人和獼猴Broca區(qū)跨物種解剖連接差異分析

任凱欣，王千山，夏瀟鸞，鄧紅霞，李海芳

(1.太原理工大學(xué) 信息與計(jì)算機(jī)學(xué)院，山西 晉中 030600；2.澳門(mén)大學(xué) 認(rèn)知與腦科學(xué)中心，澳門(mén) 999078)

Broca區(qū)位于人腦的額葉下回，大量的臨床和實(shí)驗(yàn)研究證實(shí)該區(qū)主管語(yǔ)言信息的處理和話語(yǔ)的產(chǎn)生，與語(yǔ)義和單詞含義的理解，語(yǔ)音和發(fā)音方式的形成都有密切的聯(lián)系[1]。除此之外，該區(qū)對(duì)于語(yǔ)言重復(fù)、手勢(shì)產(chǎn)生和句子語(yǔ)法的流暢性也起到了必不可少的作用。KELLER et al[2]從形態(tài)學(xué)的角度描述了Broca區(qū)，他們指出，在人腦中，Broca區(qū)主要包括兩個(gè)區(qū)域，即額下回的島蓋部(pars opercularis)和三角部(pars triangularis).在20世紀(jì)初期，BRODMANN[3]首次系統(tǒng)地描述了Broca區(qū)的細(xì)胞結(jié)構(gòu)，將該區(qū)分為兩個(gè)子區(qū)域，即Brodmann 44區(qū)(BA44)和Brodmann 45區(qū)(BA45).

盡管研究人員從各種損傷研究、單細(xì)胞電生理學(xué)研究和示蹤劑研究中獲得了廣泛的信息[4-5]，但倫理學(xué)禁止使用這種侵入式方法在人腦中進(jìn)行研究。幸運(yùn)的是，比較神經(jīng)科學(xué)與磁共振技術(shù)的發(fā)展為非侵入式大腦研究帶來(lái)了希望。PETRIDES et al[6]在報(bào)告中提出，獼猴腹側(cè)前運(yùn)動(dòng)皮層(區(qū)域6)前面的區(qū)域是與人類(lèi)BA44同源的皮質(zhì)區(qū)域，他們的研究還表明，與人類(lèi)BA44同源的獼猴區(qū)域前面的皮質(zhì)區(qū)是與人類(lèi)BA45同源的皮質(zhì)區(qū)域，這塊皮質(zhì)區(qū)域又可以進(jìn)一步細(xì)分為頭部(rostral areas，45A)和尾部(caudal area，45B)兩個(gè)子區(qū)域。盡管已有研究對(duì)Broca區(qū)的功能特性進(jìn)行了不同角度的探討分析，但很少有人從連接結(jié)構(gòu)的角度對(duì)Broca區(qū)的白質(zhì)纖維束數(shù)量進(jìn)行跨物種差異性分析，本文彌補(bǔ)了這一缺失。

本文從大腦連接結(jié)構(gòu)的角度對(duì)與語(yǔ)言發(fā)展密切相關(guān)的Broca區(qū)進(jìn)行了跨物種一致性分析。通過(guò)使用概率纖維束跟蹤技術(shù)，分別構(gòu)建了人和獼猴Broca同源區(qū)與10個(gè)感興趣腦區(qū)(region of interests，ROI)之間的連接性指紋圖，同時(shí)也構(gòu)建了Broca同源區(qū)與39條同源纖維束之間的連接性指紋圖。此外通過(guò)運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)的分析方法，從樣本總體均值的水平對(duì)Broca區(qū)與每一個(gè)感興趣腦區(qū)之間的跨物種差異性進(jìn)行了研究，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可信度進(jìn)行了分析。結(jié)果表明在解剖學(xué)上同源的Broca區(qū)在連接結(jié)構(gòu)方面也具有較高的跨物種一致性。

由于大腦的功能與其連接結(jié)構(gòu)密切相關(guān)[7]，因此本研究為將猴腦作為人腦Broca區(qū)的臨床研究對(duì)象提供了依據(jù)[8]，對(duì)獼猴大腦Broca區(qū)的研究對(duì)于理解人腦的工作機(jī)制至關(guān)重要。

1 材料和方法

1.1 人類(lèi)數(shù)據(jù)

本文從HCP數(shù)據(jù)中心發(fā)布的WU-Minn-1 200名受試者中選擇了19名被試(22～35歲)[9]，并從中挑選出這些被試經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)預(yù)處理操作以后的結(jié)構(gòu)像(structure magnetic resonance imaging,sMRI)數(shù)據(jù)和彌散像(diffusion magnetic resonance imaging,dMRI)數(shù)據(jù)。這批數(shù)據(jù)具有相對(duì)較高的ROI配準(zhǔn)精度，其中，sMRI數(shù)據(jù)包括0.7 mm高分辨率各向同性T1加權(quán)(T1-weighted,T1w)和T2加權(quán)(T2-weight,T2w)圖像數(shù)據(jù)；dMRI數(shù)據(jù)包括多梯度和多擴(kuò)散加權(quán)的1.25 mm各向同性數(shù)據(jù)。

1.2 獼猴數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)中使用的獼猴數(shù)據(jù)集是來(lái)自加利福尼亞大學(xué)戴維斯分校(UC-Davis)的17只雌性獼猴(18.5～22.5歲；7.28～14.95 kg).這批獼猴數(shù)據(jù)[10]是使用Siemens Skyra 3T的4通道翻轉(zhuǎn)線圈掃描收集的。所有獼猴都已進(jìn)食并符合UC-Davis IACUC道德認(rèn)證。在掃描之前，將獼猴用異氟烷進(jìn)行麻醉，麻醉以后獼猴立即被放入掃描儀中，然后用立體定位框架固定獼猴的頭部。在掃描過(guò)程中，實(shí)時(shí)監(jiān)控了猴子的各種生理指標(biāo)。

