脑图描绘了人类大脑在一生中快速增长和缓慢衰退的过程

这些图表是一个横跨六大洲的研究项目的结果，它汇集了可能是有史以来最大的核磁共振数据集——来自100多项不同研究的近12.5万张脑部扫描图。虽然目前还不打算用于临床，但该团队希望该图表将成为一种常规的临床工具，类似于标准化儿科生长图表的使用方式。

200多年来，生长图表一直是儿科保健的基石，在诊所中广泛使用，以帮助监测儿童与同龄人的生长和发育情况。一个典型的生长图表可能会在水平轴上绘制年龄，在垂直轴上绘制身高，但它不是一条单线，而是一个反映身高、体重或头围自然变化的范围。

目前还没有类似的参考图表来测量人类大脑中与年龄相关的变化。大脑发育和衰老的标准化评估工具的缺乏与精神疾病的研究尤其相关，在精神疾病的研究中，疾病之间的差异和异质性需要能够像临床参考图表一样显示单个个体的有意义的仪器，以及导致脑组织退化和认知能力下降的阿尔茨海默病等疾病。

今天的研究发表在自然，是填补这一空白的重要一步。与儿科生长图表不同，BrainChart——发表在开放获取网站brainchart上。IO -涵盖了从子宫发育到老年的整个生命周期，旨在创建一种共同的语言来描述大脑发育和成熟的可变性。

令人难以置信的不断成长和萎缩的大脑

大脑图表使研究人员能够确认——在某些情况下，首次显示——以前只是假设的发育里程碑，比如大脑的主要组织类别在什么年龄达到峰值，以及大脑的特定区域在什么时候达到成熟。

剑桥大学精神学系的理查德·伯利恒博士是这项研究的联合负责人之一，他说:“通过全球协调一致的努力，我们能够做的一件事是将整个生命周期的数据拼接在一起。它使我们能够测量大脑中发生的非常早期的快速变化，以及随着年龄增长而长期缓慢的衰退。”

该团队观察到的关键里程碑包括:

• 灰质(脑细胞)的体积从妊娠中期开始迅速增加，在我们六岁之前达到峰值。然后开始慢慢减少。
• 白质(大脑连接)的体积也从妊娠中期到儿童早期迅速增加，并在我们29岁之前达到峰值。
• 白质体积的下降在50年后开始加速。
• 大脑皮层下(控制身体功能和基本行为)的灰质体积在14岁半的青春期达到顶峰。

朝着临床有用的工具迈进

虽然大脑图表已经被证明对研究有用，但从长远来看，该团队打算将其用作临床工具。这些数据集已经有大约165个不同的诊断标签，这意味着研究人员可以看到大脑在阿尔茨海默病等疾病中的差异。

阿尔茨海默病会导致神经退行性变和脑组织损失，因此与同龄人相比，患有这种疾病的人的脑容量可能会减少。同样的道理，一些健康的成年人比其他人高，所以大脑大小是有差异的——换句话说，稍微小一点的大脑并不一定意味着有什么问题。然而，从大脑图表中可以明显看出，尽管大脑体积随着年龄的增长而自然减小，但阿尔茨海默病患者的大脑体积减小得更快。

伯利恒博士解释说:“我们的大脑图表仍处于非常早期的阶段，这表明通过汇集庞大的数据集来创建这些工具是可能的。这些图表已经开始为大脑发育提供有趣的见解，我们的雄心是，在未来，随着我们整合更多的数据集并完善图表，它们最终可能成为常规临床实践的一部分。

“你可以想象它们被用来帮助评估筛查过的阿尔茨海默氏症等疾病的患者，例如，让医生通过比较患者的脑容量与同龄人的变化速度来发现神经退行性变的迹象。”

此外，该团队希望使大脑图表更能代表整个人口，指出需要更多关于以前代表性不足的社会经济和种族群体的大脑MRI数据。

一个巨大的技术壮举

费城儿童医院寿命大脑研究所和宾夕法尼亚大学的雅各布·塞德利茨博士是这项研究的另一位联合负责人，他说:“创建这些大脑图表涉及多项技术壮举和一个庞大的合作团队。对于大脑成像数据，事情比拿出卷尺测量某人的身高或头围要复杂一些。我们需要应对重大挑战，包括后勤和管理障碍，以及我们在脑成像数据集之间发现的巨大方法差异。”

该团队使用标准化的神经成像软件从MRI扫描中提取数据，从简单的属性开始，如灰质或白质的体积，然后扩展他们的工作，以观察更精细的细节，如皮层的厚度或大脑特定区域的体积。他们使用了由世界卫生组织实施的用于生成生长图表的框架来构建他们的大脑图表。

总的来说，他们估计他们已经使用了大约200万小时的计算时间，分析了接近1拍字节的数据(1拍字节相当于1,000,000,000,000,000字节)。

“如果没有剑桥大学的高性能计算集群，这真的是不可能的，”塞德利茨博士说。“但我们仍然认为这项工作仍在进行中。这是建立神经成像标准化参考图表的第一步。这就是为什么我们建立了这个网站，并建立了一个庞大的合作者网络。随着新数据的出现，我们希望不断更新图表，并在这些模型的基础上进行构建。”

该团队创建了带有参考框架的工具，允许其他研究人员和临床医生调整他们自己的数据集，使其与BrainChart人群进行比较成为可能。

伯利恒博士解释说:“NHS每年进行数百万次脑部扫描，在大多数情况下，由放射科医生或神经学家依靠他们广泛的专业知识进行评估，以判断这些扫描是否有明显的临床相关。我们希望临床医生在未来能够将他们的数据与我们的数据进行比较，并产生一份更全面的报告，为他们的评估添加额外的客观和定量观察。

“这应该可以有效地让神经学家回答‘这个区域看起来不典型，但不典型的程度有多大?’的问题。”由于该工具是标准化的，所以你在哪里进行脑部扫描并不重要——你仍然应该能够进行比较。”

剑桥大学的西蒙·怀特博士和埃德·布尔莫尔教授，以及宾夕法尼亚大学的亚伦·亚历山大·布洛赫博士，与伯利恒博士和塞德利茨博士一起领导了这项工作。它建立在过去几十年世界范围内的集体努力的基础上，在许多不同年龄的不同人群中，用核磁共振成像测量人类大脑结构。该团队表示，如果没有对许多高质量MRI数据集的开放访问，这是不可能的，并希望他们的结果将有助于进一步开放和共享脑成像科学的数据和分析。

这项研究得到了英国科学院、自闭症卓越中心、医学研究委员会、国家健康研究所(NIHR)、威康信托基金会和NIHR剑桥生物医学研究中心的支持。