曦嘉醫療帶你探秘結構性和功能性腦網絡

在人體這座精妙無比的“大廈”中，大腦無疑是最爲複雜的“核心區域”。它有着多層次的組織結構，每一層都承載着獨特且至關重要的使命。其中，突觸扮演着極爲關鍵的角色，它就像是大腦中數十億個神經元之間的“橋樑”，負責對信息進行處理與存儲的調節工作，讓大腦能夠有條不紊地運行，完成各種各樣複雜的任務。

近些年來，神經科學家們像是勇敢的探索者，開啓了繪製大腦連接圖的征程，試圖藉此深入瞭解大腦那神秘莫測的功能。而這些連接匯聚起來，便構成了一個全新的概念——連接組，它彷彿是大腦的“聯絡圖”，蘊含着大腦運行的諸多奧秘。

結構性和功能性腦網絡究竟爲何物

腦回路作爲大腦功能的根基，是連接組中不可或缺的基本組成部分。不過，僅僅停留在腦回路層面去研究，是沒辦法徹底解開大腦高階功能以及諸多疾病機制的謎團的。大腦要執行衆多基本任務，靠的是跨越不同功能區域的無數迴路之間相互協調配合，它們就像是一個配合默契的團隊。而那些相互連接的大腦區域共同組成了腦網絡，並且往往會通過處於中央位置的“樞紐”區域來相互連接，這樣的連接方式極大地促進了網絡內信息的交流互通。

從更寬泛的角度來看，腦網絡的定義可以從兩種方式入手，即結構性或者功能性。結構性網絡，簡單來說，就是由大腦白質構建而成的大腦區域之間的連接結構。想象一下，軸突纖維束就如同一條條“電線”，以電信號的形式把信息從大腦的這個區域準確無誤地傳輸到另一個區域，讓大腦各個部分能夠協同知曉相關信息。而功能性網絡則是指在大腦處於靜止狀態或者正在執行活動任務時，那些會同時活躍起來的大腦區域所構成的網絡。

有意思的是，功能性網絡常常會和結構性網絡出現重疊的情況，但這也並非是絕對的。比如說在嬰兒期和兒童期，結構和功能網絡之間的重疊就明顯減少了，而且這種結構性和功能性之間的不協調現象，會隨着整個成長髮展過程逐漸減少。這些網絡之間不一定非得有直接的物理連接，有時候可以通過中樞區域的間接連接來實現信息的交互等情況，即便中樞區域並沒有積極參與到特定的任務狀態當中去。

在衆多被研究發現的大腦網絡中，有不少都肩負着重要的功能職責。其中最爲大家所熟知的當屬默認模式網絡（DMN）了。DMN在促進大腦休息時的功能方面有着舉足輕重的作用，它就像是大腦在休息時的“幕後操控者”，被認爲是構成“內部思想”的關鍵所在，能夠驅動自我反思以及營造出那種夢境般的狀態。它在腹側內側前額葉皮層、後扣帶皮層、海馬以及其他皮層區域都有着相應的節點，這些節點相互配合，讓DMN發揮出獨特的作用。

除此之外，還有6個其他“核心”功能性網絡，像感覺運動網絡、突顯網絡、邊緣系統、背側注意網絡、中央執行網絡以及視覺網絡。它們就如同一個個“小能手”，共同驅動着諸如視覺處理、物體識別、感覺運動功能、定向注意力等關鍵的大腦運作過程。然而，它們也僅僅只是構成連接組的衆多網絡和系統中的一小部分而已，大腦的奧秘還有待我們不斷去挖掘探索。

重要腦區相關情況

要研究連接組，所採用的方法是要依據想要獲取的信息來決定的。回顧過往，我們最初對大腦網絡的認知，是源於發現布洛卡區和韋尼克區出現病變的時候，都會導致嚴重的語言功能障礙。隨着進一步深入調查，又發現了弓狀束，它是一種連接這兩個區域的白質，一旦它受到損傷，患者同樣也會出現語言方面的障礙。這充分表明了，大腦區域之間的聯繫其實和每個單獨區域自身的功能是同等重要的，任何一環出現問題，都可能影響大腦整體的功能發揮。

