有史以来最大的大脑图集展示了大脑在一生中如何变化

由柏拉图重新发布

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我们的大脑是独特的雪花，在我们的一生中都会改变形状。然而，隐藏在个体差异之下的是一条共同的线索：大脑在童年时期迅速发育，然后随着年龄的增长而缓慢衰退。

但这只是平均大脑寿命的粗略概述。我们缺少什么？

一个国际科学家团队刚刚通过一个名为 BrainChart 的非凡项目给了我们第一个答案。在一场杰作中上周发表的研究自然, 他们合并了近 125,000 次脑部扫描，涵盖了人类从出生前到死亡的整个生命周期。最年轻的样本是受孕后15周；最年长的，是百岁老人。

这些数据共同描绘了一幅人类一生中大脑旅程的动画图景。它以前所未有的细节捕捉了“平均”大脑如何随着年龄的增长、成熟和衰退，并将平均过程与患有阿尔茨海默氏症等疾病的人的平均过程进行了比较。更令人印象深刻的是，这项研究拥抱——而不是消除——个体差异。结果不是用一条整齐的线描绘大脑的生长轨迹，而是更像同一方向的多个草图——每个草图都是独一无二的，但一起形成了大脑发育亮点的详细草图。

“通过全球一致努力，我们能够做的一件事就是将整个生命周期的数据拼接在一起。它使我们能够测量大脑中发生的早期、快速的变化，以及随着年龄的增长而长期、缓慢的衰退，”这项研究的共同领导者、剑桥大学的理查德·贝利恒博士说。

目前，这些图表主要用于研究，因此各个团队可以挖掘宝库，发现任何年龄段的微小变化，例如，寻找自闭症、痴呆症或其他神经系统疾病的警告信号。作为指导科学家的第一步，这些图表已经有 165 种不同的诊断标签。

即使规模如此之大，这些图表也只是第一版。整个作品都是开源的（你可以在这里看看），发表用工具允许其他贡献者将他们的大脑扫描数据与图表相匹配。

伯利恒说：“你可以想象它们被用来帮助评估接受阿尔茨海默氏症等疾病筛查的患者，从而使医生能够通过比较患者的脑容量与同龄人相比的变化速度来发现神经退行性疾病的迹象。”

大脑生长图

我们大多数人都记得这一点：背靠墙站立，而父母则标记我们的身高。

这是一种追踪孩子成长的经典方式，尽管技术含量较低。十八世纪末，个人生长线被合并成生长图表，作为儿童发育轨迹的标准衡量标准，其中体重、身高和头围是关键衡量标准。

技术已经取得了长足的进步。忘记将卷尺缠绕在头上。我们现在拥有强大的 MRI（磁共振成像）扫描仪，可以直接观察大脑的结构。脑图现在一角钱，来自链接的地图基因表达对大脑结构的影响，至纳米级重建这可能有助于推动人工智能走向更像大脑的计算。

所缺乏的是涵盖我们整个生命周期的大脑解剖结构的生长图。

这对充满活力的二人组与宾夕法尼亚大学的 Jakob Seidlitz 博士合作，决定开展一个几乎不可能的项目：BrainChart，这是一个标准化的开源数据库，记录了我们 100 年生命周期的 MRI 脑部扫描结果。与生长图类似，BrainChart 将作为解决大脑发育和衰老障碍的参考。

“这应该可以有效地让神经科医生回答这个问题‘这个区域看起来不典型，但不典型程度有多大？’”伯利恒解释道。

当大脑遇见超级计算机

脑部扫描很棘手。任何给定的大脑看起来都可能略有不同，具体取决于扫描仪硬件、处理软件以及使每张图像独一无二的其他十几个因素。翻译？将它们合并在一起是一场噩梦，尤其是在处理数十万张图像时。这就像尝试将相似的照片放在一起，但每张照片都是使用不同的相机、曝光设置、照明条件和分辨率拍摄的。什么是真实数据，什么是噪音？

该团队首先采用了世界卫生组织 (WHO) 推荐的名为 GAMLSS 的软件框架。该框架有助于引导非线性数据，也就是说，数据并不总是随时间变化，这对于大脑的生长轨迹来说是完美的。

接下来是整合脑部扫描的棘手问题。该团队从大约 100 项研究中提取了 MRI 数据，将其映射到大脑中的四个主要标志。有些是经典的，比如灰质的总体积（核磁共振扫描中呈深灰色的神经元体）和白质，它们的柳条分支。就像使用面部特征将截然不同的面孔混合在一起的应用程序一样，这些设定点帮助团队标准化所有数据。

它消耗了令人瞠目结舌的超级计算能力，计算时间约为 200 万小时。 “如果没有剑桥的高性能计算集群，这实际上是不可能的，”塞德利茨说。

一些令人惊讶的趋势立即出现。大脑灰质的数量在人们大约六岁时开始急剧增加，然后开始以“近乎线性的方式”下降。作者说，这一峰值比之前较小规模研究中观察到的要晚三年多。大脑深处的灰质是记忆和情感的枢纽，直到大约 15 岁时，灰质才开始萎缩。

相比之下，白质体积（形成神经网络的扭曲分支）在人们 20 多岁时达到顶峰，在 50 岁时急剧下降。深入研究后，研究小组发现，与白质相比，灰质的数量发生了急剧变化。大脑从出生第一个月到三岁左右。研究小组表示，这是之前的研究尚未发现的拐点。