南加州大学凯克医学院的USC马克和玛丽·史蒂文斯神经影像与信息学研究所（Stevens INI）的研究人员创建了有史以来规模最大的人类大脑参考模型之一，利用54,000多人的扩散MRI扫描数据，绘制了大脑通信通路在整个生命周期中的发育、成熟和衰退过程。
这项发表在《自然通讯》上的研究为大脑白质——即允许大脑区域相互沟通的庞大神经通路网络——提供了相当于"生长曲线"的参考。这一新工具为研究人员提供了一种检测与衰老、阿尔茨海默病、精神分裂症风险以及其他神经和精神疾病相关细微模式的新方法。
"正如儿科生长曲线帮助临床医生确定儿童的身高或体重是否按预期发育一样，这些大脑图表为大脑神经通路在整个生命周期中的典型变化提供了参考，"Stevens INI的博士后研究员、该研究的第一作者Julio E. Villalón-Reina博士说道，"这为我们提供了一种强大的新方法，可以识别个体的大脑通路何时超出了预期范围。"
白质对于大脑内部高效通信至关重要。为了研究它，研究团队使用了扩散MRI，这是一种追踪水分子如何在脑组织中移动的成像方法。由于水分子的移动受到神经纤维和髓鞘（包裹在神经纤维周围的保护层）等微观特征的影响，扩散MRI可以揭示标准脑部扫描无法显示的组织结构的细微变化。在汇总了来自19个国际数据集的54,583个人的扩散MRI数据后，研究人员为大脑的神经通路（即连接大脑不同区域并使其能够通信的神经纤维网络）建立了统计"生长和衰退图表"。
研究人员关注了21个主要脑区域中白质微结构的四个广泛使用的测量指标。通过建模这些指标如何随年龄和性别变化，他们生成了生命历程曲线和百分位范围，展示了不同生命阶段的典型情况。结果显示，白质遵循不同的发育和衰老轨迹，某些指标在成年早期达到成熟峰值，而其他指标则在中年后期达到。
"大脑发育和大脑衰老并不是均匀的过程，"Villalón-Reina表示，"大脑的神经通路在不同的时间线上成熟，有些比其他更容易衰退。我们的模型通过合并真正全球规模的数据揭示了这一结构。"
研究团队还发现了支持长期以来关于大脑衰老理论的证据，这一理论有时被描述为"最后发育，最先衰退"。根据这一理论，在儿童期和青少年期最后发育的大脑通路往往在老年时更容易衰退。研究人员观察到，成熟较晚的白质区域确实在老年时衰退更快，为大脑发育和衰老之间的联系提供了新的见解。
为了证明该模型的实际价值，研究人员将其应用于轻度认知障碍、痴呆症和22q11.2缺失综合征（一种增加精神分裂症风险的遗传疾病）患者的临床数据集。在每种情况下，该模型都识别出偏离年龄预期标准的大脑回路变化。重要的是，这些偏差在相同诊断的个体中并不完全相同，突显了个体化方法的价值。
"这项具有里程碑意义的研究花了七年时间才完成，"Stevens INI副主任、该研究的资深作者Paul M. Thompson博士表示，"数据的庞大规模和所评估大脑特征的精细尺度意味着我们现在可以将您的神经通路与其他同年龄、同性别和相似人口统计学特征的人进行比较。我们可以看到您的大脑与同年龄、同性别的人预期情况有何不同，这为我们提供了一个工具，可用于数十种脑部疾病的治疗临床试验。"
当应用于痴呆症和轻度认知障碍患者时，该模型检测到参与记忆和区域间通信的脑区中非典型的白质模式。在22q11.2缺失综合征患者中，它识别出多个关键神经通路的偏差，帮助研究人员发现哪些脑系统发育不同。参考图表还可能帮助研究人员通过追踪个体白质测量值是否更接近预期范围，或治疗是否减缓了随时间偏离健康模式的转变来评估治疗效果。这些图表现在将用于比较30多种脑部疾病和状况，为研究不同疾病如何出现、进展以及对干预措施的反应提供了一个共同框架。
这些模型也是一个公开可用的资源，随着更多脑成像数据的可用，可以进一步扩展。该方法现在正被用于研究神经、精神和神经发育障碍，为整个生命周期中的白质微结构提供一个共同的参考标准。
这项研究展示了大规模国际数据共享的力量，可以创建整个研究界都能使用的工具。通过为大脑的通信通路建立生命周期框架，这项工作开辟了检测细微疾病相关变化、更严格地比较状况以及朝着对大脑健康更个性化理解的新机会。
——南加州大学Stevens INI主任、教务长教授Arthur W. Toga博士
关于该研究
该研究《大脑微结构的生命周期规范化建模》发表在《自然通讯》上。除了Villalón-Reina和Thompson外，研究作者还包括Alyssa H. Zhu、Leila Nabulsi、Sophia I. Thomopoulos、Clara A. Moreau、Yixue Feng、Tamoghna Chattopadhyay、Sebastian Benavidez、Leila Kushan、John P. John、Himanshu Joshi、Iyad Ba Gari、Katherine E. Lawrence、Talia M. Nir、Neda Jahanshad、Carrie E. Bearden、Seyed Mostafa Kia、Andre F. Marquand以及阿尔茨海默病神经影像计划。
这项工作得到了美国国立卫生研究院（包括国家老龄化研究所、Fogarty国际中心和国家心理健康研究所）的资助，以及阿尔茨海默病协会、欧洲研究理事会、惠康信托基金会和神经退行性疾病Popovich讲席的支持。
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