如何因遺傳和環境影響而隨時間改變。

Cordova工作的實驗室由達米安·費爾(Damien Fair)副教授領導，主要負責功能連接體，這是一種大腦區域地圖，協調執行特定任務和影響行為。

Fair對這個人類獨特的神經連接體取了一個特殊的名字:功能指紋(functional fingerprint)。

就像我們的指尖上的指紋一樣，功能指紋對我們每個人都是特定的，並且可以作為唯一的標識符。

費爾說:「我可以從我5歲的孩子身上提取指紋，到她25歲的時候，我仍然可以知道那個指紋是她的。」

儘管她的手指可能會隨著年齡和經驗的增長而變大，經歷其他的變化，「但她的核心特徵仍然存在。」

同樣的，Fair的實驗室和其他人的工作也暗示了一個人的功能性連接體的本質可能是可以識別的固定的，並且一生中正常的變化在很大程度上是可以預測的。

識別、跟蹤和建模功能連接體可以揭示大腦信號如何導致行為的變化，在某些情況下，可能會導致某些神經精神疾病的高風險。

為了達到這個目的，Fair和他的團隊系統地搜索他們的數據，通過掃描、研究和臨床人群等方式尋找大腦連接模式。

傳統的繪製功能性連接體的技術每次只關注大腦的兩個區域，使用MRI數據來關聯每個區域的活動是如何相互變化的。

大腦中信號一致變化的區域得分為1。如果其中一個增加而另一個減少，那就應該是-1。如果兩者之間沒有明顯的關係，那就是0。

然而，這種方法有局限性。

例如，它獨立於大腦的其他部分來考慮這些區域，儘管每個區域都可能受到鄰近區域輸入的影響，而這些額外的輸入可能掩蓋了任何一對區域真正的功能連接。

要克服這些假設，就需要觀察整個大腦中的交流，而不僅僅是一個小部分，並揭示更廣泛的、信息更豐富的連通性模式，否則這些模式可能會被忽視。

2010年，Fair與人合作在《科學》雜誌上發表了一篇論文，描述了使用機器學習和核磁共振掃描同時考慮每一對相關因素，以估計給定大腦的成熟度(或「年齡」)。

雖然這種合作並不是唯一一個同時分析多個連接模式的合作，但它在整個研究領域引起了轟動，因為它是第一個使用這些模式預測特定個體的大腦年齡的公司。

四年後，在一篇創造了「功能性指紋」這個詞的論文中，Fair的團隊設計出了自己的方法來繪製功能性連接體，並根據來自不同區域的信號，而不是所有區域的信號相互結合，預測單個大腦區域的活動。

根據他們的計算，大約30%的連接體是獨一無二的。

與感覺、運動和視覺等更基本的功能相比，這些區域中的大多數傾向於控制「更高階」的任務，這些任務需要更多的認知處理，比如學習、記憶和注意力。

公平地解釋說，這些區域如此獨特是有道理的，因為這些高階控制區在本質上決定了我們是誰。

事實上，大腦的額葉和頂葉皮質等區域在進化的後期發展起來，隨著現代人的出現而擴大。

費爾說:「如果你想一下人與人之間最相似的東西，那應該是更簡單的東西，比如我如何移動手指，視覺信息最初是如何處理的。」

「這些方面的人口差異較小。通過考慮不同區域的獨特活動模式，該模型可以根據掃描結果來識別一個人。」

這種掃描需要兩周時間得出結果。

費爾和他的研究小組開始疑問，一個人的指紋特異性是否能持續數年甚至幾代人。

研究助理教授Oscar Miranda -Dominguezz是Fair實驗室的一員，也是這項研究的第一作者，他對他們能夠使用兒童模型識別成年兄弟姐妹感到驚訝。

以成年人為對象的模型無法做到這一點，可能是因為成年人的高階系統已經完全成熟，使得他們的特徵不那麼容易推廣到年輕、發育中的大腦。

Miranda說:「對更大的樣本和年齡跨度的進一步研究可能會闡明成熟方面的問題。」

他補充說，這個模型能夠區分家庭成員之間細微的差別，這是很了不起的，因為研究人員訓練的分類器只劃分「相關」和「不相關」，而不是關聯程度。

(他們的2014年線性模型能夠檢測到這些細微的差異，但更傳統的相關方法卻不能。)

雖然他們的雙胞胎樣本不夠大，不足以精細地分析環境因素對基因的影響，但在費爾看來，後者在塑造功能指紋方面發揮了重要作用，這是「毫無疑問」的。

「我們看到的大部分是關於遺傳學，小部分是環境因素,」費爾說,「不是說環境對連接體沒有大影響。」

雖然他們檢查的所有神經迴路都顯示了兄弟姐妹之間的某種程度的共性，但是高階系統是最容易遺傳的。

在四年前的研究中，這些區域在個體間表現出最多的變異。

正如Miranda所指出的，這些區域會調節來自於社會互動和遺傳的聯繫的行為，可能預示著一種「家庭認同」。

在高血壓、關節炎和近視之後，將「分布式大腦活動」添加到家族遺傳特徵列表中。

更豐富的數據集還可能允許進行更複雜的預測，比如確定表明心理健康的模式及大腦的實際年齡。

該論文的第一作者考夫曼說，下一個目標是在遺傳能力之上，解開與大腦解剖和信號傳導有關的特定通路和基因。

「我們需要了解大腦結構和功能的遺傳能力以及潛在的遺傳結構。」他說。

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