1.3 人類(lèi)數(shù)據(jù)預(yù)處理

本文所使用的人類(lèi)數(shù)據(jù)是由HCP預(yù)處理管道[11]進(jìn)行預(yù)處理以后的數(shù)據(jù)。具體包括空間偽影的消除、變形矯正、皮質(zhì)表面生成、交叉模式配準(zhǔn)以及標(biāo)準(zhǔn)空間對(duì)齊等操作。在結(jié)束預(yù)處理操作以后，需要將人腦腦圖譜配準(zhǔn)到每一個(gè)被試大腦上，在被試個(gè)體腦圖譜上對(duì)感興趣腦區(qū)進(jìn)行提取。圖1是利用腦圖譜配準(zhǔn)法生成的被試個(gè)體大腦圖譜圖像。

圖1 人腦圖集配準(zhǔn)到b0像結(jié)果圖Fig.1 Register ration of the human brain atlas to the b0 image

1.4 獼猴數(shù)據(jù)預(yù)處理

在GLASSER et al[12]的論文中，作者概述了使來(lái)自其他來(lái)源的數(shù)據(jù)與HCP預(yù)處理管道兼容的方法。這是因?yàn)镠CP預(yù)處理管道對(duì)原始數(shù)據(jù)的收集有一定的要求。其中，HCP預(yù)處理管道對(duì)dMRI數(shù)據(jù)采集的最低要求是：1) 在左右方向上對(duì)大腦進(jìn)行多波段加速掃描。2) 使用Stejskal-Tanner(單極)擴(kuò)散編碼方案在圖像中執(zhí)行相位編碼左右方向，即執(zhí)行反向編碼。3) 大量擴(kuò)散梯度方向(≥128)。4) 擴(kuò)散權(quán)重高達(dá)3 000 s/mm2。5) 高維空間各向同性分辨率(≤1.5 mm).

對(duì)于來(lái)自UC-Davis的獼猴數(shù)據(jù)來(lái)講，其擴(kuò)散權(quán)重只能達(dá)到1 600 s/mm2，體素分辨率則為1.4×1.4×1.4 mm.因此，HCP預(yù)處理管道不能用于對(duì)獼猴數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理操作，本文將手動(dòng)對(duì)獼猴數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。對(duì)于獼猴dMRI數(shù)據(jù)來(lái)講，對(duì)其進(jìn)行了渦流校正和非腦組織切除等預(yù)處理，下面詳細(xì)介紹預(yù)處理中的腦圖譜配準(zhǔn)操作。

在配準(zhǔn)操作之前，需要先將每一個(gè)獼猴被試的b0像從被試彌散像中提取出來(lái)，然后利用掩膜文件對(duì)其進(jìn)行去除非腦組織的操作。研究表明[13]，被試的T1結(jié)構(gòu)像對(duì)于彌散像有很好的畸變矯正和偽影去除方面的作用，因此，本文摒棄了傳統(tǒng)的使用FSL中的BET工具來(lái)生成b0像掩膜的思想，通過(guò)將被試的T1結(jié)構(gòu)像掩膜文件(T1_brain_mask)配準(zhǔn)到b0像上來(lái)生成b0像掩膜(b0_brain_mask)。隨后，將生成的b0掩膜文件和現(xiàn)有的T1結(jié)構(gòu)像掩膜文件配回到被試的b0像和T1像上去，分別生成了去除了非腦組織和進(jìn)行了畸變矯正以后的個(gè)體T1結(jié)構(gòu)像(T1_brain)和b0像(nodif_brain)。圖2選取了4個(gè)被試對(duì)b0像掩膜文件的生成過(guò)程進(jìn)行了展示，其中，第1列為被試T1結(jié)構(gòu)像掩膜文件，第2列為被試的原始b0圖像，第3列為生成的b0像掩膜文件。

圖2 b0像掩膜文件的生成Fig.2 Generation of b0 image mask file

圖3展示了上述的4個(gè)被試?yán)脗鹘y(tǒng)方法生成的掩膜文件與利用T1結(jié)構(gòu)像生成的掩膜文件之間的對(duì)比結(jié)果，也展示了利用圖2中生成的b0像掩膜去除b0像非腦組織以后的結(jié)果。其中，第2列的白色掩膜是利用FSL中的BET工具所生成的，紅色掩膜是利用T1像所生成的，從圖中可以明顯地看出，使用BET工具生成掩膜的方法并不能把所有的頭骨等非腦組織去除掉，也不會(huì)對(duì)圖像的畸變和偽影進(jìn)行矯正。圖中第3列是將利用T1結(jié)構(gòu)像掩膜文件(T1_brain_mask)生成的b0像掩膜(b0_brain_mask)配準(zhǔn)到b0像以后的結(jié)果，新生成的b0像(nodif_brain)將用于下一步的配準(zhǔn)操作。

圖3 b0像非腦組織的去除Fig.3 Non-brain removal of b0 image

在配準(zhǔn)過(guò)程中，首先使用線性配準(zhǔn)將沒(méi)有施加梯度磁場(chǎng)的b0圖像(nodif_brain)配準(zhǔn)到T1圖像(T1_brain)上，然后再將T1圖像(T1_brain)非線性配準(zhǔn)到標(biāo)準(zhǔn)空間的T1像上，最后將兩步的配準(zhǔn)結(jié)果合并在一起生成最終的轉(zhuǎn)換矩陣，然后利用其逆矩陣將腦圖譜配準(zhǔn)到個(gè)體b0圖像上，這樣就可以在被試個(gè)體水平上對(duì)感興趣區(qū)域(region of interest，ROI)進(jìn)行提取。圖4是使用線性和非線性配準(zhǔn)技術(shù)將猴腦圖譜配到個(gè)體b0像以后的結(jié)果圖。

圖4 猴腦圖集配準(zhǔn)到b0像結(jié)果圖Fig.4 Register ration of the macaque brain atlas to the b0 image

