科学家谈大脑时,大多在谈“柯林”的大脑?的头图

随着神经成像的普及,大脑成为了科普中的流行词,神经成像的大脑图成为了科普文化的一部分。与神经科学流行相伴,一些大脑结构成为了闪亮的关键词,例如与记忆相关的海马体(hippocampus)、与情绪相关的杏仁核(amygdala)、与奖赏刺激相关的伏隔核(nucleus accumbens)等。当论文中提到这些大脑结构时,它们到底指的是什么?

要理解神经成像中的大脑结构,首先要明白一点:大脑结构的个体差异非常大。虽然每个大脑的基本构造相似,都有两个半球和一些明显的沟回。但是,这些结构在具体的构成上差别不小:左右半球的对称性、沟回的相对位置和大小等都存在个体差异。要从神经成像的角度来研究具体脑区的功能,空间位置的精确性就非常重要:极有可能在相对相同的空间位置上,两个大脑里的结构却不一样。

在神经外科手术中,医生们需要了解某个大脑结构的外形特征和相对位置,而对于该结构在大脑3D空间中的绝对位置并没严格的要求。但通过神经成像来研究大脑功能,精确的空间定位变得很重要,因为需要对一群人的大脑功能数据(例如在某种任务下活动的情况)进行比较。而进行统计分析和比较的前提,就是需要有一个共同的参考标准,保证我们谈到某个空间位置时,谈的是同一个脑区。这个参考标准,就是标准大脑图谱(Brain Atlas)。通过将每个人的大脑与标准大脑图谱进行对应之后,我们可以更有把握地认为,即使在不同的受试者的数据中,同样的空间位置指的是同一个大脑结构(在神经成像的数据分析中,这一步叫做空间的标准化)。

那么问题来了,标准的大脑图谱从哪里来?

大脑图谱的早期工作应该要归功于神经解剖学家们,其中最有名的应该是布鲁德曼(Korbinian Brodmann)在20世纪初的工作。在此之前,关于大脑的不同区域负责不同功能的观点已经随着颅相学的流行而兴起,由于布洛卡(Broca)等脑区功能的发现而得到强化。正是在这种背景之下,布鲁德曼试图去从细胞构筑的角度来寻找大脑功能的定位,他工作形成了神经科学教科书中的布鲁德曼分区(Brodmann areas)。

布鲁德曼(图片来源:http://en.wikipedia.org/wiki/Korbinian_Brodmann)

然而,布鲁德曼关注于脑区的细胞构筑,并未从3D空间来建立大脑的模型。3D大脑模型的出现,得益于法国神经解剖学家让·塔莱拉什(Jean Talairach),他在1967年提出一个3D的大脑模型,并与同事于1988年进一步完善此大脑模型。在此模型中,以一些关键的大脑结构作为标记点:大脑前联合(anterior commissure, AC)与后联合(posterior commissure, PC)、两半球中线的矢状面平面和大脑外侧边缘(如下图所示)。在这个3D的空间中,AC-PC连线与中线矢状平面的交界点为0点。在下图带黄框的三个图中,最左图中的横线为X轴,竖线为Y轴,中间和最右的图中,竖线均为Z轴。根据这个3D大脑模型,大脑中每个点均有一个坐标,这就是以塔莱拉什大脑图谱为基础的坐标系统。

塔莱拉什大脑图谱中的空间坐标

塔莱拉什大脑图谱在神经成像的早期研究发挥了重要作用(因为没有其他图谱可以使用),但其缺点也非常明显。它的第一个问题是没有标准大脑的图像模板。也就是说,它缺乏数字的3D大脑模型。这给神经成像研究者带来了很大的痛苦,要知道,神经成像结果基本上都是使用3D图像来进行存储和分析的。缺乏图像3D大脑模板,就意味研究者在数据分析时,必须手动地根据一些标志性的大脑结构来将每个受试者的大脑图像与塔莱拉什的大脑模型进行对应。这种耗时且不精确的做法,在有了替代方案时很快被抛弃。

除了缺乏大脑的图像模板之外,塔莱拉什图谱中的大脑标本本身也不足以作为标准大脑。此图谱是根据一位60岁女性大脑的解剖结构建立,首先就不具有代表性。更加令研究者不满的是,此图谱仅包括左半球的解剖结构,右半球是将左半球的结构进行镜像反转之后得到的。由于一般人的大脑左右半球并非完全对称,所以这个对称的图谱显得不切实际。第三,塔莱拉什图谱确实将坐标体系中的空间位置与解剖结构进行大致的对应,但是这个对应关系是非常粗放的。当初制做图谱是为了给医生在大脑中央的一些脑结构进行手术时提供指导,所以大脑中央部分的脑结构与空间位置的对应关系还相对清楚,外侧的皮层的对应关系则比较受到怀疑。

作为一个为手术而生的大脑图谱,也许我们不能苛求塔莱拉什图谱能够满足神经成像研究的要求。为解决塔莱拉什缺乏图像模板的问题,神经成像研究者建立了自己的标准大脑模板。目前最通用的模板,是加拿大蒙特利尔神经研究所(Montreal Neurological Institute,MNI)于90年代表所建立的MNI系列模板。在最早的尝试中,他们扫描了241个正常志愿者的大脑结构,按照塔莱拉什大脑图谱的方式,使用标志性的大脑结构对每个受试者的大脑进行标定,得到每个大脑的前联合-后联合线和大脑的外部轮廓,从而每个大脑均与塔莱拉什图谱有相对应的位置。然后对这241个大脑进行平均,得到一个平均脑。

