導(dǎo)讀

彌散加權(quán)成像技術(shù)突破了神經(jīng)科學(xué)的界限，使我們能夠檢查活體人腦的白質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)。這為基本的神經(jīng)科學(xué)問(wèn)題提供了答案，開(kāi)啟了一個(gè)以前基本上難以接近的新研究領(lǐng)域。本研究簡(jiǎn)要總結(jié)了神經(jīng)科學(xué)歷史上提出的關(guān)于大腦白質(zhì)的關(guān)鍵問(wèn)題。然后，闡述了彌散加權(quán)成像的優(yōu)點(diǎn)及其對(duì)大腦解剖、功能模型和可塑性等領(lǐng)域的貢獻(xiàn)。為此，本文強(qiáng)調(diào)了彌散加權(quán)成像在神經(jīng)科學(xué)中的寶貴貢獻(xiàn)，提出了其局限性，并為希望利用這一強(qiáng)大技術(shù)獲得新見(jiàn)解的未來(lái)研究者提出了新的挑戰(zhàn)。

前言

“我們欽佩每一塊肌肉纖維的精巧設(shè)計(jì)，更應(yīng)該欽佩它們?cè)诖竽X中的排列，在一個(gè)非常小的空間里包含著無(wú)數(shù)的肌肉，每一塊都有序地‘各司其職’?！?br>

正如Steno所指出的，對(duì)大腦的解剖顯示出驚人的復(fù)雜性，尤其是在由數(shù)萬(wàn)億個(gè)軸突組成的白質(zhì)纖維通路中。正如Isaac Newton后來(lái)所指出的那樣，這些軸突“沿著神經(jīng)絲傳播電流，從外部感覺(jué)器官傳播到大腦，再?gòu)拇竽X傳播到肌肉”。因此，對(duì)人腦白質(zhì)連接的解剖探索成為了一個(gè)新的挑戰(zhàn)(圖1)。

這些解剖學(xué)描述是闡述腦功能新理論的基石。例如，在19世紀(jì)末，Meynert在Newton的基礎(chǔ)上進(jìn)行了進(jìn)一步的擴(kuò)展，其引入了推理的可能性，即通過(guò)大腦特定區(qū)域之間的白質(zhì)連接進(jìn)行關(guān)聯(lián)。觀念聯(lián)合論的概念由此誕生了。Donald Hebb提出過(guò)這樣一個(gè)概念：“讓我們假設(shè)，反射活動(dòng)的持續(xù)或重復(fù)(“跟蹤”)往往誘發(fā)持久的細(xì)胞變化，加諸其穩(wěn)定性之上。當(dāng)細(xì)胞A的一個(gè)軸突距細(xì)胞B足夠近，能夠反復(fù)或持續(xù)的向其發(fā)射電信號(hào)，一些生長(zhǎng)過(guò)程或代謝變化就會(huì)使得至少一個(gè)細(xì)胞——比如細(xì)胞A的效率，得到增強(qiáng)”。因此，Hebbian理論承認(rèn)了大腦發(fā)生變化的可能性，并通過(guò)可塑性機(jī)制為學(xué)習(xí)的概念化提供了一個(gè)框架。然而，可塑性的測(cè)量非常具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)樗鼈冃枰褂们秩胄院軓?qiáng)的方法對(duì)活體樣本進(jìn)行解剖學(xué)研究。
幾十年后，磁共振成像(MRI)為人類(lèi)大腦解剖帶來(lái)了新的窗口。彌散加權(quán)MRI(DWI)技術(shù)的出現(xiàn)更是使磁共振成像領(lǐng)域取得了突破性進(jìn)展。DWI測(cè)量水分子沿不同方向的擴(kuò)散。由于軸突是不可滲透的，它們會(huì)限制水向其主要方向擴(kuò)散。因此，DWI間接評(píng)估了白質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)。此外，通過(guò)合成水?dāng)U散方向的局部估計(jì)，可以重建軸突的主要束。這項(xiàng)技術(shù)顯然因其非侵入性而促進(jìn)了研究。在活體人腦中進(jìn)行的解剖學(xué)研究能夠細(xì)化對(duì)大纖維束的描述，允許在大量參與者中復(fù)制，并能夠發(fā)現(xiàn)個(gè)體間的差異。功能模型可以受益于全腦連接組，識(shí)別新的離斷綜合征，并根據(jù)軸突輸入和輸出或基于連接的分區(qū)對(duì)皮層進(jìn)行新的劃分。最后，可以在不同的時(shí)間點(diǎn)評(píng)估個(gè)體的結(jié)構(gòu)連接組，從而研究大腦白質(zhì)的可塑性。
因此，在這篇DWI在神經(jīng)科學(xué)中的作用的文章中，首先描述了該方法所提供的解剖學(xué)進(jìn)展，然后探討了它在建立新的大腦模型中的重要性。最后，本文回顧了有關(guān)白質(zhì)可塑性的研究。希望這篇文章中表達(dá)的觀點(diǎn)將提供對(duì)DWI所研究的科學(xué)問(wèn)題的全面理解，并鼓勵(lì)未來(lái)研究人員從事和利用這項(xiàng)強(qiáng)大的技術(shù)來(lái)獲得對(duì)人腦連接的新見(jiàn)解。

