神经外科功能区定位技术助力“脑计划”研究

江涛

(北京市神经外科研究所，首都医科大学附属北京天坛医院神经外科，国家神经系统疾病中心，北京 100050)

一、“脑计划”的任务

大脑由于其结构精细、功能复杂，因此是人体最精密、最复杂的器官。它不仅产生并控制人体感觉、运动等初级功能，并且还负责产生语言、认知、情感、记忆、执行等高级功能。脑功能的生理学结构是脑区及神经功能环路。在病理状态下，相对应的神经功能可能由于神经元及神经细胞的损伤而发生改变或代偿。因此，充分揭示脑功能的类型、脑功能区以及神经功能环路的分布、神经功能的损伤与代偿机制是至关重要的。

一直以来，神经科学、心理科学等方面的专家学者们始终致力于探索并揭示大脑的工作原理，及其处理信息、行使功能的工作机制。随着神经科学技术的长足发展，“脑计划”已经逐渐被各国提出并加以实施。

自2012年以来，先后由欧盟、美国等发达国家率先开展“脑计划”的工作。2016年，我国也发布了“中国脑计划”即“脑科学与类脑研究”战略布局方案[1]。该计划共提出了九项主要任务，分别为：①统计大脑细胞类型；②建立大脑结构图；③开发大规模神经网络记录技术；④开发操作神经环路的工具；⑤了解神经细胞活动与个体行为之间的关系；⑥将神经科学实验与理论、模型、统计和计算进行整合；⑦描述人类大脑成像技术的机制；⑧建立人类数据的收集机制；⑨神经科学的知识传播与培训[2]。该计划的最终目标是真正理解神经活动的环路和模式[3]，了解智力活动和行为模式，为诊治神经和精神疾病奠定基础。

尽管目前制定的研究策略是主要通过研究神经内科以及精神方面的疾病揭示脑功能连接环路。神经外科作为唯一能够直接通过手术接触到大脑的学科，具有独特的资源和技术手段。因此，神经外科在“脑计划”中的作用是至关重要的[4]。

二、功能区定位技术

利用脑功能区的定位技术准确地揭示各神经功能环路的分布以及在疾病状态下神经功能环路的变化具有重要的作用和价值。目前常用的功能区定位技术主要包括影像学定位技术和电生理技术。

1. 影像学技术：现有的应用于功能区定位的影像学技术包括：给予血氧水平的任务态功能磁共振(task functional magnetic resonance imaging, task-fMRI)及静息态功能磁共振(rest functional magnetic resonance imaging, rest-fMRI)、弥散张量成像(diffusion tensor imaging, DTI)及纤维追踪技术(fiber tractography, FT)、脑代谢功能成像技术以及基于脑网络水平的组学分析技术。这些技术可作为无创技术对正常人群及患有各种神经功能疾病的患者进行研究。不同的磁共振序列具有各自的成像特点，因此将不同序列组合成多模态的影像学分析可充分揭示脑皮质、皮质下结构的解剖学特点和功能连接特点。利用脑网络属性作为分析指标，对不同组别的被试进行分析，可有效地揭示各个神经功能环路的分布和连接情况，以及进一步研究其自身的工作机制。

2. 电生理技术：目前常用的脑功能监测电生理技术主要包括：体感诱发电位(somatosensory evoked potential, SEP)，运动诱发电位(motion evoked potential, MEP)，皮质脑电技术(electrocorticogram, ECoG)等技术。这些技术主要是通过对比分析不同神经功能环路(或不同位置)的电信号在工作状态下与静息状态下的差异，揭示脑功能区及神经功能环路的分布情况。此外，经颅磁刺激和直接皮层电刺激技术在国内的逐步发展，为脑功能区定位提供了新的研究方向。直接皮层电刺激也是目前功能区定位的“金标准”，能够精确定位患者的语言、运动等重要功能区。通过功能影像学分析可能潜在的神经环路并充分利用电生理手段进行验证是实现解释神经功能环路分布的主要研究思路。

三、功能区定位技术在“脑计划”中的应用价值

功能区定位技术在“脑计划”中发挥重要作用，可帮助绘制和验证人脑宏观神经网络图谱。通过综合不同影像技术，我们对于正常人群的大脑皮质功能分布情况已经有了初步的掌握。利用task-fMRI和rest-fMRI技术，适用于正常人群的脑功能皮质分布图谱不断完善。通过在rest-fMRI和DTI序列中分析脑区之间的连接属性，初步揭示了部分神经及精神疾病的神经环路改变机制。在患者中，task-fMRI和rest-fMRI技术被用来探索疾病带来的脑功能网络代偿方式。

经颅磁刺激技术和直接皮质电刺激技术也被更多应用到神经外科的术前功能定位。皮层刺激是功能定位的金标准，对“脑计划”拟构建的人脑神经环路是有力的验证。目前应用主要为精确定位感觉运动功能、语言功能及部分高级认知功能。例如，利用直接皮层电刺激观察与语言功能相关的皮质及皮质下结构[5]。

皮层脑电对于癫痫的研究具有其独特的优势。目前，利用皮层脑电及脑代谢影像序列对癫痫患者的发病位置、发病机制的研究，也已取得了部分成果。例如，研究发现颞叶钩回及海马的硬化与癫痫的发病相关。

可见，脑功能定位技术在“脑计划”中的作用是举足轻重的。尽管现在已取得了初步的成果，但距离实现完成“脑计划”的目标尚有很长的路要走。

四、功能区定位技术在“脑计划”中的未来发展方向

结合我国“脑计划”提出的具体任务目标，功能区定位技术在“脑计划”中的发展方向应主要集中在以下两方面：①充分揭示正常脑神经功能环路的分布，探索脑功能重塑机制；②实现对疾病脑神经功能环路及其重塑形式的个体化预测。

目前，对于正常人群和部分神经及精神疾病患者的神经功能环路分布的研究已初具规模，但是对于神经外科所特有的疾病，如颅脑肿瘤、颅脑创伤等疾病的研究仍处于起步阶段。研究难点主要在于颅内占位造成脑组织结构、功能环路以及血流动力学的改变。这些变化会降低影像学功能定位的准确度。同时，神经电生理技术验证神经环路的过程中，需要手术团队和患者的高度默契的配合。手术中功能监测使用任务的设计，是验证相关神经功能环路的基础。在病理状态下，某些神经环路会实时再分布。综合各种脑功能定位技术，全面了解不同疾病的神经功能环路再分布情况，对于了解脑功能重塑机制具有关键作用。

随着人工智能技术、脑机接口设备的不断发展，利用人工智能算法预测个体化神经功能环路的分布情况已逐渐成为可能。针对某些特定的神经功能环路，通过大数据来预测分析，很可能实现个体化的神经功能环路分布预测。

综上，神经外科常用的脑功能区定位技术对揭示人脑重要神经环路具有不可替代的作用，对推动“脑计划”的顺利实施有着巨大的应用价值。加快发展并实践更为精准的脑功能区定位技术，是“脑计划”实施过程中的下一个重要目标。