當我們談論大腦結構變化時我們在談論什麼？

撰文：胡一凡

來源：腦人言

編輯：X君

第25屆認知神經學會年會（Cognitive Neuroscience Society， 簡稱CNS）3月27日在美國波士頓圓滿結束了。今年的主題是回顧和展望，不僅有keynote的主講人Mike Gazzaniga博士帶領大家回顧認知神經學科誕生的初期歲月（圖1），還有專門的主題研討當下的成就與未來的挑戰。作為一個年輕的研究人蔘會，在這種承上啟下的氛圍中不禁感到肩上擔子的重量。

圖1: Mike Gazzaniga博士的keynote講座：

The Consciousness Instinct。

來源：@CogNeuroNews推特賬號

第二天的poster session中，來自美國國家心理健康研究所（National Institute of Mental Health）的Cibu Thomas博士介紹了他最近幾年的研究成果。

圖2: Poster session盛況。

來源：@CogNeuroNews推特賬號

Thomas博士專註腦形態測量（brain morphometry），即運用皮質厚度（cortical thickness）、皮質體積（cortical volume）、白質擴散各向異性（diffusion anisotropy）等指標測量大腦的個體差異。這些指標變化也是通常研究大腦結構變化的重要證據。在最近的一篇論文中，Thomas博士的團隊系統研究了大腦皮層灰質形態在一天中隨時間的變化。他們發現，對比上午獲取的T1 MRI成像，同一天下午的獲取的腦成像在前額皮質（prefrontal cortex）和顳葉皮質（temporal cortex）都能測出皮層厚度的顯著減少（圖3），而該變化卻並沒有在皮質曲率（cortical curvature）、sulcal depth（腦溝深度）等其他表面形態數據中顯現。同時，皮層厚度的減少似乎與腦脊液（cerebral spinal fluid）的容積增大呈現正相關。

圖3: 前額葉、顳葉皮層厚度隨時間顯著變化。一天中的兩次測量時間間隔12小時。

來源：Thomas et al., 2016, NeuroImage

在今年發表的跟進研究中，Thomas博士用MR擴散加權成像（diffusion weighted MRI）著重研究了腦脊液容積與皮質厚度之間的關係。擴散加權成像能夠估算腦內流體的運動軌跡與流量；不同的成像參數可以來更細緻地區分腦中擴散程度高的腦脊液中的水分和擴散程度低的腦實質中的水分。同樣對比下午與上午的成像，他們發現顱內液體擴散總量有顯著增加，並且似乎是由徑向（Radial）、軸向（Axial）擴散量的均衡增加導致的，因而其部分擴散異性（fractional anisotropy）並無變化（圖4）。擴散呈現顯著變化的區域集中在主要的腦裂和腦溝處。

圖4: 主要腦裂、腦溝附近的徑向、軸向擴散量由上午至下午顯著增加，而部分擴散異性並無變化。

來源：Thomas et al., 2018, NeuroImage

進一步區分腦脊液水和腦實質水，他們發現擴散量的變化幾乎全部來自於主要腦裂附近腦脊液水擴散的增加；去除腦脊液水的變化後，腦實質水幾乎沒有變化（圖5）。

圖5: 由上午至下午，主要腦裂附近的腦脊液水擴散量增加，而不是腦實質水。

來源：Thomas et al., 2018, NeuroImage

這些結果表明，隨著一天中時間的變化，腦脊液的擴散量有所增加。這種增加更可能和血管系統的晝夜節律調節和身體機能的動態平衡有關，而不太可能由腦內細胞或皮層結構發生變化而引起。更重要的是，這些腦脊液水擴散增加的區域和之前發現的皮層厚度減少的區域有很大程度的重合，說明皮層厚度在一天中的變化很可能並不因為其自身細胞或皮層結構起了變化，而更可能是因為在顱內空間有限的情況下，液體流量增加，皮層受擠壓導致。

之前已經有研究表明，很多腦形態測量的指標都呈現出隨內外界因素變化而變化的趨勢。季節、時間、測量時被試是否缺水缺覺等看似微不足道的因素都有可能導致測量結果差異，而在實際研究中，這些因素卻時常被忽略或者很難被控制變數。於是，當我們說腦力訓練能顯著改變大腦皮層結構時，我們其實很難確定這些變化究竟只是反映了大腦形態指標的規律起伏還是反映了細胞構築上的變化。Thomas博士的研究無疑將我們對腦形態測量的理解又向前推進了一步。將來的結構相研究中，如果同時測量灰質和白質的結構指標，互為參照，將更能幫助理解研究結果。

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