解剖學(xué)

彌散MRI提供了不同類(lèi)型的人腦解剖信息。局部(體素)彌散特性的測(cè)量可以提供局部白質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的見(jiàn)解，而利用這些測(cè)量進(jìn)行體內(nèi)示蹤成像可以在系統(tǒng)水平上提供有關(guān)白質(zhì)組織的信息。

白質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的局部測(cè)量

彌散特性的體素測(cè)量，如分?jǐn)?shù)各向異性(FA)或平均擴(kuò)散率，受局部組織微觀結(jié)構(gòu)的調(diào)節(jié)。例如，對(duì)模型系統(tǒng)的研究表明，F(xiàn)A隨著堆積密度的增加或軸突直徑的減小而增加，隨著髓鞘的減少而減少。然而，盡管實(shí)證或模擬研究可以清楚地證明這些組織特性的變化可以調(diào)節(jié)擴(kuò)散參數(shù)，但在試圖解釋觀察到的擴(kuò)散參數(shù)的差異(例如FA降低)時(shí)，仍然面臨一個(gè)逆問(wèn)題，因?yàn)榻o定的擴(kuò)散參數(shù)與底層組織結(jié)構(gòu)之間并沒(méi)有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。然而，擴(kuò)散參數(shù)提供了有用的局部組織微觀結(jié)構(gòu)的非侵入性測(cè)量，對(duì)膜完整性、髓鞘厚度、軸突直徑和堆積密度等特征敏感。白質(zhì)纖維束的這些物理特性將對(duì)該纖維束的生理功能產(chǎn)生影響，影響信號(hào)在分布式皮質(zhì)-皮層網(wǎng)絡(luò)中的傳導(dǎo)時(shí)間、不應(yīng)期時(shí)長(zhǎng)、傳輸概率甚至同步等特性。反過(guò)來(lái)，這些生理特性的變化可能又會(huì)引起行為輸出的變化。
例如，左右半球在功能和解剖結(jié)構(gòu)上都有差異。兩半球之間的擴(kuò)散參數(shù)比較表明，左半球外囊、扣帶束和周?chē)踪|(zhì)的FA增加，被認(rèn)為支持左半球在語(yǔ)言功能方面占優(yōu)勢(shì)。在背側(cè)額頂葉白質(zhì)中也發(fā)現(xiàn)了右側(cè)不對(duì)稱性，這可能與右半球在空間信息處理方面的優(yōu)勢(shì)有關(guān)。然而，在這些初步研究中，被試之間的高變異性和缺乏行為測(cè)量，因此無(wú)法在體素測(cè)量的大腦半球間差異和功能優(yōu)勢(shì)之間得出可靠的關(guān)系。特別是，語(yǔ)言系統(tǒng)中的語(yǔ)言偏側(cè)化與結(jié)構(gòu)連接測(cè)量之間的關(guān)系仍然錯(cuò)綜復(fù)雜。
進(jìn)一步的研究表明，局部白質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)測(cè)量的個(gè)體差異與纖維通路生理特性的變化相關(guān)。例如，配對(duì)脈沖經(jīng)顱磁刺激可用于探測(cè)皮質(zhì)-皮層連接的功能連通性。施加于一個(gè)半球背側(cè)前運(yùn)動(dòng)皮層的條件脈沖將調(diào)節(jié)另一個(gè)半球初級(jí)運(yùn)動(dòng)皮層的興奮性；調(diào)節(jié)程度可用于估計(jì)兩個(gè)皮層區(qū)域之間的功能連接。這種測(cè)量的個(gè)體差異與白質(zhì)FA的變化相關(guān)，即功能連接越強(qiáng)的個(gè)體在前運(yùn)動(dòng)皮層和運(yùn)動(dòng)皮層之間的胼胝體或皮層下白質(zhì)通路的FA更高。這支持了白質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的變化與這些纖維束生理特性的變化相關(guān)的觀點(diǎn)。
