研究人员构建了人类大脑有史以来最大的参考模型之一。该研究汇总了来自19个国际数据集的54,583名个体的扩散MRI扫描，建立了大脑白质的明确终身"生长和衰退图表"。
通过追踪水分子在整个生命周期中如何沿着神经线路移动，这个公开可用的工具使临床医生能够绘制与衰老、阿尔茨海默病和精神分裂症风险相关的个体特异性结构偏差。
关键事实
白质生长指标：就像标准的儿科生长图表追踪儿童的身高和体重里程碑一样，该框架为大脑白质微观结构提供了规范参考标准。它精确地映射了庞大的神经线路网络如何随时间成熟和衰退，提供了一种检测细微结构异常的新方法。
扩散MRI视角：为了在全球范围内绘制这种微观结构地形，研究团队使用了扩散MRI，这是一种专门的成像技术，用于监测水在活体脑组织中的微观运动。由于这种液体运动受到神经纤维及其保护性髓鞘密度的物理引导，扫描能够捕捉到标准临床脑扫描完全无法显示的结构变化。
验证"后进先出"公理：全球数据集产生了巨大的结构洞察，证实了被称为"后进先出"的大脑衰老长期理论。研究团队观察到，在儿童和青少年时期最晚完全成熟的特定白质通路，正是大脑进入老年时表现出最快结构衰退的确切神经高速公路。
个体特异性诊断偏差：为了测试图表的实际临床效用，研究团队将他们的规范模型应用于被诊断为轻度认知障碍、痴呆和22q11.2缺失综合征（一种表明精神分裂症高风险的基因变异）的个体数据集。在每一种情况下，该模型都标记出了与年龄预期标准明显偏离的结构偏差。至关重要的是，这些偏差在相同诊断的个体之间并不相同，突显了对大脑健康采取个性化方法的必要性。
临床试验仪表板：由资深作者Paul M. Thompson博士和第一作者Julio E. Villalón-Reina博士领导，这些图表允许科学家将个体的神经通路与其他相同年龄、性别和人口统计学队列的人进行交叉评估。这提供了一个基线标准来评估治疗试验，追踪治疗干预是否成功地将患者的白质指标拉回健康范围，或随着时间的推移减缓退化。
30多种疾病的共同框架：由美国国立卫生研究院（NIH）和国际合作伙伴资助，这个公开可用的参考工具目前正在扩大规模，以在单一、统一的分析框架下严格比较30多种不同的神经、精神和神经发育状况。
来源：南加州大学
南加州大学凯克医学院的Mark和Mary Stevens神经影像学与信息学研究所（Stevens INI）的研究人员创建了人类大脑有史以来最大的参考模型之一，使用来自54,000多人的扩散MRI扫描，绘制大脑通信通路在整个生命周期中的发展、成熟和衰退图谱。
该研究发表在《自然通讯》杂志上，为大脑白质——允许脑区之间通信的庞大神经线路网络——提供了相当于"生长图表"的工具。这种新工具为研究人员提供了一种检测与衰老、阿尔茨海默病、精神分裂症风险以及其他神经和精神疾病相关的细微模式的新方法。
Stevens INI的博士后研究员、该研究的第一作者Julio E. Villalón-Reina博士说："就像儿科生长图表帮助临床医生确定儿童的身高或体重是否按预期发展一样，这些大脑图表提供了大脑神经通路在整个生命周期中如何变化的参考。这为我们提供了一种强大的新方法来识别个体的脑部线路何时超出预期范围。"
白质对于大脑各部分之间的高效通信至关重要。为了研究它，研究团队使用了扩散MRI，这是一种追踪水如何穿过脑组织的成像方法。由于水的运动受到神经纤维及其周围的保护性髓鞘等微观特征的塑造，扩散MRI可以揭示标准脑扫描无法显示的组织结构的细微变化。
在汇总了来自19个国际数据集的54,583名个体的扩散MRI数据后，研究人员为大脑的神经通路（连接大脑不同区域并使它们能够通信的神经纤维网络）构建了统计"生长和衰退图表"。
