文献阅读：灵长类动物脑结构的个体间差异

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人类进化过程中高级功能的出现不仅是大脑尺寸增大的结果，还与不同脑区的特异性扩张以及大脑偏侧化增强有关。研究表明人类和其他灵长类动物的脑结构均存在显著的个体间差异，但是这种脑结构个体差异在进化过程中扮演的角色尚不清楚。

最近，发表在国际权威神经科学杂志《Cerebral Cortex》的一项研究，基于人类和猕猴大脑的T1加权图像和弥散加权图像（Diffusion-Weighted Imaging，DWI），分析和比较了两个物种大脑灰质和白质结构的个体间差异，发现人类和猕猴脑结构的个体间差异模式十分相似，且人脑灰质个体间差异与皮层进化扩张显著相关。 

研究方法

1.被试和影像数据采集

（1）10名来自HCP数据集的成年健康被试用于人脑结构个体间差异分析；16名来自HCP数据集的成年健康被试用于构建人脑的结构模板；10只健康猕猴用于猕猴脑结构的个体间差异分析。

（2）采集所有被试和猕猴的T1加权图像和DWI图像，经过HCP预处理流程得到每名被试的T1加权图和FA图（由DWI图像计算得到）。

2.模板的构建和可重复性

（1）为计算人类和猕猴脑结构的个体间差异，利用ANTs工具为人类和猕猴分别构建标准T1和FA模板。

（2）为检验构建模板所需的最优人数，分别用4、6、8、10、12、14、16名被试构建T1和FA模板；将每次构建模板所用被试平均分为男女比例相同的两组，分别计算两组人的个体间差异；利用皮尔逊相关计算两组人个体间差异的相似程度，即个体间差异的可重复性。

3.人类和猕猴脑结构个体间差异的计算

（1）将每名被试的T1和FA图分别配准到标准T1和FA模板，得到每个体素相对于模板的形变；

（2）利用欧几里得距离计算形变的程度，即为该体素的个体间差异。提取T1模板的灰质组织作为脑灰质mask得到每名被试的脑灰质个体间差异图，提取FA大于0.2的体素作为脑白质mask得到每名被试的脑白质个体差异图；

（3）为检验人类和猕猴大脑尺寸对个体间差异的影响效应，利用雅各比行列式（Jacobian determinant）取代欧几里得距离计算个体间差异。

4.人脑灰质的个体间差异与皮层折叠和皮层进化扩张的相关

选取（Van Essen and Dierker. 2007 Neuron） 文章得到的皮层曲率图和猕猴-人的皮层进化扩张图，利用斯皮尔曼等级相关分别计算人脑灰质的个体间差异与皮层曲率和皮层进化扩张的相关性。

5.人类和猕猴脑灰质个体间差异的半球不对称性

将人类和猕猴的标准T1模板分别配准到Harvard–Oxford 皮层模板和INIA19脑模板并应用到每个被试的个体间差异图上。利用公式（右半球区域-左半球区域）/（左半球区域+右半球区域）计算不对称性指标衡量每个脑区个体间差异的半球不对称性。

6.统计分析

（1）利用重复测量方差分析（T1和DWI两种模态作为被试内因素，人类和猕猴作为被试间因素）研究人类和猕猴脑结构的个体间差异是否存在显著差异。

（2）利用单样本T-test分别检验每个物种脑结构的个体间差异的半球不对称性。

（3）所有统计进行Bonferroni多重比较矫正。 

研究结果

1.模板的构建和可重复性

研究发现，10名被试为构建模板的最优人数，此时两组被试的脑灰质个体间差异有92.4%的相同，脑白质个体间差异有81.2%的相同，表明利用该模板计算的个体间差异具有高度可重复性（图1）。

