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大脑除了在人体中枢神经中占据“制高点”,还担负着调节、支配人体各种生理以及认知活动的重大职责.如此重要的人体组成部分,其结构和功能也都相当复杂.俗语道,知己知彼,方能百战百胜.为了探索大脑功能的奥秘、了解神经系统疾病机制、对脑疾病进行防治,使人们对脑部疾病有更加清晰的认识,科研工作者开始了对大脑的漫长探索历程.
随着脑科学技术的发展,这漫长的历程正在逐渐缩短,尤其是近年来各国相继启动了一系列脑计划后,人类在揭开大脑奥秘的路上愈走愈远.西安电子科技大学生命科学技术学院副教授刘继欣也是试图解开大脑奥秘的一员,长期以来,他和团队成员共进退,在大脑磁共振数据处理及数据挖掘方面做出了突出贡献,他们借助现代磁共振成像数据手段,在浩如烟海的脑图像数据集中获取新知,书写了团队的辉煌.
脑科学研究的新生代：大脑弥散张量成像
人类对大脑的研究由来已久,但早期由于研究手段及技术的限制,多是通过有损伤的解剖技术进行.一旦有伤害性,研究结果就不会尽如人意,也会在一定程度上阻碍脑科学的研究进展.正当科研工作者一筹莫展时,一种非侵入式大脑影像技术以飞快的发展速度引起了人们的注意,如今,脑影像已经成为脑科学研究中不可或缺的研究工具.在众多神经影像成像技术中,刘继欣以磁共振成像为手段,对大脑的发育、认知功能以及大脑的病理变化状况等方面进行了系统研究.其中,刘继欣认为弥散张量成像技术,无疑在大脑研究的多种手段中占有重要位置.
团队所提到的弥散张量成像,其实也是MRI技术的一种,只不过是以一种特殊形式来表现．能够以非侵害性的方式来描述活体大脑白质微观结构特性.所谓弥散现象,是指在浓度差异或者其他动力因素的作用下,由分子热运动所引发的物质在空间中表现出的质量迁移运动.简而言之,如果说核磁共振成像可以追踪一种分子,那么弥散张量成像便可以依据追踪到的分子移动方向来制图.
该技术在临床诊断和脑病中枢损伤研究中占有重要地位,可还原白质纤维束信息,有助于正确认识疾病对白质纤维通道的影响,从而有效地诊断由于纤维缺失而造成的大脑白质疾病,对大脑白质纤维束的观察追踪和三维重建尤为重要.
科学始终都在前进．为了用非侵害的方式对活体大脑白质纤维束轨迹进行三维重建,英国牛津大学磁共振成像研究中心做出了重要工作,该团队创新研发了基于白质骨架的纤维束空间统计分析方法,使深入了解大脑白质纤维的微观结构信息不再只是一个科学梦想,并成为神经纤维成像技术的研究焦点之一.
但长期占有统治地位的分析方法也有缺陷,科学家通过反复试验发现利用该方法得到的研究结果存在不直观、难解释、难以与其他模态脑影像数据融合等多种问题.此外,弥散张量成像数据纬度较大,计算方法复杂,对其展开的研究少之又少.鉴于日益增长的临床问题及不同脑病下新理论的出现,现有分析方法已经远远满足不了临床及科研工作者的需要.就这样,基于已有工作,刘继欣带领只有4个人的小团队顶着3年没有成果的巨大压力,一步一步搭建了自己的统计分析方法平台——基于纤维束的图谱分析的计算平台,与原来相比不仅使白质纤维束分析更加贴近临床医生的具体需求,还使结果变得更加直观、更好解释.
团队将方法形成理论文章,201 7年发表于医学国际top期刊HumanBrain Mapping上.审稿人对文章给予了高度评价： “这是一篇非常有趣的论文……” “这是一个关于重要话题的有趣研究.”
在收获喜悦的同时,团队戒骄戒躁．树立了更高的科研目标：在国内,力图使团队工作形成特色；在国际上,能够发出强有力的“科研声音”,努力在这场科研马拉松中看到国际同行的背影.
集齐创新要素,摆脱困境求发展
“创新是发展的不竭动力.”刘继欣在研究中最不缺的,也不能缺的要素就是创新.基于纤维束的图谱分析的计算平台的成功搭建就是最好的佐证.与此同时,刘继欣提到纤维束图谱参数化计算模型是一种沿着白质纤维束走形对弥散张量图像进行分析的数学方法.该方法的创新之处在于不仅将不同被试个体空间纤维束信息统一到标准空间下,还提供了逐体素的统计分析框架．这样一来,结果解释起来会更加简单直观,轻而易举就能和其他模态影像学数据融合.
除此之外．能够将科研成果服务于临床一直是刘继欣的心愿.为此,针对重大器官性疾病与慢性疾病,如终末期肾病、慢性痛等,他应用大脑神经影像学数据,在构建的白质纤维束参数化方法的基础上,展开被试和患者白质通路之间差异的研究,再结合多模态影像学数据,尽可能地解释疾病和大脑之间交互影响的原因.众所周知,重大器官性疾病和慢性疾病对大脑的影响在临床上往往易被忽略,且极不利于疾病的治疗和预后.对此,刘继欣基于白质纤维束参数化方法,与机器学习思想结合,再根据已知病人异常的白质通路构建出预测模型,以便在其他病人上做好预测.这样一来,就可以更好地对疾病发展做出监控. “基于科研,最终服务于临床”,刘继欣正是抱着这样的初心,大胆假设,勇于求证,对疾病的病理学机制做出最好的诠释.
驱走迷茫,迎来脑病研究又一春
如今团队的科研成果已经凸显,在脑病研究中也获得了良好应用,而这份收获的背后是他们为此付出的数不清的夜以继日的埋头苦战,从对脑病研究的懵懂和迷茫到迎来研究发展的春天,他们走过太多风雨．才看见了今日的彩虹.
刘继欣表示： “迷茫和挑战是每个青年科研工作者的必经之路.”就拿“基于弥散张量成像的白质纤维束微结构计算分析”来说,以前团队压根就没想到能够创建自己的分析平台,而是随波逐流,一门心思用传统方法来分析脑病,还要时时因为工作没有特色遭到质疑.据刘继欣介绍,早前他们已经应用人脑连接组方法在研究脑病上取得多项学术成果,但无奈在人脑连接组方法上早已经有了大量的创新和应用成果,雷同的研究内容常常让刘继欣陷入迷茫.同时,传统方法存在的缺陷,令其与临床实际问题与需求相差甚远.用这种方法得到的脑病分析结果,常遭到临床医生的质疑,仅仅沦为实验室的“自娱自乐”.于此种种,让刘继欣对自己的工作产生了怀疑.
所幸这种迷茫和怀疑并没有影响到刘继欣,直到今天,回想起第一次借助磁共振成像技术手段,观察到自己大脑内部结构时的情形,刘继欣对那种忐忑害怕却又激动的心情仍记忆犹新.每当研究受阻,只要一想起这份与脑科学结缘的“小激动”,再大的阻力他都觉得不值一提.他也将这份坚持传递到团队内,就这样,抱着这份“小激动”,团队从初遇科研时的懵懂,一步步在脑科学研究中找到了自己的定位,在一步步跋涉中迎来研究的春天.
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参考文献：
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