研究人员专注于21个主要脑区的白质微观结构的四种广泛使用的测量指标。通过模拟这些指标如何随年龄和性别变化，他们生成了生命周期曲线和相应的百分位范围，显示了不同生命阶段的典型情况。结果显示，白质遵循不同的发育和衰老轨迹，有些指标在成年早期达到成熟峰值，而其他指标则在中年后期。
Villalón-Reina说："大脑发育和大脑衰老不是均匀的过程。大脑的神经通路在不同的时间线上成熟，有些比其他更容易衰退。我们的模型通过合并真正全球规模的数据揭示了这种结构。"
研究团队还发现了支持大脑衰老长期理论的证据，有时被称为"后进先出"。根据这一理论，在儿童和青少年时期最后发育的大脑通路往往在老年时更容易衰退。研究人员观察到，后期成熟的白质区域确实在老年时衰退最快，为大脑发育和衰老的时间线提供了新的见解。
为了展示该模型的实际价值，研究人员将其应用于轻度认知障碍、痴呆和22q11.2缺失综合征（一种增加精神分裂症风险的遗传状况）患者的数据集。在每种情况下，该模型都识别出了与年龄预期标准偏差的脑回路改变。重要的是，这些偏差在相同诊断的个体之间并不相同，突显了个体化方法的价值。
Stevens INI的副主任、该研究的资深作者Paul M. Thompson博士说："这项巨大的研究花了七年时间才完成。数据的庞大规模和评估的脑部特征的精细程度意味着我们现在可以将你的神经通路与其他同年龄、同性别和同人口统计学特征的人进行比较。我们可以看到你的大脑与同年龄和性别的预期相比有何不同，这为我们提供了一种工具，可用于数十种脑部疾病的治疗临床试验。"
当应用于痴呆和轻度认知障碍患者时，该模型在涉及记忆和区域间通信的脑区中检测到不典型的白质模式。在22q11.2缺失综合征患者中，它在多个关键神经通路上识别出偏差，帮助研究人员发现哪些脑系统发育不同。
参考图表还可能帮助研究人员评估治疗，追踪一个人的白质测量值是否更接近预期范围，或者治疗是否随着时间的推移减缓了向健康模式的偏离。这些图表现在将用于比较30多种脑部疾病和状况，为研究不同疾病如何出现、发展和对干预做出反应提供了一个共同框架。
这些模型也是一个可以公开获取的资源，随着更多脑部成像数据的可用，可以进行扩展。这些方法现在正被用于研究神经、精神和神经发育障碍，通过提供贯穿整个生命周期的白质微观结构的共同参考标准。
USC的Stevens INI主任兼教务长教授Arthur W. Toga博士说："这项研究展示了大规模国际数据共享的力量，可以创建整个研究界都可以使用的工具。通过为大脑的通信通路建立生命周期框架，这项工作开辟了检测细微疾病相关变化、更严格地比较状况以及朝着更个性化的脑健康理解迈进的新机会。"
关于这项研究
这项研究《生命周期脑微观结构的规范建模》发表在《自然通讯》杂志上。除了Villalón-Reina和Thompson，该研究的作者还包括Alyssa H. Zhu、Leila Nabulsi、Sophia I. Thomopoulos、Clara A. Moreau、Yixue Feng、Tamoghna Chattopadhyay、Sebastian Benavidez、Leila Kushan、John P. John、Himanshu Joshi、Iyad Ba Gari、Katherine E. Lawrence、Talia M. Nir、Neda Jahanshad、Carrie E. Bearden、Seyed Mostafa Kia、Andre F. Marquand和阿尔茨海默病神经影像学倡议组织。
资助：这项工作得到了美国国立卫生研究院（包括国家老龄化研究所、福格蒂国际中心和国家精神卫生研究所）的资助，以及阿尔茨海默病协会、欧洲研究理事会、惠康信托基金和神经退行性疾病Popovich讲席的支持。