1.5 連接性指紋

PASSINGHAM et al[14]首次提出了一種基于連接性指紋的跨物種同源腦區(qū)比較的方法。他們發(fā)現(xiàn)大腦不同區(qū)域之間的白質(zhì)纖維連接存在差異，這種差異可以作為判斷大腦區(qū)域唯一性的重要標(biāo)識(shí)。以人腦為例，圖5分別從軸向面、冠狀面和矢狀面三個(gè)角度對(duì)人腦不同腦區(qū)的連接指紋進(jìn)行了展示。圖中黃色區(qū)域代表整個(gè)大腦，藍(lán)色代表人腦BA44或BA45與某一感興趣腦區(qū)之間的白質(zhì)纖維連接。具體來(lái)講，第1行展示了左腦BA44區(qū)與目標(biāo)腦區(qū)之間的連接性指紋三視圖，第2行展示了左腦BA45區(qū)與目標(biāo)腦區(qū)之間的連接性指紋三視圖，第3行展示了右腦BA44區(qū)與目標(biāo)腦區(qū)之間的連接指紋三視圖，第4行展示了右腦BA45區(qū)與目標(biāo)腦區(qū)之間的連接性指紋三視圖。從圖中可以看出，大腦不同腦區(qū)與某一特定腦區(qū)之間的連接指紋存在差異，即每一個(gè)大腦區(qū)域都具有自己獨(dú)特的連接模式。

圖5 人腦左右腦BA44和BA45區(qū)域與選定的目標(biāo)腦區(qū)之間不同的連接指紋圖Fig.5 Different connectivity fingerprints between the BA44 and BA45 areas of human left and right brains and a selected target brain area

1.6 構(gòu)建圖譜

本文使用腦圖譜配準(zhǔn)法從人腦和獼猴被試的大腦中對(duì)感興趣腦區(qū)進(jìn)行提取。在對(duì)人腦感興趣區(qū)域進(jìn)行提取時(shí)，使用了Brainnetome圖譜[15]和多巴胺中腦概率圖譜[16](簡(jiǎn)稱(chēng)Midbrain腦圖譜)。其中，Brainnetome圖譜共包括左右腦246個(gè)腦區(qū)域，該圖譜使用了計(jì)算機(jī)大腦作圖技術(shù)對(duì)人類(lèi)大腦的結(jié)構(gòu)、功能以及空間變化進(jìn)行了研究，具有更細(xì)粒度的解剖結(jié)構(gòu)。本文分別從Brainnetome圖譜中提取了A8m、TH、A8dl、dlg、A9m這5個(gè)目標(biāo)腦區(qū)，從Midbrain腦圖譜中提取了h32、h11m、h13、h14m、h25這5個(gè)目標(biāo)腦區(qū)作為人腦感興趣腦區(qū)進(jìn)行研究。

在對(duì)猴腦感興趣區(qū)域進(jìn)行提取時(shí)，本文使用了獼猴經(jīng)典D99腦圖集[17]和立體定位坐標(biāo)中的恒河猴腦圖集[18](CIVM)來(lái)對(duì)感興趣區(qū)域進(jìn)行提取。其中，D99腦圖集是基于Saleem腦圖集和Logothetis腦圖集生成的，該圖集在獼猴左右大腦區(qū)域劃分出了223個(gè)子區(qū)。CIVM圖譜則是基于10個(gè)驗(yàn)尸后的腦標(biāo)本生成的，該圖譜包含242個(gè)解剖結(jié)構(gòu)。本文從D99腦圖譜中提取了8Bm、TH、8Bd、Ig、9m這5個(gè)目標(biāo)腦區(qū)，從CIVM腦圖譜中提取了h32、h11m、h13、h14m、h25這5個(gè)目標(biāo)腦區(qū)作為獼猴大腦感興趣腦區(qū)進(jìn)行研究。表1和表2展示了以上10個(gè)感興趣腦區(qū)在人腦和猴腦中的對(duì)應(yīng)關(guān)系。其中，同源腦區(qū)1-5曾被用于人腦和獼猴大腦腹側(cè)紋狀體連接性的種間差異研究[19]，同源腦區(qū)6-10則是基于人腦和獼猴大腦中同源腦區(qū)位置一致的假設(shè)，通過(guò)參閱有關(guān)D99圖譜的書(shū)籍[20]和人腦Brainnetome圖譜的資料[21]進(jìn)行選取的。

表1 人腦目標(biāo)腦區(qū)Table 1 Human brain target brain area

表2 獼猴目標(biāo)腦區(qū)Table 2 Macaque brain target brain area

1.7 感興趣腦區(qū)提取

本節(jié)從每一個(gè)被試大腦中對(duì)上一節(jié)所提到的10個(gè)感興趣腦區(qū)進(jìn)行提取。下面是對(duì)這10個(gè)感興趣腦區(qū)位置的一些介紹(以人腦為例)：h32位于端腦的扣帶回，屬于枕葉皮質(zhì)區(qū)；h13、h25、h14m、h11m位于端腦的眶額葉皮層；A8m、A9m和A8dl位于大腦額上回；TH位于海馬旁回；dlg位于島回。圖6展示了這10個(gè)感興趣腦區(qū)在人腦標(biāo)準(zhǔn)腦模板和獼猴標(biāo)準(zhǔn)腦模板上的對(duì)應(yīng)關(guān)系。圖中左邊兩列的第1列為人腦1、2、3目標(biāo)腦區(qū)，左邊第2列為獼猴大腦1、2、3目標(biāo)腦區(qū)；中間兩列的第1列為人腦4、5、6目標(biāo)腦區(qū)，第2列為獼猴大腦4、5、6目標(biāo)腦區(qū)；右邊兩列的第1列為人腦7、8、9、10目標(biāo)腦區(qū)，第2列為獼猴大腦7、8、9、10目標(biāo)腦區(qū)。從圖中可以看出，提取出來(lái)的同源腦區(qū)在人腦和獼猴大腦中具有對(duì)應(yīng)的物理位置。

