腦網路組圖譜：世界第一個人類全腦連接圖譜

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來源：中國科學院自動化研究所

作者：樊令仲

【新智元導讀】自動化所腦網路組研究中心蔣田仔團隊聯合國內外其他團隊，通過6年努力，成功繪製出全新的人類腦圖譜：腦網路組圖譜。該圖譜包括246個精細腦區亞區，以及腦區亞區間的多模態連接模式，突破了100多年來傳統腦圖譜繪製思想，引入了腦結構和功能連接信息對腦區進行精細劃分和腦圖譜繪製的全新思想和方法，比傳統的Brodmann圖譜精細4-5倍，具有客觀精準的邊界定位，第一次建立了宏觀尺度上的活體全腦連接圖譜。

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自2011年以來，人類腦網路組圖譜系統性研究工作的部分成果陸續在Journal of Neuroscience, Cerebral Cortex, Human Brain Mapping等本領域著名刊物上發表，累計20餘篇。近日，全腦精細分區圖譜及其全腦連接圖譜在Cerebral Cortex上在線發表（題為：The Human Brainnetome Atlas: A New Brain Atlas Based on Connectional Architecture）, 引起國際學術界廣泛關注。

基於fMRI的腦圖譜功能有限

人類腦圖譜是理解腦的結構和功能的基石。腦圖譜的發展由腦科學自身發展及神經技術的重大突破等因素共同驅動，經歷了不同的歷史階段。目前最常用的腦圖譜還是100多年前德國神經科學家Brodmann在單個人的屍體組織標本上利用細胞構築繪製的腦圖譜，即Brodmann圖譜。雖然國外有些實驗室試圖利用超薄切片技術、染色技術以及顯微觀察技術，基於腦標本的超薄切片構建細胞構築概率腦圖譜，希望在一定程度上細化Brodmann分區，但是由於不能針對特定個體進行腦區劃分，而且耗時耗力，其應用在一定程度上受到限制。

近三十年來，以非侵入性磁共振技術為代表的一批成像技術實現了在體、無創地對人腦以前所未有的時空解析度進行成像，可以測量包括腦的形狀和大小，連接腦不同區域的神經纖維，以及腦不同迴路或通路的功能活動變化等等。利用磁共振成像技術在獲取大樣本活體腦影像的基礎上，能夠對腦結構和功能區進行精細劃分並製作出適用活體個體的腦圖譜。

目前雖然已經有一些基於磁共振圖像構建的腦圖譜，但是基本都是基於結構磁共振成像，在腦區劃分上主要基於溝回拓撲分布，而且腦區定義非常粗糙，甚至存在明顯的錯誤，很難與腦的功能解剖相對應。

自動化所採用新思路

目前，腦網路組圖譜已經引起國內外同行的高度關注，例如歐盟人腦計劃（Human Brain Project, HBP）即將在其神經信息平台(Neuroinformatics Platform, NIP)公開發布該圖譜，國際神經信息學協調委員會（International Neuroinformatics Coordinating Facility，INCF）已在第一時間在線發布了人類腦網路組圖譜(https://scalablebrainatlas.incf.org/human/BNA)。 此外，一些國際著名神經影像分析軟體平台，如SPM，FSL等都將腦網路組圖譜作為主要人類腦圖譜提供給用戶使用。

世界第一個人類全腦連接圖

腦網路組圖譜不僅包含了精細的大腦皮層腦區與皮層下核團亞區結構，而且在體定量描繪了不同腦區亞區的解剖與功能連接模式，並對每個亞區進行了細緻的功能描述。

腦網路組圖譜的構建將引領人類腦圖譜未來發展從標本走向活體，從粗糙走向精細，從單一的解剖結構描述到集成結構、功能和連接模式等多種知識的綜合描述，為實現腦科學和腦疾病研究的源頭創新提供基礎。腦網路組圖譜能夠提供每個亞區的結構和功能連接模式，從而明確每個亞區的組織模式及功能意義，這為在宏觀尺度上研究腦與行為的關係提供了不可或缺的工具，將加深對於人類精神和心理活動的認識，為理解人腦結構和功能開闢了新途徑，並對未來類腦智能系統的設計提供重要的啟示。

此外，腦網路組圖譜能夠提供的個體化的精細腦區亞區以及定量的連接模式，不僅為神經及精神疾病的新型治療技術提供準確的定位，而且還將為腦中風損傷區域及癲癇病灶的定位、神經外科手術中的腦膠質瘤的精確切除、以及對功能腦區更嚴格有效的保護做出貢獻，從而能夠極大程度的推動此類技術在臨床神經精神疾病治療的應用，提高診斷質量與治療效果。

腦網路組圖譜是人類腦圖譜發展和神經技術進步的必然趨勢，是腦科學、認知科學、認知心理學等相關學科取得突破的關鍵，它能為解析神經及精神疾病神經環路的結構和功能異常，並為發展新一代診斷、治療技術方法奠定堅實的基礎。

人類腦網路組圖譜：包括246個精細腦區亞區及腦區亞區間的多模態連接模式

The Human Brainnetome Atlas: A New Brain Atlas Based on Connectional Architecture

Cerebral Cortex (2016), doi: 10.1093/cercor/bhw157, First published online: May 26, 2016

Lingzhong Fan, Hai Li, Junjie Zhuo, Yu Zhang, Jiaojian Wang, Liangfu Chen, Zhengyi Yang, Congying Chu, Sangma Xie, Angela R. Laird, Peter T. Fox, Simon B. Eickhoff, Chunshui Yu, Tianzi Jiang

Abstract

The human brain atlases that allow correlating brain anatomy with psychological and cognitive functions are in transition from ex vivo histology-based printed atlases to digital brain maps providing multimodal in vivo information. Many current human brain atlases cover only specific structures, lack fine-grained parcellations, and fail to provide functionally important connectivity information. Using noninvasive multimodal neuroimaging techniques, we designed a connectivity-based parcellation framework that identifies the subdivisions of the entire human brain, revealing the in vivo connectivity architecture. The resulting human Brainnetome Atlas, with 210 cortical and 36 subcortical subregions, provides a fine-grained, cross-validated atlas and contains information on both anatomical and functional connections. Additionally, we further mapped the delineated structures to mental processes by reference to the BrainMap database. It thus provides an objective and stable starting point from which to explore the complex relationships between structure, connectivity, and function, and eventually improves understanding of how the human brain works. The human Brainnetome Atlas will be made freely available for download at http://atlas.brainnetome.org, so that whole brain parcellations, connections, and functional data will be readily available for researchers to use in their investigations into healthy and pathological states.

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