科研进展
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  •      朱朝喆教授课题组在《Science》子刊《Science Advances》发表文章

            2018年9月4号,北京师范大学认知神经科学与学习国家重点实验室朱朝喆教授课题组在《科学》SCIENCE子刊《科学进展》SCIENCE ADVANCES在线发表了文章——“Transcranial Brain Atlas”(经颅脑图谱)。

            人脑图谱(Brain Atlas)是描述人脑功能和结构之间对应关系的地图。人脑图谱的绘制中,研究者们定义了标准的三维脑空间,并在具体研究中将其发现的包括皮层神经元染色构筑,任务响应,脑网络属性,以及皮层的基因表型等在内的人脑解剖和功能信息以标号的形式映射到这个三维空间中的坐标。因此,脑图谱实际上提供了一个重要的平台,使得我们能够整合来自不同研究,对人脑功能结构不同侧面的观察结果,以此来帮助研究者们形成对人脑的系统性认识。另一方面,脑图谱所提供的先验知识,也是脑成像研究中定义感兴趣区域,定义网络节点和脑干预研究中指定干预靶点的重要依据。非侵入的脑成像/干预研究中,主要依靠两类技术,一类是以MRI,PET为代表的立体脑成像技术,另一类是以fNIRS,TMS为代表的经颅技术。前者由于成像空间是三维的脑空间,因此其观测结果可以直接通过空间配准映射到图谱所在的标准空间。后者通过放置在颅骨表面的经颅设备对下方外侧皮层进行观测或者干预,因此脑图谱所在的立体脑空间,对这类技术是不直接可见的。这制约了利用脑图谱提供的先验知识,指导经颅技术在认知神经科学研究和临床应用中的实施。

            在《科学进展》发表的工作中作者提出了经颅脑图谱的概念和方法框架,包括三个主要内容。第一,依据颅骨地标点和比例测量,定义了颅骨比例坐标系统(Cranial Proportional Coordinates System, CPC 系统),对整个可供经颅装置放置的整个二维颅骨空间定义了标准的坐标表示。第二,利用114人的MRI结构像数据库,建模了人群水平上标准颅骨坐标系统(CPC空间)到标准脑立体坐标系统(MNI空间)的概率对应关系。最后,基于Markov概率模型,求解了CPC空间到脑图谱标号的概率对应。
     
    图 1 经颅脑图谱概念

            作者以基于四个常用脑图谱LPBA400,AAL,Tailarach,和Craddock图谱构建了相应的经颅脑图谱,并对构建结果进行了验证。首先,分半可靠性验证的结果表明, 基于不同数据集构建的经颅脑图谱,相互之间具有很高的可重复性。其次,群体-个体预测结果表明,基于大样本群体信息构建的经脑颅图谱信息,能够有效预测群组内部被试,基于个体结构像的定位结果。再次,跨人种预测的结果表明,基于大样本群体信息构建的经颅脑图谱信息,也能够有效预测跨人种被试的个体定位结果。最后,我们在利用构建的经颅脑图,指导了实际fNIRS实验的光极放置,并比较了经颅脑图谱与10-20系统指导下放置的光极,对于标准手指敲击任务引起的脑活动变化的观测效果。结果表明,经颅脑图谱指导下的光极放置,能显著增加放置光极对感兴趣脑区的覆盖准确性以及对应通道在不同被试上皮层观测位置的空间一致性,从而有效提升fNIRS对感兴趣脑活动进行观测时的敏感性。
     
    图 2 颅骨比例坐标系统(CPC 系统)。(A)CPC系统在个体头壳上的实例。(B)CPC坐标系统的平面投影表示。
    图 3 基于LPBA40脑图谱构建的经颅脑图谱TBA_LPBA。(A)脑叶级别概率地图。(B)脑叶级别标号地图。(C)脑回级别概率地图。(D)脑回级别标号地图。(E)脑回级别标号地图(立体视角)。
     
    图 4 经颅脑图谱指导的fNIRS光极放置(上)与传统方法,即参照10-20系统的光极放置(下)的比较,以手指敲击任务为例。(A)光极放置策略。(B)光极测量的实际皮层位置在人群上的变异。(C)FNIRS实际观测到的群组水平任务激活。(D)光极对感兴趣脑区,中央前回的覆盖情况。

            本研究提出了一种新型的,直接适用经颅技术的人脑图谱。在实际应用中,这意味着实验者仅需要提供可见的被试头壳的形态信息,就能够以与经颅脑成像技术分辨率匹配的空间精度,推测出不可见的脑解剖和功能信息。结合实时定位和增强现实等技术,经颅脑图谱有潜力以直观,精准的方式为研究者提供导航依据,从而推动以fNIRS和TMS为代表的经颅脑成像技术,在清醒婴儿脑成像研究,日常情境社会交互和人因学脑成像研究,以及精神、神经疾病临床干预研究等领域的应用和发展。

            该论文第一作者为博士研究生肖翔,通讯作者为朱朝喆教授,来自北京师范大学认知神经科学与学习国家重点实验室。致谢刘丽教授和西南大学邱江教授在数据方面对本研究的支持。

            该论文得到国家自然科学基金重点项目(61431002),国家973项目(2014CB846100)等基金的支持。

            论文连接:http://advances.sciencemag.org/content/4/9/eaar6904/tab-article-info