先進(jìn)的DWI分析提供了軸突直徑分布(ADD)或纖維成分的估計(jì)，以及其他物理特性，如軸突內(nèi)電阻、膜電阻和電容等，有助于確定神經(jīng)的許多重要功能特性，如傳導(dǎo)速度或信息傳遞速率。反應(yīng)時(shí)間快的神經(jīng)通路(例如在運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)內(nèi))也會(huì)有更高比例的大直徑軸突。然而，傳導(dǎo)速度慢的通路也會(huì)有大量較小的軸突，甚至是無(wú)髓鞘的軸突。因此，可以合理地認(rèn)為ADD的特性在健康的中樞神經(jīng)系統(tǒng)功能中起著至關(guān)重要的作用，并且在異常情況和疾病中會(huì)受到顯著影響。
盡管DWI提供了基本的新見(jiàn)解，但同時(shí)也存在幾個(gè)重要的局限性。彌散張量模型(diffusion tensor imaging，DTI)中隱含了關(guān)鍵的限制。這種假設(shè)過(guò)度簡(jiǎn)化了水在腦組織中的真實(shí)運(yùn)動(dòng)。這種過(guò)于簡(jiǎn)化的彌散張量模型的實(shí)際結(jié)果是，常見(jiàn)的DTI指標(biāo)，平均擴(kuò)散率和FA，對(duì)任何特定的組織隔室都是非特異性的。微觀結(jié)構(gòu)特征，如細(xì)胞大小、密度、滲透率和取向分布，都會(huì)影響DTI指標(biāo)，而這些指標(biāo)的變化無(wú)法與更具體的微觀結(jié)構(gòu)特征變化聯(lián)系在一起。最近的研究趨勢(shì)是使用更復(fù)雜的擴(kuò)散模型來(lái)直接測(cè)量微觀結(jié)構(gòu)特征。對(duì)擴(kuò)散信號(hào)(而不是DTI)建模的一種方法是設(shè)計(jì)一種由組織幾何結(jié)構(gòu)引導(dǎo)的數(shù)學(xué)形式。然而，任何用顯微鏡觀察過(guò)大腦切片的人都會(huì)對(duì)白質(zhì)幾何結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性留下深刻印象。不同形狀和大小的細(xì)胞具有以不同尺度和方向分布的過(guò)程，描繪了微米尺度上的混亂幾何形狀。即使在較低的放大倍率下，細(xì)胞層和纖維束都是可見(jiàn)的，當(dāng)纖維在數(shù)百微米內(nèi)交叉、分散時(shí)，復(fù)雜性就出現(xiàn)了。
Stanisz等人的開(kāi)創(chuàng)性工作試圖通過(guò)引入一個(gè)包括球體和圓柱體內(nèi)擴(kuò)散的雙室?guī)缀慰蚣軄?lái)降低神經(jīng)組織建模的復(fù)雜性。進(jìn)一步的研究表明，在細(xì)胞和軸突受限邊界內(nèi)的擴(kuò)散可被視為受限擴(kuò)散。在這種方法下，假設(shè)組織的幾何形狀會(huì)影響水分子的擴(kuò)散率。例如，可以合理地假設(shè)軸突內(nèi)的水?dāng)U散將受到髓鞘膜的限制，而在其他地方只會(huì)受到阻礙或游離。這是復(fù)合阻礙和限制擴(kuò)散模型(CHARMED)的基礎(chǔ)。在CHARMED中，軸突內(nèi)空間中的受限擴(kuò)散被建模為不可滲透圓柱體內(nèi)的擴(kuò)散。因此，CHARMED模型可以增強(qiáng)軸突水室的特征。CHARMED的優(yōu)點(diǎn)之一是可以重建每個(gè)分量(受阻和受限)的三維位移分布函數(shù)。