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人类全生命周期脑图谱研究：一项突破性神经影像学资源
1. 研究作者与发表信息
本研究由R. A. I. Bethlehem（剑桥大学自闭症研究中心）、J. Seidlitz（宾夕法尼亚大学精神病学系）等219位作者合作完成，发表于Nature期刊（2022年4月21日，第604卷）。研究团队整合了全球100多项脑成像研究的123,984例MRI扫描数据，覆盖从胚胎115天至100岁的人类全生命周期。
2. 学术背景
科学领域：神经影像学与发育生物学。
研究动机：尽管神经影像学已成为研究人脑的重要工具，但缺乏类似身高、体重生长曲线的标准化“脑图谱”来量化个体差异。现有研究多局限于特定年龄段或疾病群体，无法全面刻画脑结构的终身变化轨迹。
核心目标：
- 建立首个交互式开放资源（www.brainchart.io），为MRI数据提供标准化参考；
- 揭示脑形态学（如灰质、白质体积）的发育里程碑；
- 评估脑结构异常与神经精神疾病的关联。
3. 研究流程与方法
3.1 数据整合与预处理
- 样本来源：聚合101,457名参与者的123,984次MRI扫描，来自ABCD、ENIGMA等公开数据集及临床研究。
- 质量控制：结合人工视觉检查与自动化指标（如图像信噪比），排除低质量数据（详见补充信息2）。
3.2 统计建模与脑图谱构建
- 方法：采用广义加性位置-尺度-形状模型（GAMLSS），由世界卫生组织推荐的非线性生长曲线建模框架。
- 关键步骤：
- 分层建模：按性别分层，估计灰质体积（GMV）、白质体积（WMV）、皮层下灰质体积（SGMV）和脑室体积（CSF）的年龄相关变化轨迹；
- 校正混杂因素：通过随机效应模型校正扫描设备、研究间的方法学差异（如序列参数）；
- 百分位数计算：将个体数据映射至人群分布，生成标准化“百分位分数”（centile scores）。
3.3 扩展表型分析
- 全局指标：总脑体积（TCV）、皮层表面积、平均皮层厚度；
- 区域分析：基于Desikan-Killiany分区，量化34个脑区的体积变化异质性。
3.4 临床验证与遗传分析
- 疾病关联：对比阿尔茨海默病（AD）、精神分裂症等患者的百分位分数与健康人群；
- 遗传力评估：利用双生子数据（ABCD和HCP队列）分析百分位分数的遗传度提升效应。
4. 主要结果
4.1 脑发育里程碑
- 灰质体积（GMV）：5.9岁达峰（95% CI: 5.8–6.1），较既往研究推迟2–3年；
- 白质体积（WMV）：28.7岁达峰（CI: 28.1–29.2），50岁后加速下降；
- 皮层厚度：峰值出现在出生前（-0.38岁，即妊娠中期），颠覆传统认知（图3）。
4.2 区域异质性
- 感觉-联合皮层梯度：初级感觉区（如顶叶）体积峰值早（约2岁），而联合皮层（如岛叶）峰值晚（约10岁），与分子表达梯度一致（图2b）。
4.3 临床应用价值
- 疾病分型：AD患者的GMV百分位分数显著低于对照组（中位数14% vs. 50%，Cohen’s d=0.88）；
- 跨疾病模式：神经退行性疾病（如AD）、情绪障碍和神经发育障碍呈现聚类特异性（补充信息11）。
4.4 方法学优势
- 百分位分数：较原始体积指标遗传度提升11.8%，增强基因-脑关联分析的敏感性（图4d）；
- 纵向稳定性：个体内百分位分数变异低（IQR<0.05），支持其作为生物标志物的可靠性。
5. 结论与意义
科学价值：
- 首次建立全生命周期脑形态学参考标准，填补神经发育与衰老研究的工具空白；
- 揭示此前未报告的发育关键期（如GMV/WMV分化期在出生后1个月至3年）。
应用前景：
- 为精神疾病早期诊断提供量化基准（如青春期脑结构异常预测精神分裂症风险）；
- 开放平台支持未来研究的数据标准化（如校正扫描设备差异）。
6. 研究亮点
- 规模与覆盖：迄今最大的跨年龄段、跨疾病脑影像资源；
- 方法创新：GAMLSS模型整合多中心数据，解决异质性难题；
- 里程碑发现：皮层厚度峰值在胎儿期的揭示，挑战传统神经发育理论。
7. 其他重要内容
- 局限性：样本偏重于欧美人群，未来需增加多样性；
- 资源开放：提供在线工具（www.brainchart.io）支持新数据的百分位评分（图5）。
该研究通过大规模数据整合与创新建模，为神经科学领域提供了首个“脑生长曲线”，其方法论框架与开放资源将推动精准精神病学与脑老化研究的发展。