圖6 同源目標(biāo)腦區(qū)在人腦和獼猴大腦中的對(duì)應(yīng)關(guān)系Fig.6 Location correspondence of homologous target brain areas in human and macaque brain

1.8 同源纖維束

在MARS et al[22]的論文中提到了一組腦白質(zhì)束，即大腦中39條主要纖維束的主體。這組腦白質(zhì)束可以在不同物種的大腦中被可靠地識(shí)別，因此可以用來(lái)構(gòu)建整個(gè)大腦皮層的藍(lán)圖，并根據(jù)整個(gè)皮層的腦白質(zhì)藍(lán)圖來(lái)描述不同物種的皮質(zhì)灰質(zhì)組織。

本文運(yùn)用了人腦和獼猴大腦中同源的腦白質(zhì)束來(lái)重新構(gòu)建人腦和獼猴大腦Broca區(qū)的連接性指紋圖，并將結(jié)果與同源腦區(qū)的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，對(duì)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

1.9 跨物種比較

不同物種具有不同的大腦結(jié)構(gòu)，即使對(duì)于同一物種，不同個(gè)體的大腦結(jié)構(gòu)也不相同。為了使概率纖維追蹤結(jié)果不受物種和個(gè)體大腦差異的影響，需要將得到的絕對(duì)值結(jié)果轉(zhuǎn)換為相對(duì)值結(jié)果來(lái)進(jìn)行跨物種比較。在以往的研究中，常用到的轉(zhuǎn)換方法是使用總體的最大值、最小值或平均值來(lái)對(duì)絕對(duì)值結(jié)果進(jìn)行歸一化處理。本文使用總體最大連接強(qiáng)度(max connection strength,MaxCS)和總體最小連接強(qiáng)度(min connection strength,MinCS)之差來(lái)對(duì)絕對(duì)值結(jié)果進(jìn)行歸一化處理，將所有絕對(duì)連接強(qiáng)度(connection strength,CS)轉(zhuǎn)換為相對(duì)連接強(qiáng)度(relative connection strength,RCS)，公式(1)給出了具體的計(jì)算方法。其中，MeanCS代表總體平均連接強(qiáng)度，為了使最終的計(jì)算結(jié)果更易于比較，將乘以常數(shù)“a”來(lái)對(duì)結(jié)果進(jìn)行矯正，這里將a取為1 000，即可以考慮到小數(shù)點(diǎn)后三位對(duì)結(jié)果的影響。

(1)

在對(duì)所有被試的連接強(qiáng)度做了相對(duì)值處理以后，還需要將運(yùn)算結(jié)果平均化，分別計(jì)算人和獼猴所有被試在每一個(gè)感興趣區(qū)域處的平均RCS值，將其作為物種的組平均值，最后在物種的平均水平上使用余弦相似度來(lái)進(jìn)行連接性指紋的跨物種差異分析。公式(2)給出了余弦相似度FCS的計(jì)算方法，其中pi代表人腦Broca區(qū)與某一個(gè)感興趣腦區(qū)之間的組平均RCS大小值，qi代表獼猴大腦Broca區(qū)與該感興趣腦區(qū)之間的組平均RCS大小值。

(2)

1.10 基于小樣本的統(tǒng)計(jì)學(xué)分析方法

本文所使用到的人和獼猴被試的數(shù)量較少，兩物種被試的年齡、性別分布不均勻，而且同一物種的被試還具有一定的地域特征，樣本的這些局限性會(huì)造成對(duì)最終結(jié)果刻畫(huà)能力不足的問(wèn)題。為了從物種整體水平對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析，也為了對(duì)結(jié)果的可信度進(jìn)行分析，這里引入了統(tǒng)計(jì)學(xué)的分析方法。其中，獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)是通過(guò)樣本均值來(lái)對(duì)總體均值進(jìn)行刻畫(huà)的一種分析方法，可以對(duì)Broca腦區(qū)與某一個(gè)目標(biāo)腦區(qū)之間的跨物種差異性進(jìn)行物種整體均值水平的刻畫(huà)。排列置換測(cè)試是通過(guò)大量計(jì)算和隨機(jī)排列，通過(guò)觀察結(jié)果是否落在置信區(qū)間內(nèi)來(lái)對(duì)結(jié)果的可信度進(jìn)行分析，它解決了小樣本對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果刻畫(huà)能力不足的問(wèn)題。下面對(duì)兩種方法的應(yīng)用進(jìn)行介紹。

獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)是利用兩樣本均值差對(duì)總體均值差進(jìn)行估計(jì)的一種統(tǒng)計(jì)學(xué)分析方法，主要用于樣本含量較少、總體標(biāo)準(zhǔn)差未知的正態(tài)分布，本文運(yùn)用該統(tǒng)計(jì)學(xué)方法從物種總體均值的角度對(duì)連接性指紋進(jìn)行跨物種差異分析。本文假設(shè)人腦和獼猴大腦在解剖學(xué)上的Broca同源區(qū)與同一感興趣同源腦區(qū)之間的連接性指紋在總體均值上無(wú)顯著差異，在90%的置信度下，如果t統(tǒng)計(jì)量的P值小于顯著性水平，則應(yīng)拒絕原假設(shè)，即認(rèn)為人腦和獼猴大腦Broca區(qū)與該感興趣腦區(qū)之間的總體均值存在顯著性差異；反之，如果t統(tǒng)計(jì)量的P值大于顯著性水平，則應(yīng)接受原假設(shè)，即認(rèn)為兩者的總體均值不存在顯著性差異。

