曦嘉医疗带你了解:什么是结构性和功能性脑网络？

大脑是人体中最复杂的器官，有多个层次的组织。突触是大脑中数十亿个神经元之间的连接，负责调节信息的处理和存储。最近，神经科学家绘制了这些连接图，以了解大脑功能。这些连接的总和就是连接组。

【结构性和功能性脑网络】

脑回路是大脑功能的基础，是连接组的基本组成部分，但在脑回路层面的研究不足以解开高阶功能和疾病机制。大脑依靠跨越不同功能区域的无数回路的协调活动来执行其许多基本任务。这些相互连接的大脑区域被称为脑网络，并且通常通过中央“枢纽”区域相互连接，从而促进网络内通信。

从广义上讲，网络以两种方式之一定义：结构性或功能性。结构性网络是指由大脑白质形成的大脑区域之间的连接结构，轴突纤维束以电信号的形式将信息从大脑的一个区域传输到另一个区域。功能性网络是指在静止或活动任务状态下同时活跃的大脑区域。

功能性网络经常与结构性网络重叠，但情况并非总是如此。例如，婴儿期和儿童期的结构和功能网络之间的重叠明显减少。这种结构性和功能性之间的不协调会在整个发展过程中减少。这些网络不一定需要直接的物理连接，这可以解释为通过中枢区域的间接连接，中枢区域不积极参与给定的任务状态。

研究人员已经确定了许多负责从注意力状态到突显等功能的大脑网络。其中最著名的是默认模式网络 (DMN)。DMN 在促进休息时的功能方面发挥着关键作用。被认为构成“内部思想，DMN 驱动自我反思和梦境般的状态。它在腹侧内侧前额叶皮层、后扣带皮层、海马和其他皮层区域有节点。

还有 6 个其他“核心”功能性网络，即感觉运动网络、突显网络、边缘系统、背侧注意网络、中央执行网络和视觉网络。这些网络共同驱动关键过程，如视觉处理、物体识别、感觉运动功能、定向注意力等，并且只是构成连接组的众多网络和系统中的一小部分。

重要脑区

【研究方法】

用于研究连接组的方法取决于所寻求的信息。我们最早对大脑网络的一瞥是发现布洛卡区和韦尼克区的病变都会导致严重的语言功能障碍。进一步的调查发现了弓状束，这是一种连接这两个区域的白质。如果受损，患者也会出现语言障碍。这表明区域之间的联系与每个单独区域的功能一样重要。

这些观察改变了我们对大脑的理解，但需要更精细的细节才能真正理解神经元回路和大脑网络。例如，电子显微镜 (EM) 可用于在纳米尺度上检查大脑样本。这提供了对细胞结构的惊人描述，可用于开发 3D 模型。明显的缺点是样本必须是死后或活检，因此只能识别与结构网络相关的连接。此外，EM 成像既昂贵又费力。

通过电子显微镜看到的运动神经元

然而，磁共振成像 (MRI) 可以检查结构和功能网络。虽然 MRI 的分辨率低于 EM 等技术，但它足以定义在临床和研究中相关的更大神经元群体。此外，MRI 扫描可以在临床上可实施的时间范围内收集，使其能够轻松地整合到常规医疗实践中 - 由于劳动力限制和使用 EM 所需的设备，目前这是不可能的。MRI 有不同的模式，每种模式都可以揭示大脑的特定方面。

大脑的磁共振成像 (MRI) 扫描

弥散张量成像 (DTI) 检测穿过白质束的水，让研究人员绘制出这些白质纤维束，以识别活体大脑中的结构性网络。临床医生使用 DTI 来确定 TBI、缺血等疾病中白质损伤的程度脑损伤和多发性硬化症有助于确定预后。

冠状面的弥散张量成像 (DTI)

质细胞（一种神经胶质细胞）检测到神经元活动并导致血管扩张以增加血流以进行补偿时。功能性磁共振成像 (fMRI) 可以检测到这些由活动引起的血流变化。此外，使用一种称为血氧依赖性成像(BOLD)的技术，fMRI 技术人员可以检测血液中含氧和脱氧血红蛋白之神经元活动对能量的要求非常高，并且放电的增加需要额外的氧气和葡萄糖。当星形胶间的磁性差异，从而通过测量耗氧量的增加来间接检测活动。通过精确定位在特定任务状态下协同作用的区域，fMRI 可用于识别功能性大脑网络。

【临床意义】

神经影像学的进步加深了我们对连接组学的理解，并帮助推动了系统神经科学。这有助于我们对尚未解决的复杂神经学主题的认识，例如意识背后的机制。连接组学也有可能用于诊断目的，从睡眠剥夺到患有轻度认知障碍 (MCI) 的阿尔茨海默病。使用 fMRI，研究人员最近发现了精神分裂症、注意力缺陷多动障碍、双相情感障碍、癫痫和神经退行性疾病（如帕金森病或阿尔茨海默病）患者的网络改变。这一新信息可以帮助确定这些疾病的新神经元机制，并进一步确定药物开发的目标。

最后，已经研究了用于神经外科的连接组学分析。结合功能性和结构性脑网络图谱可以帮助神经外科医生在切除肿瘤或使用伽马刀技术消融肿瘤时最大限度地减少对关键白质纤维束的损害，避免可能的术后并发症，如言语或注意力受损。

连接组学可能是解决以前关于人脑的棘手问题的关键。它可能会为患者带来新的治疗方法和更安全的手术。尽管如此，一个潜在的限制是抓取和处理大量 fMRI 数据。

曦嘉医疗致力于研究用于学术、临床和神经外科应用的连接组学相关设备和软件。我们的尖端工具可以帮助研究人员开展令人兴奋的新研究领域，并帮助外科医生为患者提供尽可能最好的护理。