因此，可以為每個(gè)擴(kuò)散分量提取具有物理意義的參數(shù)；這些參數(shù)包括軸外基質(zhì)的擴(kuò)散率(受阻部分的擴(kuò)散率)、軸突密度(受限部分的體積分?jǐn)?shù))和纖維方向(受限部分的取向密度函數(shù))。盡管CHARMED模型提供了一個(gè)概念框架來(lái)分離不同的擴(kuò)散模式，并將它們與組織隔室相關(guān)聯(lián)，但它允許對(duì)兩到三個(gè)不同的纖維取向進(jìn)行建模，其精度受測(cè)量方向數(shù)量的限制。隨后的研究試圖擴(kuò)展該模型，以包括體素內(nèi)的纖維分散和擴(kuò)散，并提高模型的準(zhǔn)確性和方向估計(jì)。值得注意的是擴(kuò)展CHARMED的NODDI框架也可以對(duì)纖維取向的分散進(jìn)行建模，但具有優(yōu)化的采集和分析管道。
神經(jīng)組織是復(fù)雜的，我們應(yīng)該認(rèn)識(shí)到?jīng)]有一個(gè)模型可以捕捉到不同神經(jīng)隔室的所有細(xì)節(jié)和復(fù)雜性。上述不同模型(和其他模型)試圖分離組織感興趣的不同特征。顯然，在模型中包含過(guò)多的自由參數(shù)會(huì)導(dǎo)致計(jì)算問(wèn)題，例如過(guò)擬合等優(yōu)化和數(shù)據(jù)擬合問(wèn)題。因此，彌散成像的最佳模型取決于研究問(wèn)題。例如，未在CHARMED或NODDI中建模的白質(zhì)的一個(gè)重要特征是軸突直徑。軸突直徑的體內(nèi)測(cè)量是大腦連接的一個(gè)重要特征，影響著腦內(nèi)的傳導(dǎo)速度和信息傳遞效率，成為建模的另一個(gè)挑戰(zhàn)。在名為AxCalibre的CHARMED框架的擴(kuò)展中，ADD的估計(jì)也變得可行。AxCalibre背后的觀點(diǎn)是，每個(gè)軸突大小將在不同的擴(kuò)散時(shí)間經(jīng)歷受限擴(kuò)散。通過(guò)獲取一個(gè)多擴(kuò)散時(shí)間CHARMED數(shù)據(jù)集，可以用AxCalibre框架準(zhǔn)確地估計(jì)ADD函數(shù)。與CHARMED不同的是，在AxCalibre中，水的擴(kuò)散是完全垂直于纖維的長(zhǎng)軸測(cè)量的(這是該模型的先決條件)。研究發(fā)現(xiàn)，利用伽馬函數(shù)(只有兩個(gè)自由參數(shù))，可以通過(guò)AxCalibre充分估計(jì)ADD函數(shù)。
應(yīng)該注意的是，最初的AxCalibre框架存在一些固有的局限性。首先是需要測(cè)量完全垂直于纖維取向的擴(kuò)散特性。這限制了該方法在胼胝體上的應(yīng)用。在CHARMED和NODDI框架的進(jìn)一步發(fā)展中，有人提出可以直接測(cè)量任何取向纖維系統(tǒng)的平均軸突直徑。ActiveAx采集和分析管道雖然不能測(cè)量整個(gè)軸突分布概率函數(shù)，但提供了一種估計(jì)整個(gè)大腦平均軸突直徑的方法。使用彌散成像測(cè)量軸突直徑特性的另一個(gè)限制是需要有較高的擴(kuò)散梯度振幅，以便在廣泛的軸突直徑范圍內(nèi)獲得相當(dāng)?shù)木?。從理論上講，目前的梯度技術(shù)對(duì)小軸突(＜1μm)的估計(jì)是不準(zhǔn)確的，并且會(huì)使測(cè)量的整體軸突直徑產(chǎn)生偏差。使用新的梯度技術(shù)可以將這種測(cè)量的偽影最小化，從而提供較高的擴(kuò)散梯度振幅(300mT/m)。此外，其他研究表明，建模算法可以通過(guò)引入其他特征來(lái)應(yīng)對(duì)上述限制，如細(xì)胞外空間內(nèi)的受限擴(kuò)散。然而，盡管存在這種限制，但軸突特性的測(cè)量提供了一個(gè)額外的微觀結(jié)構(gòu)特征，可以更好地表征大腦連接和連通性。

