脑发育“里程碑”来了！收集全球10万人数据，创建史上首份大脑生长图

直观呈现人脑如何在生命早期快速发育、增大，然后随着年龄增长而缓慢萎缩。

撰文 |燕小六

来源 | “医学界”公众号

4月初，高被引作者、神经科学家雅各布·塞德利茨（Jakob Seidlitz）带着15个月大的儿子，去看儿科医生，做例行的健康检查。

他对检查结果不满意。

儿科医生称，孩子没有问题。身高、体重、头围等发育指标都在生长曲线的“标准”范围内。

“但没有量化指标，能反映与发育相关的大脑变化。”现供职于美国费城儿童医院的雅各布告诉《自然》。

这一现状或许很快就能改变。雅各布恰恰是推动者之一。

当地时间4月6日，《自然》发表雅各布等人合著研究。该研究被指拥有“史上两大最多”。

第一，数据最多。纳入100多项初级研究，涵盖全球10万余人、12万多份脑部磁共振成像（MRI）数据，创建史上首份大脑发育生长图。它确定了以前未报告的脑发育里程碑，直观呈现人脑如何在生命早期快速发育、增大，然后随着年龄增长而缓慢萎缩。

第二，作者最多。220余人荣登作者栏，另有数百名数据贡献者被列为“引用”。

“海量数据让人印象深刻。这为脑科学研究树立了新标准。”美国佛罗里达国际大学认知神经科学家安吉拉·莱尔德（Angela Laird）告诉《自然》。

“一个更大的脑子未必运作良好。”美国华盛顿大学儿科神经学家汉娜·塔利（Hannah Tully）持保留意见，称雅各布等人的脑发育生长图只是“初稿”，需要进一步调整才能运用到临床，以免被误读。

图片说明：雅各布·塞德利茨等人收集、分析12万余份脑部MRI扫描结果，创建出涵盖人类寿命的大脑生长图表。/SPL

“取之于民”的大数据

脑科学研究长期存在一组“主要矛盾”。一方面，脑结构因人而异。要想创建一组具有统计意义的图表或模型，必须纳入足够多的数据。另一方面，脑部MRI扫描耗时长、价格贵。

“要收集10万人数据，得花数十年时间。成本高得让人却步。”前述研究合著者、英国剑桥大学神经科学家理查德·伯利恒（Richard Bethlehem）介绍。

雅各布是个“大数据”追逐者。在其个人网站上，他自称：“致力于从‘大数据’中获得新的神经科学见解，以更好地了解人脑是如何发育、进化和被破坏的。”

两人和团队讨论后，决定“寻找同盟”。

他们研发了一个名为“脑图（brainchart）”的开源网站，允许用户自主上传、下载数据。然后，他们给全球各地的研究人员发电子邮件，询问其是否愿意在线共享脑MRI扫描数据。

“看到回复量，两人大吃一惊。这远比设想得多。”《自然》称，研究团队将之归因于新冠肺炎大流行。科学家们待在实验室的时间少了，上网、查收电子邮件的时间多了。

最终，研究团队收到101,457人、共123,894份脑部MRI数据，涉及100多项初级研究。提供数据或算法的研究人员大多被列入作者栏或引用栏。

在这些脑MRI数据中，有经典的、正常发育的脑图，也有患各种神经系统疾病（如阿尔茨海默病）和神经发育广泛障碍性疾病（包括自闭症谱系障碍）的脑成像。

研究团队使用统计模型，从图像中提取信息，并确保无论使用哪一款MRI设备，数据都具有可比性。

由于最小的“入组者”是受孕后115天的胎儿，最大的是百岁成人，研究人员获得一组与年龄密切相关的“脑图”，并确认几大关键性的脑发育指标。“它涵盖从子宫发育到衰老死亡的整个人类生命周期，旨在创造一种通用语言，来描述大脑发育和成熟等。”

研究数据显示，灰质总体积（GMV）和平均皮质厚度会在发育早期达到峰值。GMV从孕中期开始迅速增加，在5.9岁时达到峰值，随后近线性下降。这一峰值的观测时间比过往报告晚了2-3年。

从孕中期到儿童早期，白质总体积（WMV）也在迅速增加，于28.7岁时达到峰值。50年后则加速下降。

控制基本身体功能和行为的皮层下灰质体积，会在14.5岁时达到峰值。

神经科学家格外关心脑脊液（CSF）空间增大，这一指标变化通常与脑萎缩有关。前述研究发现，2岁前，相关指标呈上升趋势，到30岁左右保持稳定，然后缓慢地近线性增长。到60岁时，呈指数增加。

研究还密切跟踪了总大脑表面积和总大脑体积。两者分别在10.97岁和12.5岁时达到峰值。

图片来源于Nature

从长远来看，理查德和雅各布希望将“脑图”打磨成临床工具。

比如，有一天，“脑图”能像儿童体重、身高等生长曲线一样，被用于预测和诊断非典型的大脑发育。

或者，用于阿尔茨海默病等疾病筛查和评估。阿尔茨海默病会导致神经退行性病变和脑组织丢失。相较于同龄人，患病者更可能出现明显的脑体积减少等。

另一方面，虽然大脑会随着年龄增长而自然萎缩，但在阿尔茨海默病患者中，这一进程更早、更快。

研究团队表示，这是迄今为止最大的神经影像数据集，包含约165种不同的诊断分类。其临床运用价值可以预期。

研究也有缺憾。

理查德和雅各布团队坦言，他们没有摆脱神经影像学研究特有的问题，即缺乏多样性。“全球有数十亿人无法用到MRI，其脑成像数据难以获得。我们收集的数据主要来自北美和欧洲，白人、大学教育水平、城市和富裕人群占比非常大。仅有3组来自南美的数据和1组来自非洲的数据，占总数的1%。”

他们认为，这或限制研究结果的普适性。

脑MRI研究会不会越来越大？

就在理查德和雅各布等人研究发布的20天前，《自然》刚刚发表美国圣路易斯华盛顿大学的重磅研究。

该文显示，迄今，几乎所有使用MRI进行脑部扫描的神经科学研究，都面临参与者太少的窘境，无法可靠地检测大脑功能和行为之间的联系，相关结论很可能是不正确的。

牛津大学的卡桑德拉·古尔德·范·普拉格（Cassandra Gould van Praag）评论称，该研究可能给脑部MRI研究带来一场生存危机，“不做大，难取信”。

类似的现象在心理健康遗传学研究中也出现过。20世纪90年代，一些纳入数十或数百名参与者的小型研究发现与抑郁症等相关的“基因”。

然而，一项囊括数十万人全基因组测序的研究指出，抑郁症受到数百种基因变异影响。每一种基因变异的独立影响都很小。

安吉拉·莱尔德“预测”，未来，脑MRI相关研究可能会顺着理查德和雅各布的设想发展，联合多个小型研究、形成一项大样本研究。

目前，“脑图”网站在持续维护、运营。理查德和雅各布团队公开了代码和统计模型。他们希望进一步打磨数据，以实时更新“脑图”。

参考资料：

[1]Your brain expands and shrinks over time—these charts show how.Nature

责编：郑华菊

校对：臧恒佳