本文計(jì)算得到了人腦和獼猴大腦Broca區(qū)連接性指紋之間的余弦相似度值，并將其作為實(shí)驗(yàn)的觀測(cè)值，通過(guò)對(duì)連接性指紋進(jìn)行5組排列置換測(cè)試(每組100 000次隨機(jī)排列置換操作)，計(jì)算得出了每一次隨機(jī)排列置換操作以后生成的連接性指紋之間的余弦相似度值，根據(jù)90%的置信區(qū)間大小，生成了相對(duì)應(yīng)的置信區(qū)間。通過(guò)觀察實(shí)驗(yàn)的觀測(cè)值結(jié)果是否位于置信區(qū)間內(nèi)來(lái)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果是否具備一定的可信度。

2 Broca區(qū)與同源腦區(qū)跨物種比較結(jié)果

本章分別對(duì)左右腦Broca區(qū)的連接性指紋結(jié)果進(jìn)行了展示。其中，折線圖展示了兩物種連接性指紋的變化趨勢(shì)，雷達(dá)圖展示了兩物種連接性指紋在每一個(gè)感興趣腦區(qū)處的組平均RCS值。

2.1 Broca44區(qū)連接性指紋圖

本小節(jié)對(duì)Broca44區(qū)連接性指紋結(jié)果進(jìn)行了展示。圖7展示了人腦和獼猴大腦左腦Broca44區(qū)的連接性指紋結(jié)果圖，從折線圖中可以看出，人和獼猴左腦Broca44區(qū)的連接性指紋變化趨勢(shì)趨于一致。從雷達(dá)圖中可以看出，兩物種連接性指紋的組平均連接強(qiáng)度值在上下50之間進(jìn)行浮動(dòng)，浮動(dòng)范圍較小。其中，人和獼猴左腦Broca44區(qū)與感興趣腦區(qū)2(眶額葉皮層)之間的連接性指紋差異最大，表現(xiàn)為人腦Broca44區(qū)的RCS要大于獼猴。

圖7 左腦Broca44區(qū)連接性指紋圖與排列置換測(cè)試結(jié)果Fig.7 Connectivity fingerprint and permutation test results of Broca44 area of the left brain

圖8展示了人腦和獼猴大腦右腦Broca44區(qū)的連接性指紋結(jié)果圖。從折線圖中可以看出，人和獼猴右腦Broca44區(qū)的連接性指紋變化趨勢(shì)趨于一致。從雷達(dá)圖中可以看出，兩物種連接性指紋的組平均連接強(qiáng)度值在上下60之間進(jìn)行浮動(dòng)，這要比左腦Broca44區(qū)的浮動(dòng)范圍要大。其中，人和獼猴右腦Broca44區(qū)與感興趣腦區(qū)2(眶額葉皮層)之間的連接性指紋差異最大，表現(xiàn)為人腦Broca44區(qū)的RCS要大于獼猴。

2.2 Broca45區(qū)連接性指紋圖

本小節(jié)對(duì)Broca45區(qū)連接性指紋結(jié)果圖進(jìn)行了展示。圖9展示了人腦和獼猴大腦左腦Broca45區(qū)的連接性指紋結(jié)果圖。從折線圖中可以看出，人和獼猴左腦Broca45區(qū)的連接性指紋變化趨勢(shì)趨于一致。從雷達(dá)圖中可以看出，兩物種連接性指紋的組平均連接強(qiáng)度值在上下40之間進(jìn)行浮動(dòng)，浮動(dòng)范圍較小。其中，人和獼猴左腦Broca45區(qū)與感興趣腦區(qū)2(眶額葉皮層)和感興趣腦區(qū)8(額上回)之間的連接性指紋差異較大，表現(xiàn)為人腦Broca45區(qū)的RCS要大于獼猴。

圖9 左腦Broca45區(qū)連接性指紋圖與排列置換測(cè)試結(jié)果Fig.9 Connectivity fingerprint and permutation test results of Broca45 area of the left brain

圖10展示了人腦和獼猴大腦右腦Broca45區(qū)的連接性指紋結(jié)果圖。從折線圖中可以看出，人和獼猴右腦Broca45區(qū)的連接性指紋變化趨勢(shì)趨于一致。從雷達(dá)圖中可以看出，兩物種連接性指紋的組平均連接強(qiáng)度值在上下50之間進(jìn)行浮動(dòng)，這比左腦Broca45區(qū)的浮動(dòng)范圍要大。其中，人和獼猴右腦Broca45區(qū)與感興趣腦區(qū)2(眶額葉皮層)之間的連接性指紋差異最大，表現(xiàn)為人腦Broca45區(qū)的RCS要大于獼猴。

2.3 獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)分析

本小節(jié)用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)方法對(duì)人腦和獼猴大腦Broca區(qū)與每一個(gè)感興趣腦區(qū)之間的總體均值差異進(jìn)行了分析。在進(jìn)行獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)(置信度為90%)之前，提出了人腦和獼猴大腦Broca同源區(qū)與感興趣腦區(qū)之間的連接性指紋總體均值無(wú)顯著性差異的假設(shè)，通過(guò)對(duì)t統(tǒng)計(jì)量的P值進(jìn)行分析來(lái)判斷該假設(shè)是否成立。如果t統(tǒng)計(jì)量的P值大于0.1(10%)時(shí)，則認(rèn)為人腦和獼猴大腦Broca區(qū)與該感興趣腦區(qū)之間的總體均值不存在顯著差異。反之，當(dāng)t統(tǒng)計(jì)量的P值小于0.1(10%)時(shí)，則小樣本事件發(fā)生，有理由拒絕原假設(shè)，即認(rèn)為人腦和獼猴大腦Broca區(qū)與該感興趣腦區(qū)之間的總體均值存在差異，這時(shí)可以根據(jù)樣本均值對(duì)總體的均值差異情況進(jìn)行判斷。

