神經外科功能區定位技術助力“腦計劃”研究

江濤

(北京市神經外科研究所，首都醫科大學附屬北京天壇醫院神經外科，國家神經系統疾病中心，北京 100050)

一、“腦計劃”的任務

大腦由于其結構精細、功能復雜，因此是人體最精密、最復雜的器官。它不僅產生并控制人體感覺、運動等初級功能，并且還負責產生語言、認知、情感、記憶、執行等高級功能。腦功能的生理學結構是腦區及神經功能環路。在病理狀態下，相對應的神經功能可能由于神經元及神經細胞的損傷而發生改變或代償。因此，充分揭示腦功能的類型、腦功能區以及神經功能環路的分布、神經功能的損傷與代償機制是至關重要的。

一直以來，神經科學、心理科學等方面的專家學者們始終致力于探索并揭示大腦的工作原理，及其處理信息、行使功能的工作機制。隨著神經科學技術的長足發展，“腦計劃”已經逐漸被各國提出并加以實施。

自2012年以來，先后由歐盟、美國等發達國家率先開展“腦計劃”的工作。2016年，我國也發布了“中國腦計劃”即“腦科學與類腦研究”戰略布局方案。該計劃共提出了九項主要任務，分別為：①統計大腦細胞類型；②建立大腦結構圖；③開發大規模神經網絡記錄技術；④開發操作神經環路的工具；⑤了解神經細胞活動與個體行為之間的關系；⑥將神經科學實驗與理論、模型、統計和計算進行整合；⑦描述人類大腦成像技術的機制；⑧建立人類數據的收集機制；⑨神經科學的知識傳播與培訓。該計劃的最終目標是真正理解神經活動的環路和模式，了解智力活動和行為模式，為診治神經和精神疾病奠定基礎。

盡管目前制定的研究策略是主要通過研究神經內科以及精神方面的疾病揭示腦功能連接環路。神經外科作為唯一能夠直接通過手術接觸到大腦的學科，具有獨特的資源和技術手段。因此，神經外科在“腦計劃”中的作用是至關重要的。

二、功能區定位技術

利用腦功能區的定位技術準確地揭示各神經功能環路的分布以及在疾病狀態下神經功能環路的變化具有重要的作用和價值。目前常用的功能區定位技術主要包括影像學定位技術和電生理技術。

1.影像學技術：現有的應用于功能區定位的影像學技術包括：給予血氧水平的任務態功能磁共振(task functional magnetic resonance imaging, task-fMRI)及靜息態功能磁共振(rest functional magnetic resonance imaging, rest-fMRI)、彌散張量成像(diffusion tensor imaging, DTI)及纖維追蹤技術(fiber tractography, FT)、腦代謝功能成像技術以及基于腦網絡水平的組學分析技術。這些技術可作為無創技術對正常人群及患有各種神經功能疾病的患者進行研究。不同的磁共振序列具有各自的成像特點，因此將不同序列組合成多模態的影像學分析可充分揭示腦皮質、皮質下結構的解剖學特點和功能連接特點。利用腦網絡屬性作為分析指標，對不同組別的被試進行分析，可有效地揭示各個神經功能環路的分布和連接情況，以及進一步研究其自身的工作機制。

2.電生理技術：目前常用的腦功能監測電生理技術主要包括：體感誘發電位(somatosensory evoked potential, SEP)，運動誘發電位(motion evoked potential, MEP)，皮質腦電技術(electrocorticogram, ECoG)等技術。這些技術主要是通過對比分析不同神經功能環路(或不同位置)的電信號在工作狀態下與靜息狀態下的差異，揭示腦功能區及神經功能環路的分布情況。此外，經顱磁刺激和直接皮層電刺激技術在國內的逐步發展，為腦功能區定位提供了新的研究方向。直接皮層電刺激也是目前功能區定位的“金標準”，能夠精確定位患者的語言、運動等重要功能區。通過功能影像學分析可能潛在的神經環路并充分利用電生理手段進行驗證是實現解釋神經功能環路分布的主要研究思路。

三、功能區定位技術在“腦計劃”中的應用價值

功能區定位技術在“腦計劃”中發揮重要作用，可幫助繪制和驗證人腦宏觀神經網絡圖譜。通過綜合不同影像技術，我們對于正常人群的大腦皮質功能分布情況已經有了初步的掌握。利用task-fMRI和rest-fMRI技術，適用于正常人群的腦功能皮質分布圖譜不斷完善。通過在rest-fMRI和DTI序列中分析腦區之間的連接屬性，初步揭示了部分神經及精神疾病的神經環路改變機制。在患者中，task-fMRI和rest-fMRI技術被用來探索疾病帶來的腦功能網絡代償方式。

經顱磁刺激技術和直接皮質電刺激技術也被更多應用到神經外科的術前功能定位。皮層刺激是功能定位的金標準，對“腦計劃”擬構建的人腦神經環路是有力的驗證。目前應用主要為精確定位感覺運動功能、語言功能及部分高級認知功能。例如，利用直接皮層電刺激觀察與語言功能相關的皮質及皮質下結構。

皮層腦電對于癲癇的研究具有其獨特的優勢。目前，利用皮層腦電及腦代謝影像序列對癲癇患者的發病位置、發病機制的研究，也已取得了部分成果。例如，研究發現顳葉鉤回及海馬的硬化與癲癇的發病相關。

可見，腦功能定位技術在“腦計劃”中的作用是舉足輕重的。盡管現在已取得了初步的成果，但距離實現完成“腦計劃”的目標尚有很長的路要走。

四、功能區定位技術在“腦計劃”中的未來發展方向

結合我國“腦計劃”提出的具體任務目標，功能區定位技術在“腦計劃”中的發展方向應主要集中在以下兩方面：①充分揭示正常腦神經功能環路的分布，探索腦功能重塑機制；②實現對疾病腦神經功能環路及其重塑形式的個體化預測。

目前，對于正常人群和部分神經及精神疾病患者的神經功能環路分布的研究已初具規模，但是對于神經外科所特有的疾病，如顱腦腫瘤、顱腦創傷等疾病的研究仍處于起步階段。研究難點主要在于顱內占位造成腦組織結構、功能環路以及血流動力學的改變。這些變化會降低影像學功能定位的準確度。同時，神經電生理技術驗證神經環路的過程中，需要手術團隊和患者的高度默契的配合。手術中功能監測使用任務的設計，是驗證相關神經功能環路的基礎。在病理狀態下，某些神經環路會實時再分布。綜合各種腦功能定位技術，全面了解不同疾病的神經功能環路再分布情況，對于了解腦功能重塑機制具有關鍵作用。

隨著人工智能技術、腦機接口設備的不斷發展，利用人工智能算法預測個體化神經功能環路的分布情況已逐漸成為可能。針對某些特定的神經功能環路，通過大數據來預測分析，很可能實現個體化的神經功能環路分布預測。

綜上，神經外科常用的腦功能區定位技術對揭示人腦重要神經環路具有不可替代的作用，對推動“腦計劃”的順利實施有著巨大的應用價值。加快發展并實踐更為精準的腦功能區定位技術，是“腦計劃”實施過程中的下一個重要目標。