估計(jì)遠(yuǎn)距離連接的示蹤成像

如上所述，可以根據(jù)主要擴(kuò)散方向的局部估計(jì)來(lái)重建纖維通路的估計(jì)。目前，有許多不同的方法可以進(jìn)行彌散示蹤成像。從神經(jīng)解剖學(xué)的角度來(lái)看，纖維示蹤成像使我們能夠估計(jì)人腦中主要纖維通路的組織(圖2)，并探索這些通路在個(gè)體之間或隨時(shí)間的變化情況。

在解剖學(xué)研究中，纖維示蹤成像的使用主要是描述19世紀(jì)早期定義的聯(lián)合纖維束(即皮質(zhì)-皮層連接)(圖3A)。纖維束成像的處理確實(shí)比標(biāo)準(zhǔn)的白質(zhì)解剖容易得多，并導(dǎo)致了新的聯(lián)合纖維束的發(fā)現(xiàn)。從這個(gè)意義上說(shuō)，纖維束成像使我們能夠更容易地觀察白質(zhì)連接情況，提高了我們對(duì)白質(zhì)通路解剖知識(shí)的理解。例如，來(lái)自纖維束成像的許多證據(jù)，經(jīng)解剖交叉驗(yàn)證，現(xiàn)在都傾向于將弓狀束分為三個(gè)分支(顳頂，額頂和后頂顳，圖3B)的模型。然而，需要注意的是，纖維束成像中的許多局限性可能會(huì)誤導(dǎo)神經(jīng)解剖學(xué)家將不同的纖維束片段拼接成大的單個(gè)束。

由于復(fù)雜白質(zhì)構(gòu)型(即交叉、分散和粘連構(gòu)型)的纖維束成像存在嚴(yán)重局限性，因此對(duì)投射通路(即皮質(zhì)下-皮層)和連合通路(即半球間)的解剖更具挑戰(zhàn)性(圖3C)。盡管在過(guò)去的5年中，纖維交叉一直是許多研究感興趣的點(diǎn)，特別是使用球形反卷積示蹤技術(shù)(圖3D)取得了非常有前景的結(jié)果，但分散和粘連仍然是該研究領(lǐng)域的一個(gè)明顯挑戰(zhàn)。分散限制的特點(diǎn)是低估了到達(dá)某一區(qū)域的纖維數(shù)量，而粘連限制的特點(diǎn)是對(duì)要跟蹤的正確纖維束組的錯(cuò)誤識(shí)別。這兩個(gè)問(wèn)題阻礙了對(duì)投射通路和連合通路的描繪。

