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从结构到功能：描绘人脑的神经联络矩阵

作者：Liza Gross 文，徐青 译
提交人：xu （2008年8月28日 周四）
类型：news article （Chinese）
引用网址：http://www.qiji.cn/eprint/abs/3741.html
注释：Citation: Gross L (2008) From Structure to Function: Mapping the Connection Matrix of the Human Brain. PLoS Biol 6(7): e164
相关网址：http://dx.doi.org/10.1371/journal.pbio.0060164

摘要/内容：

当美国建筑师Louis Sullivan提出20世纪设计的持久咒语— 功能决定形态—时，他斥责他的同辈在艺术上违反了一个从“盛开的苹果花”和“飞行中搜寻猎物的鹰”中可以明显看出的规则。这个概念就是事物的本质决定了事物的形态，这一概念最先由亚里士多德（Aristotle）明确表述出来，并长期以来指导着生物学家去尝试理解所知最复杂器官——人脑的内部工作原理。举例来说，精心收集整理的对眼睛和耳朵解剖特性的描述，使我们在神经基础上对图像及声音的感知有了关键认识。但是对于大脑如何工作这种系统级别的认识，研究人员期望从连接神经细胞的网络所对应的全局拓扑结构来找答案。

人脑收集，提取，和存储那些关于我们所处环境的主要细节来计划并执行适应环境的行为（如果一切顺利的话）。渐渐地，研究者把这些感觉和行为上的反应看作是由数百万亿突触连接起来的数千亿个神经元形成的网络所解决的计算问题。计算神经科学家借助数学工具和计算机建模来研究神经元功能组（functional groups）如何交互以及它们如何处理，存储，和传递信息从而促成了人的认知和行为。然而，任何理解这个网络如何工作的尝试都需要鉴别它的基本元素及这些元素如何构成功能模块（functional modules）。技术进步使得研究者可以得到神经元回路更清晰的架构图像，网络分析中的新方法和图论（graph theory）提供了人脑如何工作的新的图景。

在一项新研究中，Patric Hagmann, Olaf Sporns及其同事一起画出了连接人脑各个大脑皮层的神经纤维组成的大规模网络结构——人脑外围表面具有很深沟回的负责高级认知功能的部分。使用结构和功能大脑成像技术，结合计算机分析，研究者识别出这些高度联结的，位于人类脑皮层中央的区域。这些网络中心组成了人脑的“结构化核心”，研究者认为它也许就相当于中央处理器，与通过皮层的多条输入信息相结合。有意思的是，这些网络中心与最近报导的一种当接受实验人员休息时能表现出增强活动级别的神经系统“缺省网络”（“default network,”）是吻合的。

在5名健康的人类实验参与者大脑中，研究人员将解剖学上的皮层脑白质神经束中的网络，即在神经元间传递信息的轴突纤维，通过使用最先进的散射磁共振成像（diffusion magnetic resonance imaging, MRI）技术进行映射。散射磁共振成像是一种无侵害性的扫描技术，根据脑组织中水分子散射得到的梯度图(gradient maps)来估算神经纤维的联结轨迹。最近的技术革新使得这个方法有更高的灵敏度，称为散射光谱成像(diffusion spectrum imaging, DSI) ,可以准确描绘通过同一位置的多束纤维的方向。在本文中，该技术是第一次用于整个人脑皮层。

通过散射光谱成像(DSI)得到的数据，研究人员生成了一个整个大脑的结构联络矩阵，分为66个解剖学脑皮层区域和1000个兴趣区(regions of interest, ROIs)。他们通过对节点“度”(纤维数量)和节点强度（纤维密度）的估算，用网络分析得到全局和局部的联络矩阵性质。这些计算分析辨识出几个脑皮层子区域中数量多密度高的兴趣区(ROIs)，最终揭示了一个网络核心——一套高度相互联结的节点——由侧叶（parietal）和后中部脑皮层中的子区域构成，包括与“缺省网络”（“default network”）有关的在人休息时处于活跃状态的部分。事实上这些区域跨越大脑的两个半球，研究人员提出，结构中心也许就像一个中央整合系统，使两个脑半球中的隔离区域一起协同处理工作。

为了研究这个结构中心可能的潜在功能，研究人员使用功能磁共振成像(functional MRI)来记录5名参与者的大脑活动，这些参与者被要求在保持清醒的同时平静地休息。研究人员发现在由散射光谱成像(DSI)估算出的结构连接和由功能磁共振成像(functional MRI)得到的所有脑皮层功能交互作用之间存在显著的关联性。这个关联性表明脑连接的结构决定了脑各区域之间沟通和传递信息的方式。

这项研究代表我们向描绘亿万个神经元的连接模式迈进了一大步，正是这些神经元之间的相互作用使得人类的生存成为可能。下一个主要的挑战将是把大脑的次级皮层也包括进来，比如丘脑（thalamus）和基底神经节（basal ganglia），得到一个完整的人类“连接体”(“connectome”)用来对脑功能研究作结构性指导。这样，将来的研究能通过这篇文章介绍的研究方法更进一步地探索结构和功能之间的关系。并且通过对比人类个体大脑结构和脑功能性之间的不同，研究者可以开始找到人类活动多样性的神经基础。


结构和功能的大脑成像分析，结合计算机分析，揭示出高度连接的，位于人脑皮层中央部位的组成了大脑“结构化核心”的区域。

研究文章:
Hagmann P, Cammoun L, Gigandet X, Meuli R, Honey CJ, et al. (2008) Mapping the structural core of human cerebral cortex. doi:10.1371/journal.pbio.0060159.

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