南加州大学凯克医学院马克与玛丽·史蒂文斯神经影像与信息学研究所（Stevens INI）的研究人员称，他们构建了迄今为止规模最大的人类脑参考模型之一，该模型基于超5.4万名受试者的弥散磁共振成像扫描结果，绘制了大脑信号传导通路在整个生命周期内的发育、成熟及衰退规律。
这项题为《脑微结构的生命周期规范模型》的研究发表于《自然·通讯》（Nature Communications）。凯克医学院团队指出，该研究相当于建立了脑白质的生长发育图谱——脑白质是介导不同脑区信号交流的庞大神经连接网络，这一新型工具为研究人员识别与衰老、阿尔茨海默病、精神分裂症患病风险及其他神经精神疾病相关的细微异常模式提供了新方法。
“正如儿科生长发育图表可帮助临床医生判断儿童的身高、体重发育是否符合预期，这些脑图谱为大脑神经通路在全生命周期内的典型变化规律提供了参考标准。”Stevens INI博士后研究员、该研究第一作者Julio E. Villalón-Reina医学博士/哲学博士表示，“这为我们识别个体脑连接偏离正常范围的情况提供了强有力的新手段。”
为研究脑白质，研究团队采用了弥散磁共振成像技术，该成像方法可追踪水分子在脑组织中的运动规律。由于水分子的运动受神经纤维、髓鞘等微观结构的调控，因此弥散磁共振成像可检测到常规脑部扫描无法识别的脑组织结构细微变化。
在汇总了来自19个国际数据集共54583名受试者的弥散磁共振成像数据后，研究人员构建了大脑神经通路的统计学生长及衰退图谱。
研究人员针对21个主要脑区的4种广泛使用的脑白质微结构评估指标展开分析，通过模拟这些指标随年龄和性别的变化规律，生成了生命周期变化曲线及百分位范围，明确了不同生命阶段的典型脑白质特征。
研究结果显示，脑白质遵循独特的发育和衰老轨迹，部分指标在成年早期即达到成熟峰值，另一些指标的成熟峰值则出现在中年阶段。
“大脑发育和衰老并非均一过程，不同神经通路的成熟时间存在差异，部分通路对衰退的易感性更高。我们的模型通过整合真正全球化规模的数据集，揭示了这一结构特征。”Villalón-Reina补充道。
科学家们还为长期存在的脑衰老理论——有时被称为“后发育先衰退”理论——找到了证据支撑。该理论认为，在儿童和青春期最晚发育完成的脑通路，在老年时期更易出现衰退。研究人员观察到，成熟时间更晚的脑白质区域在老年期的衰退速度确实更快，为脑发育与衰老之间的关联提供了新见解。
为验证该模型的实用价值，研究人员将其应用于轻度认知障碍、痴呆、22q11.2缺失综合征（一种会提升精神分裂症患病风险的遗传性疾病）患者的临床数据集。
在所有疾病组中，该模型均识别出了偏离年龄匹配正常标准的脑回路异常。重要的是，相同诊断的不同个体的脑异常模式并不完全一致，凸显了个体化分析方法的价值。
“这项里程碑式的研究耗时7年才完成。”Stevens INI副所长、该研究通讯作者Paul M. Thompson博士解释道，“庞大的数据规模和精细化的脑特征评估维度意味着，我们现在可以将受试者的神经通路特征与同年龄、同性别、同人口统计学特征的人群进行对比，明确受试者的脑部特征与同年龄同性别群体的预期特征的差异，这为我们在数十种脑部疾病的治疗临床试验中提供了可用工具。”
将模型应用于痴呆和轻度认知障碍患者时，该模型检测到了参与记忆和脑区间信号交流的脑区存在异常脑白质模式。在22q11.2缺失综合征患者中，该模型识别出了多条关键神经通路的异常，帮助研究人员明确了哪些脑系统存在发育差异。
该参考图谱还可通过追踪受试者的脑白质指标是否向正常范围趋近，或治疗是否减缓了脑白质特征偏离健康模式的速度，帮助研究人员评估治疗效果。目前该图谱将被用于对比30余种脑部疾病和异常，为研究不同疾病的发生、进展及干预响应提供统一框架。
这些模型同时是公开可用的资源，可随后续新增的脑成像数据不断扩展。目前该方法正被用于神经疾病、精神疾病和神经发育障碍的研究，为全生命周期的脑白质微结构评估提供统一参考标准。
“这项研究证明了大规模国际数据共享的价值，可开发出整个研究界都能使用的工具。”Stevens INI所长、南加州大学教务长讲席教授Arthur W. Toga博士指出，“通过建立脑信号传导通路的全生命周期研究框架，这项工作为检测疾病相关的细微变化、更严谨地对比不同疾病、推进对脑健康的个体化认知提供了新的机遇。”
专业注释
- 弥散张量成像（DTI）：基于弥散MRI的脑白质纤维可视化技术
- 22q11.2缺失综合征：染色体微缺失导致的多系统发育异常疾病