將灰質(zhì)劃分為亞區(qū)的示蹤成像

在皮層水平上，輔助運(yùn)動(dòng)區(qū)(SMA)和前SMA這兩個(gè)按層級(jí)控制動(dòng)作的區(qū)域，與大腦其他部分的連接模式不同。利用這一差異，從彌散纖維束成像中獲得的連接信息可以純粹基于連接來(lái)定義這兩個(gè)區(qū)域之間的邊界，這是因?yàn)镾MA與初級(jí)運(yùn)動(dòng)皮層的關(guān)系更密切，而前SMA與前額葉皮層的連接更緊密。事實(shí)上，基于連通性的分區(qū)已被用于定義一系列不同的人腦皮層區(qū)域的細(xì)分，以及證明人類(lèi)和猴子皮層之間的同源性。目前，彌散纖維束成像結(jié)合其他多模態(tài)結(jié)構(gòu)和fMRI數(shù)據(jù)，利用來(lái)自人類(lèi)連接組項(xiàng)目的數(shù)據(jù)生成了一種新的全腦皮層分割圖譜(圖4)。

隨著人們對(duì)可視化人腦白質(zhì)束的新能力熱情高漲的同時(shí)，也需要注意到纖維示蹤成像與侵入性纖維束描記術(shù)并不相同。“金標(biāo)準(zhǔn)”侵入性纖維束描記術(shù)通常是將示蹤劑注射到感興趣的區(qū)域，使其被細(xì)胞吸收，然后在通過(guò)順行或逆行運(yùn)輸機(jī)制將其運(yùn)輸?shù)竭B接區(qū)域后進(jìn)行觀察。因此，侵入性纖維束描記術(shù)涉及對(duì)軸突通路的示蹤。相比之下，在彌散纖維束成像中，通常遵循對(duì)擴(kuò)散阻力最小路徑的估計(jì)。在許多情況下，這大致對(duì)應(yīng)于主要纖維取向的路徑，但在其他情況下則不然。因此，與生物學(xué)中的任何方法一樣，彌散纖維束成像容易出現(xiàn)假陰性(無(wú)法追蹤我們知道存在的通路)和假陽(yáng)性(追蹤虛假通路)。目前，有許多研究試圖驗(yàn)證彌散纖維束成像，使我們更清楚地了解該方法的局限性和優(yōu)勢(shì)。這是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的工作，需要開(kāi)發(fā)具有現(xiàn)實(shí)特性的新型模型，或從纖維束追蹤實(shí)驗(yàn)獲取的大腦切片中細(xì)致地重建纖維通路。

功能模型

大腦功能模型最初來(lái)源于對(duì)腦損傷患者的研究。病變?cè)谀X內(nèi)的定位被解釋為功能障礙的核心起源。然而，病變的定位似乎不足以解釋具有不同病變和相似癥狀患者的存在。有一種觀點(diǎn)認(rèn)為，這些區(qū)域之間的通信由于白質(zhì)斷開(kāi)機(jī)制而受損。離斷綜合征的傳統(tǒng)模型包括傳導(dǎo)性失語(yǔ)癥、經(jīng)皮質(zhì)運(yùn)動(dòng)性失語(yǔ)癥、皮質(zhì)下運(yùn)動(dòng)性失語(yǔ)癥、經(jīng)皮質(zhì)感覺(jué)性失語(yǔ)癥、皮質(zhì)下感覺(jué)性失語(yǔ)癥、非失寫(xiě)的失讀癥，以及雙側(cè)和單側(cè)失用癥。隨著腦成像的出現(xiàn)，神經(jīng)成像社區(qū)單獨(dú)地關(guān)注體素，而沒(méi)有試圖捕捉它們之間的相關(guān)性，有效地掩蓋了離斷綜合征。相反，通過(guò)對(duì)白質(zhì)連接的可視化和映射，我們可以研究患者的白質(zhì)連接，并發(fā)現(xiàn)新的離斷綜合征。例如，視覺(jué)空間忽視是一種嚴(yán)重的神經(jīng)系統(tǒng)疾病，其特征是視野意識(shí)喪失一半，與連接額葉和頂葉的纖維中斷有關(guān)。纖維束成像還有助于建立或確認(rèn)一種新的關(guān)于Gerstmann綜合征的斷開(kāi)假說(shuō)，以及精神疾病、閱讀障礙和先天性面容失認(rèn)癥的神經(jīng)發(fā)育連通性較低的假說(shuō)。相反，異常/增加的連接(即超連接)假說(shuō)被認(rèn)為是注意缺陷多動(dòng)癥的注意力不集中和精神分裂癥中幻聽(tīng)和幻視的潛在機(jī)制。所有這些結(jié)果都證明了大腦連接對(duì)大腦正常運(yùn)作是至關(guān)重要的。