关键问题解答：
问：脑部扫描如何像老年人的"生长图表"一样发挥作用？
答：通过为医生提供明确的百分比范围参考，以判断一个人的脑结构是否符合其实际年龄。就像儿科医生使用图表查看婴儿的身高是否在第50或第90百分位一样，USC模型允许神经科学家查看21个主要脑区中白质的四个关键指标。它绘制出预期的基线，立即揭示一个人的神经线路是否正常老化或偏离预期曲线。
问："后进先出"模式对我们的大脑随着年龄增长自然衰退意味着什么？
答：这意味着我们大脑最后成长的部分是首先崩溃的部分。研究证实，在儿童和青少年时期最后完成发育的复杂神经通路在生物学上是最脆弱的系统。当我们进入老年时，这些后期成熟的白质束经历最快的结构衰退，将发育和衰老的时间线联系起来。
问：为什么该模型显示两个具有完全相同痴呆诊断的不同人有不同的脑图谱？
答：因为神经系统疾病不会在不同人体上打印出相同的结构副本。当研究人员将他们的模型应用于临床数据集时，他们发现即使人们共享相同的疾病，如痴呆或精神分裂症风险，他们特定的白质偏差与年龄预期标准也是独特的。这证明脑健康需要一个个性化、特定于人的框架，以确保精准治疗。
编辑备注：
- 本文由Neuroscience News编辑编辑
- 期刊论文已全文审阅
- 已由工作人员添加额外背景
关于这项神经科学和脑图谱研究新闻
作者：Laura LeBlanc
来源：南加州大学（USC）
联系人：Laura LeBlanc – USC
图片：图片归Neuroscience News所有
原始研究：开放获取。
《生命周期脑微观结构的规范建模》由Julio E. Villalón-Reina, Alyssa H. Zhu, Leila Nabulsi, Sophia I. Thomopoulos, Clara A. Moreau, Yixue Feng, Tamoghna Chattopadhyay, Sebastian M. Benavidez, Leila Kushan, John P. John, Himanshu Joshi, Iyad Ba Gari, Katherine E. Lawrence, Talia M. Nir, Neda Jahanshad, Carrie E. Bearden, Seyed Mostafa Kia, Andre F. Marquand, 阿尔茨海默病神经影像学倡议组织和Paul M. Thompson撰写。《自然通讯》
DOI:10.1038/s41467-026-72875-x
摘要
生命周期脑微观结构的规范建模
基于大人群的脑部指标规范模型对于检测各种疾病（包括退行性、精神和神经发育状况）患者的脑部异常可能极为有价值，但对于大脑白质（WM）微观结构，目前尚无此类模型。
本文提出了一个大规模的脑WM微观结构规范模型——基于覆盖几乎整个生命周期的19个国际扩散MRI数据集（总计N=54,583名个体；年龄：4-91岁）。我们使用标准化分析和质量控制协议提取区域扩散张量成像（DTI）指标，并使用分层贝叶斯回归（HBR）来建模派生WM指标作为年龄和性别的函数的统计分布。我们提取了每个WM区域的平均生命周期轨迹和相应的百分位曲线。
我们通过将其应用于检测和可视化多种情境下WM微观结构偏差的特征来说明该方法的实用性：在轻度认知障碍、阿尔茨海默病和22q11.2缺失综合征——一种显著增加精神分裂症风险的神经遗传状况。
由此产生的大规模模型提供了一个共同参考，用于识别个体或群体中疾病对脑部微观结构的影响，比较疾病，并发现影响WM异常的因素。
所得到的规范模型是社区可公开获取的宝贵资源，随着可用数据的扩展，可以适应并扩展到未来数据集。
【全文结束】