图1：模板的构建和可重复性结果

2.人类和猕猴脑结构个体间差异结果

利用欧几里得距离计算人类和猕猴脑结构的个体间差异，发现人脑结构的个体间差异显著高于猴脑，且两个物种脑白质结构的个体间差异均显著高于灰质的个体间差异（图2左）；

利用雅各比行列式计算人类和猕猴脑结构的个体间差异，发现两个物种脑白质结构的个体间差异依然显著高于灰质，但人脑与猴脑没有显著组间差异，表明脑尺寸对物种间个体差异有显著影响（图2右）。

图2：人类和猕猴脑结构的个体间差异比较

3. 人类和猕猴脑灰质的个体间差异图

两个物种脑灰质的个体间差异较高的脑区主要位于初级视觉区域（V1），视觉纹外皮层（V4），外侧枕沟（Lateral Occipital Sulcus，LOS），背侧顶枕沟（Dorsal Parieto-Occipital Sulcus，POS），颞上沟（Superior Temporal Sulcus，STS）的中后部，扣带沟（Posterior Cingulate Sulcus，CS）后部，岛盖（BA44），额叶眼动区域（Frontaleye-Field，FEF），前额叶喙部（Rostral Prefrontal Cortex，RPC）区域；

两个物种脑灰质的个体间差异较低的脑区主要在视觉区域（V2/V3），腹侧前额叶（Ventral Prefrontal Cortex，VPC）区域；

特别地，人脑颞顶联合区（Temporo-Parietal Junction，TPJ）和背内侧前额叶皮层的灰质个体间差异显著高于猕猴，外侧前额叶显著低于猕猴（图3）。

图3：人类和猕猴脑灰质的个体间差异图

4. 人类和猕猴脑白质的个体间差异图

两个物种脑白质的个体间差异较高的脑区主要位于FEF，初级运动区域（Primary Motor Areas，M1）,初级感觉区域（Primary Sensory Areas，S1）以及视觉V1和V4区域；

两个物种脑白质的个体间差异较低的脑区主要在皮质脊髓束（Corticospinal Tract，CST），扣带（Cingulum，Cing），穹窿（Fornix，FX），下纵束（Inferior Longitudinal Fasciculus，ILF），视放射（Optic Radiations，OR）区域（图4）。

图4：人类和猕猴脑白质的个体间差异图

5.人脑灰质的个体间差异与皮层折叠的相关

研究结果表明人脑灰质的个体间差异与皮层折叠有显著的负相关，但相关系数较小（左半球Rho=.135，右半球Rho=.065，图5）。

图5：人脑灰质的个体间差异与皮层折叠的相关

6.人脑灰质的个体间差异与皮层扩张的相关

研究结果表明左右侧颞叶、左右侧边缘系统、左侧额叶、右侧顶叶区域的灰质个体间差异与皮层扩张显著正相关，左右侧枕叶区域的灰质个体间差异与皮层扩张显著负相关，右侧额叶、左侧顶叶区域的灰质个体间差异与皮层扩张无显著相关（图6）。

图6：人脑灰质的个体间差异与皮层扩张的相关

7.人类和猕猴脑灰质个体间差异的区域不对称性

人脑的赫氏回，颞上、颞中的个体间差异呈显著左侧偏侧化，扣带旁回、舌回呈显著右侧偏侧化；猕猴脑只有缘上回、角回呈显著右侧偏侧化（图7）。

图7：人类和猕猴脑灰质的个体间差异的区域不对称性 

研究结论和意义

该研究通过分析人类和猕猴大脑灰质和白质的个体间差异，发现人类大脑和猕猴大脑结构个体间差异的模式高度相似，同时部分脑区表现出物种特异性，且人脑表现出更强的半球偏侧化。该研究还发现人脑结构的个体间差异和皮层进化扩张有关，说明个体差异越大的脑区进化越晚。这些结果表明个体间差异可能是物种比较的一个重要度量，为进化机制的研究提供了新的重要方法。

参考文献

Croxson PL, Forkel SJ, Cerliani L, Thiebaut de Schotten M. (2017) Structural Variability Across the Primate Brain: A Cross-Species Comparison. Cereb Cortex. doi: 10.1093/cercor/bhx244.

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