表3展示了人和獼猴左腦Broca44區(qū)與10個(gè)目標(biāo)腦區(qū)之間的獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)結(jié)果。從下表可以看出，只有h14m和A8m這兩個(gè)感興趣腦區(qū)與Broca腦區(qū)之間的t統(tǒng)計(jì)量所對(duì)應(yīng)的P值大于0.1，即人腦和獼猴大腦Broca區(qū)與這兩個(gè)感興趣腦區(qū)之間的種間差異較小。其中，人腦Broca區(qū)與h14m區(qū)之間的連接性指紋樣本均值為109，獼猴Broca區(qū)與該區(qū)的連接性指紋均值為101，相差不是很大，可以認(rèn)為人腦Broca區(qū)與獼猴Broca區(qū)與該感興趣腦區(qū)處不存在顯著性種間差異。

表3 左腦Broca44區(qū)獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)結(jié)果Table 3 Independent sample t-test results in Broca44 area of the left brain

圖11以折線圖的形式對(duì)表3中樣本的RCS均值進(jìn)行了展示。從圖中可以看出，人腦左腦Broca44區(qū)在大部分感興趣腦區(qū)處的樣本RCS均值都大于獼猴，這與理論是相符的。這是因?yàn)橛醒芯勘砻鱗23]，對(duì)于一只同樣體重的假想猴子來(lái)講，人腦的大小是它的4.8倍，如果將大腦的大小與大腦中白質(zhì)纖維束的數(shù)量多少聯(lián)系起來(lái)，人腦中同源腦區(qū)之間的白質(zhì)纖維束數(shù)量要多于獼猴。PALOMERO-GALLAGHER et al[24]在其論文中也得出了隨著大腦大小的增加，神經(jīng)元的數(shù)量也增加的結(jié)論。除此之外，由于只有人類(lèi)擁有語(yǔ)言能力，類(lèi)人猿的語(yǔ)言功能與人類(lèi)語(yǔ)言相差甚遠(yuǎn)。如果假設(shè)顯微結(jié)構(gòu)的差異，以及其他解剖學(xué)因素可能是造成非人靈長(zhǎng)類(lèi)動(dòng)物語(yǔ)言能力缺乏的原因，那么這種白質(zhì)纖維束的數(shù)量差異也可能是Broca同源區(qū)在不同物種中具有不同功能的基礎(chǔ)。又因?yàn)楸疚氖鞘褂酶怕世w維束追蹤技術(shù)來(lái)獲取得到不同腦區(qū)之間白質(zhì)纖維束數(shù)量的，所得到的結(jié)果受概率因素的影響，因而在個(gè)別腦區(qū)處出現(xiàn)了猴腦的RCS值大于人腦的情況，但這種情況的出現(xiàn)次數(shù)是非常少的。

表4展示了人和獼猴右腦Broca44區(qū)與10個(gè)目標(biāo)腦區(qū)之間的獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)結(jié)果。從下表可以得出，感興趣腦區(qū)h25的t統(tǒng)計(jì)量P值0.973明顯大于0.1，原假設(shè)成立，即認(rèn)為人腦和獼猴大腦右腦Broca44區(qū)與h25腦區(qū)之間的總體均值不存在顯著差異。然后再根據(jù)樣本的均值情況，人腦右腦Broca44區(qū)與h25腦區(qū)之間的平均RCS為101，獼猴大腦右腦Broca44區(qū)與h25腦區(qū)之間的平均RCS為100，從數(shù)值上確實(shí)發(fā)現(xiàn)兩物種在h25腦區(qū)處的RCS均值十分接近。相比較h25腦區(qū)來(lái)講，右腦Broca44區(qū)在其他感興趣腦區(qū)處的t統(tǒng)計(jì)量P值都小于0.1，即認(rèn)為人腦和獼猴右腦Broca44區(qū)與這些感興趣腦區(qū)的總體連接均值存在顯著差異。

表4 右腦Broca44區(qū)獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)結(jié)果Table 4 Independent sample t-test results in Broca44 area of the right brain

圖12以折線圖的形式對(duì)表4中樣本的RCS均值進(jìn)行了展示。從圖中可以看出，只在感興趣腦區(qū)4處呈現(xiàn)出了猴腦樣本RCS均值大于人腦的情況，在其他感興趣腦區(qū)處都呈現(xiàn)出人腦樣本RCS均值大于猴腦的結(jié)果。

圖12 右腦Broca44區(qū)樣本均值比較Fig.12 Comparison of sample mean values in Broca44 area of the right brain

表5展示了人和獼猴左腦Broca45區(qū)與10個(gè)目標(biāo)腦區(qū)之間的獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)結(jié)果。從下表可以得出，在感興趣腦區(qū)h11m、A8dl/8Bd處所生成的t統(tǒng)計(jì)量的P值小于0.1，在其余感興趣腦區(qū)處的t統(tǒng)計(jì)量的P值大于0.1，這說(shuō)明了人和獼猴左腦Broca45區(qū)的連接性指紋在大部分感興趣腦區(qū)處的總體均值不存在顯著性差異。

表5 左腦Broca45區(qū)獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)結(jié)果Table 5 Independent sample t-test results in Broca45 area of the left brain

圖13以折線圖的形式對(duì)表5中樣本的RCS均值進(jìn)行了展示。從圖中可以看出，只在感興趣腦區(qū)4和9處呈現(xiàn)出了猴腦樣本RCS均值大于人腦的情況，在其他感興趣腦區(qū)處都呈現(xiàn)出人腦樣本RCS均值大于猴腦的結(jié)果。

圖13 左腦Broca45區(qū)樣本均值比較Fig.13 Comparison of sample mean values in Broca45 area of the left brain

表6展示了人和獼猴右腦Broca45區(qū)與10個(gè)目標(biāo)腦區(qū)之間的獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)結(jié)果。從下表可以得出，在感興趣腦區(qū)h32、h14m、h25、TH處所生成的t統(tǒng)計(jì)量的P值大于0.1，在其余感興趣腦區(qū)處的t統(tǒng)計(jì)量的P值小于0.1.

