绘制个体化脑网络图谱如何为神经外科赋能

大立

为了在神经外科中实现最佳的肿瘤功能平衡，更全面地了解大脑解剖结构和功能至关重要。

脑网络为一系列人体功能提供支持，其中许多功能与神经外科手术后的缺陷重叠。

个体化脑图谱可以清晰呈现每位患者的脑网络和纤维束，为术中导航和术前制定手术计划提供实用的解决方案。

介绍

人们普遍认为，延长肿瘤患者生命的最大机会来自最大限度切除手术。然而这些方法也被证明会导致手术后患者的毁灭性和不可预测的功能后果。这些后果在很大程度上可以通过对大脑网络的偶然或必要的损害来解释：大脑功能区域的连接组。个体化脑图谱是一种能够在手术前定位这些脑网络的技术，并进一步评估其术后组成，以更好地了解个别患者术后恢复情况。

从概念上讲，脑网络起源于 20 多年前的学术研究，其中默认模式网络 (DMN)——负责静止意识的网络——最先被发现。通过持续的研究和学术洞察，我们现在了解到独特的脑网络在一系列执行功能中发挥着关键作用，包括运动（感觉运动网络）、认知（中央执行网络）和视觉（视觉系统）功能等。

尽管脑网络在学术界有着悠久的历史，但对它的理解很少能应用到外科手术中，这主要是因为无法可靠地确定它们在某个患者身上的具体位置。个体化的脑图谱消除了这一障碍，第一次将学术理解的前沿带入了临床相关领域。

是什么让个体化脑图谱更加“个性化”

对大脑解剖学的现代理解来自于2016年的人类连接组项目，这是一个多位点、多学科的项目，其绘制了一个由每个半球180个区域组成的脑图谱。后来，Baker、Briggs 和 Sughrue在他们的《Connectomic Atlas of the Human Cerebrum》中使用了他们的命名法来定义每个大脑的主要网络。这个图谱既足够精细，可以识别每个大脑区域的离散功能，又足够简单，可以在机构之间进行讨论和应用，从而为讨论大脑解剖学提供了一种通用语言。


个体化的脑图谱工作原理是将图谱中描述的每个功能区域在个体中的位置可视化，而不是假设一个单一的原型图谱适用于所有情况。通过使用机器学习方法来处理大脑数据，个体化的脑图谱可以生成每个脑功能区域和连接它们的纤维束的独特解剖图，而不考虑脑回折叠模式、颅内容量或结构病理的变化。Doyen等人的工作及其结构连通性图谱(SCA)对进行个体化的脑图谱的方法进行了深入描述，可以总结为:

1. 生成连接组信息：使用弥散加权成像 (DWI) 数据训练机器学习算法，以确定白质束如何连接健康个体的每个图谱区域（结构性连接）

2. 收集患者数据：收集和处理患者DWI数据，追踪其个体白质束的位置、分布和终止点。

3.模型应用：将患者DWI数据输入到(1.)中训练的算法中，该算法在患者空间中重新创建图谱，根据患者白质束的分布和连接方式标记出区域位置。



图 1. 个体化脑图谱方法（结构性连接图谱/SCA）的示意图描述。通过使用健康大脑数据生成机器学习算法，个体化脑图谱旨在创建复杂大脑图谱的特定于患者的表示。

个体化脑图谱如何为神经外科决策提供信息

个体化脑图谱结合了一种促进其在手术环境中使用的方法。首先，可视化和自由分区命名的脑网络和相关纤维束对于规划手术路径非常重要。此外，个体化脑图谱为外科医生带来了：1) 术前手术病理中大脑网络参与的更清晰，2) 术中结构上告知最大安全切除的能力，最重要的是，3) 增强了对潜在术后后果的预测，为患者提供更完整的知情同意书。

脑网络的参与情况
对患者大脑网络的术前评估让外科医生能够全面了解病理学如何影响功能性脑网络。这些网络的损坏会导致它们支持或表现出全新的认知或神经精神障碍的功能缺陷。

以三个主要的认知大脑网络——中央执行（CEN）、默认模式（DMN）和突显网络（SN）为例。CEN 驱动目标导向行为，相反，DMN 在被动的思维状态和休息时激活。日常生活中这两个网络之间切换的平衡由 SN 调节。

不出所料，这些主要网络之间的神经束受损或断开会导致高级认知能力受损，并导致与精神分裂症、抑郁症和焦虑症相关的症状。术前使用个体化脑图谱可以告知神经外科医生这些网络的精确位置和参与情况，以及其他在患者病理中的情况，从而使他们能够相应地制定手术计划，在手术期间避开和找到这些网络。

最大化安全切除
通过个体化脑图谱产生的精确的解剖可视化使神经外科医生能够寻求安全的最大切除。由于他们通过连接功能性灰质区域的纤维束获得信息，外科医生不仅可以使用个体化脑图谱来查看肿瘤部位与功能性脑组织的侵袭位置，而且还可以了解手术前相邻的灰质是否已经因肿瘤的存在而受损。

这些信息不仅告诉外科医生在手术中应该避开哪些仍在工作的神经束和网络，而且还告诉外科医生哪些已经受损的组织可以安全地切除，而不会导致更严重的术后症状。

更完善的患者知情
自20世纪40年代以来，知情同意法的诞生确保了患者能够充分了解颅内手术的潜在风险因素。通过显示大脑网络的位置及其与结构损伤相关的连接，个体化脑图谱使神经外科医生能够直接向患者展示在何处以及为何进行选定的手术策略会导致术后缺陷。

一些病例表明，患者在手术后醒来时出现了原因不明的缺陷，这是由于手术方法损坏了核心脑网络的组成部分。在这些情况下，最重要的是让患者意识到他们的缺陷与大脑结构和功能的变化有何关系——个体化脑图谱使这成为可能。



图 3. 解决结构病理学周围功能区域的个体化脑图谱。

结论

Omniscient Neurotechnology（曦嘉医疗） 的 Quicktome 软件提供了个体化脑图谱解决方案，可通过收集基本的 MRI 扫描序列进行访问。通过将解剖和弥散加权成像序列加载到 Quicktome 中，神经外科医生可以查看和分离与患者结构病理学或症状特征相关的单个脑网络和神经纤维束，或利用内置的预选工具分离出大脑的任何主要脑叶的损伤。

由Quicktome生成的个体化脑图谱很容易与现代PACS系统集成，为神经外科医生在他们选择的手术路径之前、期间和之后提供可操作的洞察。

翻译、编辑：Iris Lau

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