【曦嘉医疗】连接组学对大脑认识的变革

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大脑，那是一个由数十亿突触构成的神奇器官，时刻都在以纷繁复杂的模式与序列发送着信号。我们的每一个思绪、每一种情感，乃至各种身体功能的正常运作或是出现功能障碍，都源于这些复杂的电活动过程。所以，搞清楚大脑网络究竟是怎样连接的，以及这些连接背后所蕴含的意义，对于我们深入理解心理健康、认知机制，乃至探寻是什么造就了人类独有的特质，都有着至关重要的作用。

然而，这绝非易事。在过去的几个世纪里，科学家与医生们已然对大脑的结构以及化学特性展开了深度探究，可遗憾的是，在很长一段时间内，人们对于大脑连接方面的特性，一直没能达到较为深刻的理解程度。就如同物理学家爱默生·M·皮尤所说的那样：“如果大脑简单到能让我们理解，我们的思维就会简单到无法理解大脑。”这也侧面反映出大脑的复杂程度之高，想要深入洞悉它是多么大的一个挑战。要是没有大数据、机器学习以及人工智能这些新兴技术的出现，想要真正深入了解大脑，那简直就如同科幻小说里遥不可及的幻想一般。毕竟如今来看，大脑复杂性所带来的挑战，归根结底就是数据处理方面的挑战，不过好在这或许是我们有能力去攻克的，而且还是最为伟大、最令人激动的数据难题。

那到底什么是连接组学呢？其实啊，构成人类大脑的那些错综复杂的脑网络连接，就被称作大脑连接组。它主要是大脑皮层和皮层下结构（也就是统称为灰质的部分）之间的白质，这些连接就宛如电脑里的电线一般，承担着在大脑各个功能区之间传递信息的重任。想象一下，计算机里众多独立的连接，它们携带着来自不同且高度复杂的处理单元的数据，大脑中的连接也是如此这般发挥作用的。而连接组学呢，它是一种借助计算机来构建以及分析大脑功能和结构连接图的大数据方法。“连接组学”这个词是从“基因组学”衍生而来的，“基因组学”是利用大数据去研究生物体遗传学的学科。英文的“Connectomics”（连接组学）沿用了“-omics”（组学）这个后缀，正是因为二者采用了相似的研究手段，也就是通过大数据去分析海量的数据集，进而构建出人类连接组的数字化图谱。而且，纤维束成像还是一种能将大脑“连接组”进行可视化呈现的方式呢。

回顾人类大脑图谱的发展历程，早在1909年，德国神经学家柯比尼安·布罗德曼就依据大脑表面的解剖学以及细胞结构，对大脑做了极为细致的分类。他所构建的模型把人脑划分成了大约47个部分，也就是所谓的“分区”，并且还给每个分区赋予了相应的功能作用。比如说，4区负责运动功能，17区负责视觉处理等等。布罗德曼是通过对大脑皮层的细胞特性展开研究，尝试去界定细胞结构变化的边界来完成这个分类的。在随后的一个世纪里，后续的诸多研究从多个角度对这个早期的“大脑分区图”进行了验证。我们也确实发现，4区如果受到损伤，就会引发持续性的运动障碍，而17区受损则会导致视觉障碍。运用类似的技术手段，甚至还增加了几个新的区域，或者从原有的区域里进一步细分出了新的部分。

不过，布罗德曼的这个模型在阐释更为复杂的神经系统功能时，存在着明显的局限性。首先，他识别大脑功能区的方法并非完全精准，这就好比仅仅考察地球表面，并不能切实有效地划分出国家、州以及城市的边界一样。实际上，这个模型并没有说明大脑中不同区域之间是如何相互作用的，就如同世界地图没办法提供地缘政治方面的深刻见解一样。要知道，如今我们都清楚这些区域间的相互作用对大脑的重要活动起着关键作用，像理解力、情感以及思考能力等，一旦这些活动受到损害，还会引发诸如抑郁症、自闭症以及精神分裂症这类精神和神经系统疾病呢，可对于这些大脑活动，我们此前了解得太少了。

具体来说，布罗德曼“大脑分区图”的局限性体现在多个方面。其一，在不同区域之间能够观察到的物理差异，不一定就和它们所执行的功能存在关联；其二，该模型会把实际执行着不同且不相关功能的多个区域划分到同一个组里；其三，它没办法解释除了像动作、语言这类基本功能之外的其他区域情况，即便有所涉及，那也是过度简化了；其四，它仅仅研究了大脑的灰质，却忽视了将灰质连接在一起的白质；其五，对于不同的个体，尤其是那些脑部有损伤的人来说，大脑内部的分区情况是存在差异的。在现实中，我们看到关于路面导航以及探索外界的技术变得越来越强大、越来越便捷了，可对于大多数的医生和研究人员而言，大脑的导航技术以及探究大脑的工具，却长时间没有取得大范围的进步。就好像仅凭世界地图，我们难以理解国家和文化之间那种复杂的相互关系与相互作用一样，布罗德曼的地图对于我们理解复杂的大脑功能以及与之相关的脑疾病，所能起到的作用着实有限。

好在2009年的时候，人类连接组计划（HCP）启动了，并且开展了为期五年的工作，旨在以数字化的方式绘制人类大脑的结构和功能神经连接。这个一开始耗费3850万美元的项目，起始于美国国立卫生研究院的蓝图大挑战基金，还联合了像华盛顿大学、牛津大学、明尼苏达大学、哈佛大学以及加州大学洛杉矶分校这些世界顶尖的神经科学机构。在先进的基于磁共振技术的助力下，超过一千名受试者都接受了详尽的大脑研究。人类连接组计划（HCP）对大脑绘制技术做出了实质性的改进，甚至可以说是彻底革新了用于研究大脑的相关术语和语言。最终，这个计划带来的研究成果就是一个全新脑图谱的诞生，也就是HCP（人类连接组计划）分区，或者说是脑图谱，它是依据各个区域的功能作用以及它们在功能和结构上的连接方式来界定独立脑区的。这里面涵盖了之前研究过的83个区域，还包含了此前未曾知晓的97个区域，如此一来，每个半球就共有180个区域了。值得一提的是，这个脑图谱所提供的详细信息，能够对更为高级的大脑功能进行阐释，而且它还“简单”到可以让神经科学家、计算机以及人工智能方便地对其进行分析。

可以说，连接组学的出现以及相关研究的推进，正一点点改变着我们对大脑的固有认识，让我们朝着揭开大脑神秘面纱的道路上不断迈进，为后续进一步探索大脑的奥秘、攻克相关疾病等诸多方面都奠定了坚实的基础，也让我们对未来在大脑研究领域能取得更多成果充满了期待。