人脑是自然界中最复杂的系统之一。 据估计, 一个成年人的大脑中约有1011 个神经元细胞, 这些数量巨大的神经元细胞通过大约 1015 个突触互相连接,形成了一个高度复杂的脑结构网络。越来越多的证据表明, 这个复杂而庞大的网络是大脑进行信息处理和认知表达的生理基础。

近年来, 一些神经科学家们充分认识到了构建人脑结构网络的重要性, 并正式提出人脑连接组(human connectome)的概念,以期唤起不同领域的广大科研工作者对该问题的重视。

人脑连接组力图从宏观(大脑脑区)到微观(单个神经元)的各个层次上、全面而精细地刻画人类从总体到个体水平的大脑结构网络图谱, 并进一步挖掘该网络的连接规律。另一方面, 在大脑的结构基础上,神经元的自发活动以及受外界刺激而产生的兴奋过程和抑制过程通过突触传递到其他相关的神经元,使得各神经元之间、神经系统各部分之间的神经活动能够相互配合、相互协调的进行。因此, 大脑结构网络上动力学过程的同步化将大脑在广泛的时空尺度上连接形成了动态的复杂功能网络, 从而使人脑连接组的研究从大脑结构网络扩展到了大脑功能网络。

对于人脑连接组的构想, 美国国立精神卫生研究所的负责人 Thomas Insel 如此评论, “就像现代基因学需要基因组一样, 大脑的研究也需要大脑连接组,这是我们理解大脑如何工作以及洞悉当出现某些问题时大脑内部究竟发生了什么的唯一方法”。

20 世纪末启动的人类基因组计划致力于解开人体内 2~3万个基因的编码, 同时绘制出人类的基因图谱。人类基因组计划的完成对整个生物学的发展都具有深远的影响。同样, 人脑连接组的构建也是一项艰巨且意义重大的工程。

人脑中大量不同类型的神经元细胞,数以万亿计的突触, 加上它们之间复杂的连接模式和动态变化使得构建人脑连接组的难度较人类基因组计划有过之而无不及。但同时, 人脑连接组可以帮助我们全面而细致地刻画大脑内部的组织模式, 改变长久以来我们研究大脑的方式, 即不再将大脑视为数量巨大的离散的解剖单元或者化学物质的集合体, 而是由彼此纵横交叉相互连接的神经元细胞构成的复杂统一体。这种观念上的变革将为进一步深入地窥探大脑内部的神经活动规律以及各种神经精神疾病的发病机理等重大神经科学问题提供全新的视角。

现代脑成像技术和统计物理学,尤其是复杂网络理论的发展为人脑连接组的研究提供了必要的工具和分析方法。 2005 年, 美国著名复杂脑网络分析专家 Sporns 教授指出, 人脑连接组可以从 3 个空间尺度, 即微尺度(microscale)、中间尺度(mesoscale)和大尺度(macroscale 或 large-scale) (分别代表神经元、神经元集群和大脑脑区 3 个水平)上进行研究。

但鉴于现有的技术手段, 目前该领域的研究主要集中在大尺度水平上通过结构磁共振成像(structural magnetic resonance imaging, structural MRI)、扩散磁共振成像(diffusionmagnetic resonance imaging, diffusion MRI)等成像技术来构建大脑结构连接网络或者采用脑电图(electroencephalogram, EEG)、脑磁图(magnetoencephalography,MEG)和功能磁共振成像(functionalMRI,fMRI)等技术建立大脑功能连接网络, 然后结合基于图论(graph theory)的复杂网络分析方法, 揭示其拓扑原理, 进而理解大脑内部的工作机制。

以后的几课将以人脑结构和功能网络(连接组)的研究为重点, 首先介绍复杂网络理论中的一些基本概念; 然后综述近几年来国际上不同的研究组在该领域的工作, 主要包括正常人大脑的结构和功能网络及神经精神疾病引起的网络异常变化研究; 最后, 讨论当前该领域研究所面临的挑战并对将来可能的研究方向进行展望。

明天见。

致/brain.bnu.edu.cn/最可爱的人。