新软件如何改变我们对人类大脑发育的理解

单个大脑极其复杂。因此，大脑研究人员，无论是查看由81只小鼠的300,000个神经元构建的数据集，还是来自1,200名年轻人的MRI数据集，现在都在处理如此多的信息，因此他们还必须想出新的方法来理解它。开发新的分析工具已经变得与使用它们来了解大脑健康和发育一样重要。

包括华盛顿大学研究人员在内的一个团队最近使用新软件比较了300名婴儿的核磁共振成像，发现髓磷脂(大脑所谓白质的一部分)在出生后发育得慢得多。研究人员于8月7日在《国家科学院院刊》上发表了他们的发现。

华盛顿大学新闻采访了资深作者ArielRokem，他是华盛顿大学心理学系的研究副教授和eScience研究所的数据科学研究人员，了解了这篇论文和他的研究方法。

您研究哪些主题以及如何研究?

ArielRokem：我的团队从事神经信息学工作，专注于构建用于分析神经科学数据的方法和软件。我们特别关注人脑的MRI测量。大脑是由不同区域之间的巨大连接网络组成的。在我们的大脑中，我们有称为白质的大连接束，其中包含大量轴突，轴突是神经元的长分支部分，使它们能够在相当长的距离内相互通信。因此，我们使用MRI来在研究中的每个人身上找到这些束，然后了解这些束内的组织。由此，我们可以发现患有某些疾病的人和没有患有某些疾病的人之间的差异，或者发育或认知能力的差异。

这种方法与历史上的大脑研究实践有何不同?

AR：多年来，研究人员会将测试对象带到当地的医院或MRI中心并收集一些数据。人们仍然这样做。事实上，我们在新的威斯康星大学人类神经科学中心拥有一台这样的扫描仪，我也是该中心的成员。但最近的方法涉及收集更大量的数据。例如，华盛顿大学部门的任何人都很难收集超过1,000人的数据。但几年前，国立卫生研究院资助了所谓的人类连接组项目要做到这一点——获取1,200名健康成年人的样本，并收集每个人的大量数据。在神经信息学中，我们采用这些类型的数据集并开发工具来研究它们。

这些方法在脑科学领域带来了哪些发现?

AR：我们最近的论文就是一个很好的例子。我们的团队使用了来自开发人类连接组项目的大型公开数据集，该数据集收集新生儿生命最初几天的数据。我们通过对300多名婴儿的扫描来观察白质的发育情况。我的合作者、马尔堡菲利普斯大学的主要作者MareikeGrotheer之前曾使用过用于寻找成人白质束的软件，并将其改造为适用于婴儿的大脑。在这项研究中，我们使用云计算扩展了她的方法。我们正在研究髓磷脂(一种隔离轴突的脂肪鞘)如何在白质中生长。

我们从其他研究中得知，髓磷脂发育异常与许多发育和心理健康障碍有关，从慢性抑郁症到精神分裂症。但在这项研究之前，我们仍然不知道出生如何改变髓磷脂的发育过程。

我们有几个想要测试的假设。其一是，你出生的确切时间并不重要;重要的是你的出生日期。重要的是从受孕到接受扫描需要多长时间。另一个说法是，只在受孕后多久出生才重要，而在出生后多久进行扫描并不重要。我们还有第三个假设，认为这两件事都很重要：婴儿在母亲子宫中妊娠的时间，以及从出生到扫描的时间经过了多长时间。因此，我们比较了不同胎龄出生的婴儿的扫描结果，从极早早产到足月40周后几周出生的婴儿。因为我们有这么大的数据集可供使用，所以我们可以真正绘制出婴儿大脑在生命最初几天和几周内如何变化的图表。

我们发现数据支持出生时的胎龄和扫描时的胎龄都很重要，但在出生时存在一个拐点。就在那时，我们正在关注的这些捆绑包的开发速度急剧放缓。这是一个基本事实，但我们直到现在才知道这一点，我们通过检查公开数据发现了这一点。这对于我们对生命早期大脑发育的基本理解以及我们减轻早产不利影响的方式都有影响。例如，也许在出生后创造一个“类似子宫”的环境可以抵消这种缓慢的发育，让早产儿的大脑有更多的时间发育。

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