不過，這些早期的觀察雖然改變了我們對大腦的理解，但要想真正弄明白神經元迴路以及大腦網絡，還需要更加精細的細節信息。比如說電子顯微鏡（EM），它能夠在納米尺度上對大腦樣本進行細緻的檢查，爲我們呈現出細胞結構的詳盡模樣，基於此還可以用來開發3D模型呢。但它也有着明顯的不足之處，那就是所檢測的樣本必須是死後或者通過活檢獲取的，所以通過它只能識別與結構網絡相關的連接。而且，EM成像不僅成本高昂，操作起來還十分費力，這也在一定程度上限制了它的廣泛應用。

好在還有磁共振成像（MRI），它可就厲害了，能夠對結構和功能網絡都進行檢查。儘管MRI的分辨率相較於EM等技術要低一些，不過它已經足以去界定那些在臨牀和研究中相關的更大神經元羣體了。更爲重要的是，MRI掃描可以在臨牀上能夠實施的時間範圍內完成收集工作，這使得它能夠輕鬆地融入到常規醫療實踐當中去，這一點是目前由於勞動力限制以及使用EM所需設備等因素而沒辦法做到的。而且MRI還有不同的模式，每種模式都可以從不同角度揭示大腦的特定方面，就像擁有多面視角去觀察大腦一樣。

像彌散張量成像（DTI），它能夠檢測穿過白質束的水，藉助這個原理，研究人員就可以繪製出這些白質纖維束，進而識別出活體大腦中的結構性網絡。臨牀醫生們也常常會利用DTI來確定像是創傷性腦損傷（TBI）、缺血等疾病中白質損傷的程度，對於腦損傷以及多發性硬化症等病症來說，它有助於判斷預後情況。

另外，功能性磁共振成像（fMRI）也是“神通廣大”。大家都知道神經元活動對能量的需求是非常高的，當神經元放電增加的時候，就需要額外的氧氣和葡萄糖來支撐。而在這個過程中，當星形膠質細胞（一種神經膠質細胞）檢測到神經元活動後，會促使血管擴張，以此來增加血流進行補償。fMRI恰恰就能檢測到這些由活動引發的血流變化，並且通過一種叫做血氧依賴性成像（BOLD）的技術，fMRI技術人員還可以檢測血液中含氧和脫氧血紅蛋白之間的磁性差異，通過測量耗氧量的增加來間接檢測活動，從而精確定位在特定任務狀態下協同作用的區域，以此來識別功能性大腦網絡。

臨牀意義所在

隨着神經影像學不斷取得進步，我們對連接組學的理解也日益加深，這無疑給系統神經科學的發展注入了強大的動力。它讓我們在面對那些一直未被攻克的複雜神經學難題時，有了更多的認識，比如說意識背後的機制到底是怎樣的，連接組學的研究或許能爲我們打開新的思路。

同時，連接組學在診斷方面也展現出了巨大的潛力。從簡單的睡眠剝奪情況，到像患有輕度認知障礙（MCI）的阿爾茨海默病這類較爲複雜的病症，它都有可能發揮作用。就拿fMRI來說，研究人員近期通過它發現了精神分裂症、注意力缺陷多動障礙、雙相情感障礙、癲癇以及神經退行性疾病（比如帕金森病或者阿爾茨海默病）患者的網絡改變情況。這些新發現的信息就像是一把把鑰匙，能夠幫助我們去確定這些疾病背後新的神經元機制，進而爲藥物開發進一步明確目標方向，有望讓更多飽受這些疾病困擾的患者受益。

總之，對結構性和功能性腦網絡的研究是充滿挑戰卻又意義非凡的，它正引領着我們一步步揭開大腦那神秘的面紗，爲人類健康事業不斷添磚加瓦。