關(guān)于對(duì)行為的影響，有研究表明，在特定任務(wù)中行為表現(xiàn)的個(gè)體差異與任務(wù)相關(guān)通路的白質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)變化相關(guān)，即使在年輕健康人群中也是如此。例如，如圖5所示，雙手協(xié)調(diào)技能的變化與胼胝體中FA的變化相關(guān)，胼胝體是一個(gè)白質(zhì)區(qū)域，包含初級(jí)運(yùn)動(dòng)區(qū)和輔助運(yùn)動(dòng)區(qū)之間的經(jīng)胼胝體通路。在許多感覺(jué)、運(yùn)動(dòng)和認(rèn)知領(lǐng)域也發(fā)現(xiàn)了類(lèi)似的效應(yīng)，包括視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、運(yùn)動(dòng)技能和語(yǔ)言、讀寫(xiě)能力、情感和動(dòng)機(jī)、視覺(jué)空間、記憶和執(zhí)行功能，以及創(chuàng)造力、音樂(lè)技能和個(gè)性等個(gè)人特征。

然而，在過(guò)去的二十年里，人們發(fā)現(xiàn)了大腦結(jié)構(gòu)和功能(即不同的表型)的巨大個(gè)體間差異，這為進(jìn)一步了解大腦帶來(lái)了額外的挑戰(zhàn)，同時(shí)也缺乏解釋大腦功能的模型。有研究已經(jīng)開(kāi)始在大量個(gè)體中探索和描述這些通路。正如研究發(fā)現(xiàn)個(gè)體行為的差異與局部白質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的變化相關(guān)一樣，纖維束成像研究也發(fā)現(xiàn)，白質(zhì)纖維的“強(qiáng)度”或組織的變化與行為的變化有關(guān)。例如，對(duì)于大多數(shù)(但不是所有)健康參與者來(lái)說(shuō)，語(yǔ)言區(qū)及其相互聯(lián)系主要位于左半球。然而，個(gè)體在偏側(cè)化程度上有所不同，具有更對(duì)稱的連接模式的個(gè)體已被證明在情景記憶任務(wù)中表現(xiàn)更好。這些差異是臨床神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域的重要考慮因素。Forkel等人證明，支持語(yǔ)言的結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)(即弓狀束)的表型可能與左半球卒中后的恢復(fù)相互作用。此外，Lunven等人報(bào)告稱，半球間交流的強(qiáng)度對(duì)于右半球卒中后視覺(jué)空間忽視的恢復(fù)很重要。因此，對(duì)個(gè)體間變異性的研究是一個(gè)可以在大型項(xiàng)目中直接獲得的新研究方向，例如人類(lèi)連接組項(xiàng)目(https://www.humanconnectome.org)，該項(xiàng)目已在1200名被試中獲得了高質(zhì)量的彌散MRI數(shù)據(jù)，并與社區(qū)公開(kāi)共享。因此，使用DWI纖維束成像在個(gè)體水平上表征大腦區(qū)域的功能特化可能有利于研究個(gè)體間的差異，在進(jìn)行組間比較時(shí)提供更適合的大腦模型。