随后,他们又扫描了305个正常人的大脑,使用9个参数将这些大脑进行线性转换,使它们与241个大脑的平均脑进行对应。这305个对应好之后的大脑进行平均,得到平均之后的大脑3D图像。这个图像被命名为MNI305,成为了MNI系列模板中的第一个。

目前使用更为广泛的是脑成像国际联盟(International Consortium for Brain Mapping,ICBM)公认的ICBM152模板,其实也由MNI出品。这个标准大脑模型来自152名年轻成人的高空间分辨率扫描结果。研究者将这些大脑通过仿射转换之后与MNI305进行对应,再将这些152个大脑进行平均,得到了更为清晰的标准模板。这个模板之所以不叫做MNI152而是ICBM152,是因为它被 脑成像国际联盟采用作为标准模板。

值得注意的是,虽然ICBM152采用与塔莱拉什类似的方法进行标定,但是其得到的3D图像却与塔莱拉什的3D空间并不相同,整体上ICBM152会更大一些,同样,塔莱拉什坐标系中的0点在ICBM152中也不再是0点。由于这个原因,MNI的坐标体系与塔莱拉什的坐标体系不能直接等同。

由于被脑成像国际联盟采纳,ICBM152得到非常广泛,在神经成像研究中,大部分研究者均采用该模板作为大脑模板。随后,脑成像国际联盟ICBM又推出一个更具有代表性的模板:ICBM452,将452个人大脑通过转换与ICBM305匹配之后的结果,但是目前ICBM452的使用范围比较小。

从下图可以看出,不管是MNI305还是ICBM152模板,其清晰度都差强人意。为了得到更加清晰的大脑图,蒙特利尔神经研究所对一位研究人柯林·福尔摩斯(Colin Holmes)的大脑进行了27次扫描,将这些扫描的结果与MNI305进行配准,然后平均起来得到了更加清晰和精确的大脑图,这就是柯林27(Colin27)标准大脑图。目前,许多基于MNI大脑模板的神经成像结果图均是在柯林27这个图像上进行显示。

柯林27(Colin27)标准大脑图(图片来源:Evans, et al., 2012)

虽然MNI有神经成像的标准大脑模板,但是却缺乏将模板中空间位置与大脑生理解剖结进行对应的图谱,所以MNI系列还只能算是一个模板(template)而不是一个图谱(Atlas)。为了解决这个问题,研究者最初的做法是将MNI坐标转化为成塔莱拉什的坐标,再去使用塔莱拉什大脑图谱进行生理结构的标定。为了进行比较准确地转换,研究者发展出多种算法。由于这两个大脑模板之间“扭曲”并且线性的,所以转换起来并非一目了然,在几个转换的算法中,公认比较合理的转换方法是兰开斯特(Lancaster, J. L.)等于2007年发表的算法。

正如我们在前面提到的,塔莱拉什作为标准大脑图谱本身存在着诸多的缺陷。将MNI坐标转换成塔莱拉什坐标再进行标定的方法,无法避免这些问题。因此在神经成像数据分析方法中(例如Poldrack et al., 2011),研究者极不推荐使用塔莱拉什图谱以及基于其图谱的一些标定方法。将MNI转换成为塔莱拉什坐标再标定解剖结构的做法虽然不能合理地解剖大脑空间位置与解剖结构对应的关系,但这些转换方法本身却仍然有用,因为现有神经成像文献中,MNI和塔莱拉什均有使用,在比较不同文献研究结果时,在坐标间进行转换仍然有价值。

如果塔莱拉什图谱无法进行空间位置与生理结构的对应,那么应该使用何种图谱?在缺乏从生理解剖到3D图像标准大脑图谱的情况下,对这个问题也没有明确的答案。目前,神经成像科学家们会倾向于采用哈佛-牛津大脑图谱(Harvard-Oxford cortical and subcortical structural atlases)、神经成像实验室概率图谱(Laboratory Of NeuroImaging (LONI) probabilistic atlas)或者德国尤利希研究中心基于细胞构筑所进行创建的概率图谱(由SPM Anatomy Toolbox进行标定)。总的来说,有几种比较受到认可的标定方法,却没有公认的唯一标准。

最近,在德国尤利希研究中心与MNI共同完成的“大脑(Bigbrain)”项目中,建立了第一个超高分辨率的大脑3D模型:由7404个组织切片组成的,分辨率达到20微米,几乎精确到了分子级别。这个超清晰3D大脑模型的建立,有望为今后神经成像提供一个更加标准的大脑图谱,也为今后建立标准3D大脑模型提供了新的途径。

理解标准大脑图谱与生理解剖的关系之后,也许我们会发现,在神经成像研究中所看到的大脑结构,其实非常依赖于大脑图谱,经过多次统计处理,包括了太多的统计假设。我们所看到的大脑,其实大部分是柯林的大脑。了解到这些信息之后,也许我们对神经成像研究结果进行推论时,恐怕会更加谨慎一些。

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