表6 右腦Broca45區(qū)獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)結(jié)果Table 6 Independent sample t-test results in Broca45 area of the right brain

圖14以折線圖的形式對(duì)表6中樣本的RCS均值進(jìn)行了展示。從圖中可以看出，只在感興趣腦區(qū)4、7、9處呈現(xiàn)出了猴腦樣本RCS均值大于人腦的情況，在其他感興趣腦區(qū)處都呈現(xiàn)出人腦樣本RCS均值大于猴腦的結(jié)果。

圖14 右腦Broca45區(qū)樣本均值比較Fig.14 Comparison of sample mean values in Broca45 area of the right brain

2.4 排列置換測(cè)試分析

本文運(yùn)用排列置換測(cè)試對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可信度進(jìn)行分析。該方法基于大量計(jì)算，通過(guò)對(duì)樣本進(jìn)行隨機(jī)排列來(lái)獲取總體特征。本文分別對(duì)人腦和獼猴大腦Broca區(qū)的連接性指紋進(jìn)行了5組排列置換測(cè)試，每組測(cè)試包含100 000次隨機(jī)排列置換操作，最后在90%的置信度水平下，取5組測(cè)試的平均值作為置信區(qū)間。表7對(duì)Broca44區(qū)的排列置換測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了展示。從表7可以得出，人和獼猴左腦Broca44子區(qū)RCS之間的余弦相似度觀測(cè)值為0.973 72，這個(gè)結(jié)果值距離左閾值0.943 44和右閾值0.996 96都比較遠(yuǎn)。人和獼猴右腦Broca44區(qū)的余弦相似度為0.978 98，盡管該測(cè)量值大于左閾值0.976 48，但距離較近，在2.1節(jié)中提到過(guò)兩物種Broca44區(qū)連接性指紋左腦的浮動(dòng)范圍要小于右腦，這與排列置換測(cè)試的結(jié)果是一致的，即左腦Broca44區(qū)的連接性指紋距離值具有較高的可信度?？傮w上來(lái)講，對(duì)于Broca44腦區(qū)，樣本所反映的結(jié)果值具有較高得可信性，有理由相信人腦和獼猴Broca44腦區(qū)之間的連接性指紋差異較小，跨物種擬合程度較高。

表7 Broca44區(qū)排列置換測(cè)試結(jié)果Table 7 Broca 44 area permutation test results

表8對(duì)Broca45區(qū)的排列置換測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了展示。從表8可以得出，人和獼猴左腦Broca45區(qū)的余弦相似度為0.941 18，與左閾值0.912 35和右閾值0.995 22都距離較遠(yuǎn)。人和獼猴右腦Broca45區(qū)的余弦相似度為0.961 72，位于左閾值0.968 75的左側(cè)，即位于置信區(qū)間外，在2.2節(jié)中提到過(guò)兩物種Broca45區(qū)連接性指紋左腦的浮動(dòng)范圍要小于右腦，這與排列置換測(cè)試的結(jié)果是一致的，即左腦Broca45區(qū)的連接性指紋距離值具有較高的可信度。總體上來(lái)講，對(duì)于左腦Broca45腦區(qū)，樣本所反映的結(jié)果可信度較高，有理由相信人腦和獼猴大腦左腦Broca45腦區(qū)之間的連接性指紋差異較小，跨物種擬合程度較高。對(duì)于右腦Broca45腦區(qū)來(lái)講，小概率事件發(fā)生，樣本所反應(yīng)的結(jié)果可信度較低。

表8 Broca45區(qū)排列置換測(cè)試結(jié)果Table 8 Broca 45 area permutation test results

上表顯示右腦Broca45腦區(qū)的余弦相似度值落在閾值以外，即小概率事件發(fā)生，本文認(rèn)為這與Broca45腦區(qū)的分割差異有關(guān)。這是因?yàn)?，PETRIDES et al[6]在其報(bào)告中指出，獼猴大腦的Broca45腦區(qū)又可以進(jìn)一步細(xì)分為頭部(rostral areas，45A)和尾部(caudal area,45B)兩個(gè)子區(qū)，在實(shí)際的腦區(qū)提取過(guò)程中也是按照兩個(gè)子區(qū)分別從腦圖譜中提取出來(lái)的。但是對(duì)于人腦Broca45腦區(qū)來(lái)講，很少有腦模板對(duì)其進(jìn)行分區(qū)，在實(shí)際的提取過(guò)程中也是將其作為一個(gè)腦區(qū)進(jìn)行提取的。因此，對(duì)于人腦Broca45子區(qū)來(lái)講，可能存在與獼猴Broca45區(qū)相似的分區(qū)情況。在接下來(lái)的實(shí)驗(yàn)中，我們希望在Broca45亞區(qū)水平上進(jìn)行腦區(qū)連接結(jié)構(gòu)的差異分析。

3 Broca區(qū)與同源纖維束跨物種比較結(jié)果

3.1 Broca44子區(qū)連接性指紋圖

本小節(jié)利用人腦和獼猴大腦中的同源纖維束重新構(gòu)建了Broca44區(qū)的跨物種連接性指紋圖。

這里選用了39條同源纖維束中的23條來(lái)構(gòu)建Broca44腦區(qū)的跨物種連接模式，這是去除了一些無(wú)用連接和極值連接以后的結(jié)果。其中，無(wú)用連接是指某些同源纖維束與所有被試的Broca44區(qū)之間的概率纖維束結(jié)果值為零，這是沒(méi)有意義的，因?yàn)槿愕慕Y(jié)果并不會(huì)對(duì)最終的余弦相似度距離產(chǎn)生影響，因此將其去掉；極值連接是指某些同源纖維束與大部分被試的Broca44區(qū)之間的概率纖維束結(jié)果值為零，這會(huì)對(duì)最終的連接性指紋距離產(chǎn)生很大的影響，因此將其去掉。