可塑性測(cè)量

直到20世紀(jì)90年代中期，對(duì)白質(zhì)的研究?jī)H限于對(duì)其解剖結(jié)構(gòu)的組織學(xué)研究，原因有二：①?zèng)]有體內(nèi)非侵入性成像方法可以提供白質(zhì)的定量測(cè)量；②人們認(rèn)為，在完全發(fā)育和健康的大腦中，白質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)應(yīng)該是大致穩(wěn)定和固定的。然而，最近的研究表明，白質(zhì)可以在訓(xùn)練或認(rèn)知經(jīng)驗(yàn)后會(huì)發(fā)生變化。這些研究創(chuàng)造了白質(zhì)可塑性這一術(shù)語(yǔ)。
神經(jīng)可塑性，即大腦的功能和結(jié)構(gòu)重組能力，可以在多個(gè)水平(從分子到區(qū)域變化)和時(shí)間尺度(秒到年)上發(fā)生。顯然，神經(jīng)可塑性的定義及其研究主要集中在神經(jīng)元而非白質(zhì)上。然而，神經(jīng)可塑性的范圍很廣，從突觸的短期變化到長(zhǎng)時(shí)程增強(qiáng)(LTP)和長(zhǎng)時(shí)程抑制(LTD)機(jī)制，再到長(zhǎng)時(shí)程持久的新神經(jīng)元連接。

開(kāi)創(chuàng)性的研究表明，新的白質(zhì)投射可以在廣泛的學(xué)習(xí)過(guò)程中形成。這些使用示蹤劑方法對(duì)死后猴子大腦進(jìn)行的研究表明，大腦可以在皮層神經(jīng)可塑性的同時(shí)進(jìn)行自我重組。有研究利用彌散張量成像揭示了長(zhǎng)期訓(xùn)練(數(shù)周至數(shù)月)后的大腦白質(zhì)變化。這些研究表明，彌散成像對(duì)白質(zhì)可塑性很敏感。最近的證據(jù)表明，在經(jīng)過(guò)5天的水迷宮任務(wù)后，除了顯著的皮質(zhì)可塑性外，胼胝體的白質(zhì)可塑性也可以通過(guò)DTI檢測(cè)到。組織學(xué)表明，這種以FA增加為特征的可塑性，也表現(xiàn)為髓鞘水平的升高(圖6)。

盡管這些實(shí)驗(yàn)是在不同的物種和樣本(人類(lèi)、嚙齒動(dòng)物和組織培養(yǎng))上進(jìn)行的，但都表明了白質(zhì)是一種動(dòng)態(tài)組織。然而，白質(zhì)中究竟發(fā)生了什么還不完全清楚，這種現(xiàn)象的時(shí)間演變也是未知的。具體來(lái)說(shuō)，對(duì)神經(jīng)科學(xué)的重大影響將是在短時(shí)間(分鐘/小時(shí))的訓(xùn)練后證明人腦白質(zhì)的可塑性。本研究預(yù)期短期白質(zhì)可塑性將激發(fā)與長(zhǎng)期可塑性不同的機(jī)制；然而，DTI可能沒(méi)有足夠的敏感性和特異性來(lái)證明這種差異。更具體的方法，如 CHARMED和AxCalibre，可以提供全面表征這種現(xiàn)象所需的高靈敏度和特異性。然而，一旦白質(zhì)可塑性機(jī)制可以通過(guò)MRI解決，這些類(lèi)型的實(shí)驗(yàn)就可以為大腦生理學(xué)提供新的線索，并為大腦連接的概念提供一個(gè)全新的定義。

結(jié)論

DWI已被證明是研究大腦白質(zhì)不可或缺的方法。它為神經(jīng)解剖學(xué)提供了寶貴的見(jiàn)解，從而發(fā)現(xiàn)了新的通路，并完善了現(xiàn)有的知識(shí)內(nèi)容。值得注意的是，DWI已經(jīng)證明了大腦連接方式存在明確的組織和真正的個(gè)體間變異性，而這種變異性直接影響大腦的功能。最后，DWI提供了直接量化大腦可塑性的獨(dú)特機(jī)會(huì)。然而，盡管縮小腦組織直接生物學(xué)和間接DWI量化之間的差距仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)，但對(duì)于希望利用這一強(qiáng)大技術(shù)獲得新見(jiàn)解的未來(lái)研究人員來(lái)說(shuō)是必要的。

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