圖15展示了Broca44區(qū)與23條同源纖維束建立起來(lái)的連接性指紋圖，其中折線圖代表了兩物種連接性指紋的變化趨勢(shì)，從圖中可以看出，兩物種Broca44區(qū)在這23條同源纖維束之間的變化趨勢(shì)的一致性很高，這與同源腦區(qū)的結(jié)果是一致的。雷達(dá)圖則展示了人腦和獼猴Broca44區(qū)與每一個(gè)同源腦區(qū)之間的概率纖維束結(jié)果，從中也可以看出兩物種Broca44腦區(qū)在每一個(gè)同源纖維處具有比較相似的輪廓。最終的排列置換測(cè)試結(jié)果也顯示兩物種Broca44區(qū)的連接性指紋距離落在了置信區(qū)間內(nèi)，排除了小樣本概率事件的發(fā)生。

圖15 Broca44區(qū)與同源纖維束之間的跨物種連接模式Fig.15 Cross-species connection pattern between Broca44 region and homologous fiber bundles

通過(guò)將圖15與圖7，圖8進(jìn)行比較，不難發(fā)現(xiàn)，不論使用同源腦區(qū)還是同源纖維束，人腦和獼猴大腦Broca44區(qū)之間的連接性指紋擬合程度都很高，并且結(jié)果是可信的，這說(shuō)明人腦和獼猴大腦在解剖學(xué)下的Broca44同源腦區(qū)也具有相似的結(jié)構(gòu)連接模式，這為利用非侵入式方法來(lái)進(jìn)行跨物種研究提供了依據(jù)。

3.2 Broca45亞區(qū)連接性指紋圖

上一章節(jié)中利用同源腦區(qū)構(gòu)建了Broca區(qū)的跨物種連接模式，結(jié)果顯示右腦Broca45腦區(qū)的余弦相似度結(jié)果位于左閾值之外，即小概率事件發(fā)生。本文認(rèn)為這可能是因?yàn)锽roca45腦區(qū)存在亞區(qū)的關(guān)系。因此，本小節(jié)將人腦的Broca45亞區(qū)提取出來(lái)，并運(yùn)用同源纖維束構(gòu)建了Broca45亞區(qū)的跨物種連接模式。

圖16展示了Broca45a亞區(qū)與16個(gè)同源纖維束之間的連接性指紋圖，這里的16條纖維也是去除了無(wú)效連接和極值連接以后的同源纖維束。從折線圖可以看出人和獼猴Broca45a亞區(qū)與16條同源纖維束之間的變化趨勢(shì)具有較高的一致性，且排列置換結(jié)果也顯示兩物種Broca45a亞區(qū)的連接性指紋距離落在了置信區(qū)間內(nèi)，排除了小樣本概率事件的發(fā)生。

圖16 Broca45a與同源纖維束之間的跨物種連接模式Fig.16 Cross-species connection mode between Broca45a and homologous fiber bundles

圖17展示了Broca45b亞區(qū)與23個(gè)同源纖維束之間的連接性指紋圖，這里的23條纖維也是去除了無(wú)效連接和極值連接以后的同源纖維束。從折線圖可以看出人和獼猴Broca45b亞區(qū)與23條同源纖維束之間的變化趨勢(shì)具有較高的一致性，且排列置換結(jié)果也顯示兩物種Broca45b亞區(qū)的連接性指紋距離落在了置信區(qū)間內(nèi)，排除了小樣本概率事件的發(fā)生。

圖17 Broca45b與同源纖維束之間的跨物種連接模式Fig.17 Cross-species connection mode between Broca45b and homologous fiber bundles

4 結(jié)論

本文從腦區(qū)連接結(jié)構(gòu)存在差異的角度，運(yùn)用概率纖維束追蹤的方法為人腦和獼猴大腦Broca區(qū)構(gòu)建了基于同源腦區(qū)和同源纖維束的連接性指紋圖。在對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析時(shí)，引入了統(tǒng)計(jì)學(xué)的分析方法，得出了人腦Broca區(qū)與獼猴大腦Broca區(qū)的連接結(jié)構(gòu)擬合程度較高的結(jié)論，這為利用非侵入式手段進(jìn)行跨物種比較研究提供了依據(jù)，同時(shí)也為獼猴作為人腦研究的臨床對(duì)象提供了依據(jù)。雖然本文得到了一些研究成果，但仍有一些問(wèn)題和工作需要進(jìn)一步的研究和完善。

本文中所使用的人類(lèi)數(shù)據(jù)與獼猴數(shù)據(jù)都來(lái)源于公共的數(shù)據(jù)集，對(duì)于不同的掃描參數(shù)是否會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成影響尚不清楚。在后續(xù)的實(shí)驗(yàn)中，希望可以手動(dòng)采集數(shù)據(jù)，在采集過(guò)程中嘗試不同的掃描參數(shù)，觀察最終的結(jié)果是否會(huì)有所不同。

本文僅從結(jié)構(gòu)連接的角度對(duì)人腦和獼猴大腦Broca區(qū)進(jìn)行了跨物種差異性分析，并沒(méi)有從多模態(tài)角度[25]去對(duì)Broca區(qū)進(jìn)行跨物種比較分析。后續(xù)的研究還可以從功能連接、示蹤連接等角度對(duì)Broca區(qū)的跨物種一致性進(jìn)行研究，并分析不同模態(tài)之間是否具有對(duì)應(yīng)關(guān)系。

致謝

數(shù)據(jù)(部分)由MGH-USC聯(lián)合會(huì)(主要研究者：BRUCE et al.U01MH093765)提供，由美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院和人類(lèi)連通癥研究所的神經(jīng)科學(xué)研究計(jì)劃資助 基因組計(jì)劃。 美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院(NIH)授予編號(hào)P41EB015896； 工具贊助資金S10RR023043、1S10RR023401、1S10RR019307.