摘要：阿爾茨海默病引起的大腦變化是什么？這些變化與正常老化過程中觀察到的變化有何不同？研究人員通過使用“VolBrain”平臺分析4000多個健康和疾病大腦的MRI掃描來探討這些問題。他們的模型揭示了老年癡呆癥患者40歲時杏仁核和海馬的早期萎縮。
這個研究來自CNRS（法國國家科學(xué)研究中心）、EPHE（法國高等應(yīng)用研究院）和西班牙巴倫西亞大學(xué)的研究人員利用“volBrain”平臺分析了4，000多個健康和病態(tài)大腦的MRI掃描，探討了這些問題。他們的模型，發(fā)表在2019年3月8日版的《Scientific Reports》揭示老年癡呆癥患者40歲時杏仁核和海馬的早期萎縮。
volBrain 是一個在線MRI腦容量測量系統(tǒng)。它的目的是幫助世界各地的研究人員從他們的MRI數(shù)據(jù)中自動獲取腦容量信息，而不需要在他們的本地站點建立任何基礎(chǔ)設(shè)施。
VolBrain以一種完全自動的方式工作，并且能夠提供大腦結(jié)構(gòu)體積，而不需要任何人類交互。VolBrain鼓勵全球的科研人員使用該系統(tǒng)。為了在所有用戶之間共享有限的計算資源，每個用戶每天可以提交的案例數(shù)量限制在10例。評估版本的VolBrain是免費的非商業(yè)和非醫(yī)療目的。這一免費平臺由CNRS、波爾多大學(xué)和西班牙巴倫西亞大學(xué)開發(fā)，研究人員能夠上傳結(jié)構(gòu)核磁共振文件，并在非常短的時間內(nèi)獲得對掃描腦結(jié)構(gòu)體積的自動分析。自2015年創(chuàng)建以來，已為全球2 500多名用戶分析了110 000多個腦磁共振成像。
阿爾茨海默病的特征是大腦的變化，其中一些變化可以用生物標(biāo)記物來測量，比如大腦不同區(qū)域的大小。對這些生物標(biāo)記物的研究表明，在老年癡呆癥出現(xiàn)之前，某些腦結(jié)構(gòu)在老年癡呆癥出現(xiàn)之前就會萎縮。然而，關(guān)鍵的問題仍然存在：
健康受試者和阿爾茨海默氏癥患者在這些生物標(biāo)記物上的變化是什么時候以及如何變化？
為了回答這些問題，科學(xué)家們利用volBrain平臺處理了4000多個核磁共振掃描來追蹤整個生命周期的大腦變化和活動。在此之前，科學(xué)家沒有涵蓋阿爾茨海默病患者生命的每一個時期的圖像。研究人員建議用大量樣本對不同結(jié)構(gòu)體積中的變化進行建模，以確定健康的大腦隨時間的變化與患病的大腦之間的差異。
基于對2944名9個月至94歲健康對照者的MRI掃描，研究小組建立了一個大腦平均變化的“正常”模型，并與1385名55歲以上老年癡呆癥患者和1877名年輕對照者的病理模型進行了比較。他們的結(jié)果顯示病理模型與40歲前海馬和40歲左右杏仁核衰老的正常軌跡存在早期差異。這兩種結(jié)構(gòu)在老年癡呆癥的存在下都會出現(xiàn)萎縮。
這個研究還屬于早期。未來我們期待更多的結(jié)果，更加詳細(xì)地告訴我們大腦逐漸變化的過程。
VolBrain這個工具還是非常有價值的。也許中國也可以在這方面做一些投資，通過數(shù)據(jù)為全人類的大腦研究做貢獻。
健康的人腦含有800-1000億個神經(jīng)元(通過電和化學(xué)信號處理和傳遞信息的專門細(xì)胞)。它們在大腦的不同部位之間傳遞信息，從大腦發(fā)送到身體的肌肉和器官。阿爾茨海默病破壞神經(jīng)元之間的通訊，導(dǎo)致功能喪失和細(xì)胞死亡。
大多數(shù)神經(jīng)元有三個基本部分：細(xì)胞體、多樹突和軸突。
細(xì)胞體包含細(xì)胞核，其中包含所有的基因。細(xì)胞體指導(dǎo)和調(diào)節(jié)細(xì)胞的活動。
樹突是分支狀結(jié)構(gòu)，從細(xì)胞體延伸而來，并從其他神經(jīng)元收集信息。
軸突在樹突對面的細(xì)胞體的末端是一個電纜狀的結(jié)構(gòu)，并將信息傳遞給其他神經(jīng)元。
神經(jīng)元的功能和存活取決于幾個關(guān)鍵的生物過程：
交流
神經(jīng)元經(jīng)常與鄰近的腦細(xì)胞接觸。當(dāng)一個神經(jīng)元接收到來自其他神經(jīng)元的信號時，它會產(chǎn)生一種電荷，電荷沿著軸突傳播，并通過一個稱為突觸的微小間隙釋放神經(jīng)遞質(zhì)化學(xué)物質(zhì)。就像鎖上的鑰匙一樣，每個神經(jīng)遞質(zhì)分子結(jié)合到附近神經(jīng)元樹突上的特定受體位點。這個過程觸發(fā)化學(xué)或電信號，刺激或抑制接受信號的神經(jīng)元的活動。交流經(jīng)常發(fā)生在腦細(xì)胞網(wǎng)絡(luò)之間。事實上，科學(xué)家估計，在大腦的通訊網(wǎng)絡(luò)中，一個神經(jīng)元可能與其他神經(jīng)元有多達(dá)7000個突觸連接。
新陳代謝分解細(xì)胞內(nèi)的化學(xué)物質(zhì)和營養(yǎng)物質(zhì)。這個過程對健康的細(xì)胞功能和生存至關(guān)重要。為了發(fā)揮這一功能，細(xì)胞需要氧氣和葡萄糖形式的能量，這些能量由血液向大腦提供。大腦是任何器官中最豐富的血液供應(yīng)之一，它消耗的能量高達(dá)人體能量的20%-比任何其他器官都要多。
人體中的大部分細(xì)胞壽命相對較短。而神經(jīng)元可以在人體存活100多年。但是，神經(jīng)元必須不斷地自我維護和修復(fù)。神經(jīng)元也會不斷地調(diào)整或“重塑”它們的突觸連接。這種調(diào)整和重塑過程取決于它們從其他神經(jīng)元得到多少刺激。例如，它們可能加強或削弱突觸連接，甚至破壞與一組神經(jīng)元的連接，并與另一組神經(jīng)元建立新的連接。成年人的大腦可以產(chǎn)生新的神經(jīng)元 – 神經(jīng)再生。突觸連接的重塑和神經(jīng)再生對學(xué)習(xí)、記憶和可能的腦修復(fù)都很重要。
神經(jīng)元是中樞神經(jīng)系統(tǒng)的主要參與者，但其他類型的細(xì)胞也是健康大腦功能的關(guān)鍵。事實上，膠質(zhì)細(xì)胞是大腦中數(shù)量最多的細(xì)胞，比神經(jīng)元數(shù)量多出10比1。這些細(xì)胞以各種形式出現(xiàn)-如小膠質(zhì)細(xì)胞、星形膠質(zhì)細(xì)胞和少突膠質(zhì)細(xì)胞-包圍和支持神經(jīng)元的功能和健康。例如，小膠質(zhì)細(xì)胞保護神經(jīng)元免受物理和化學(xué)損傷，并負(fù)責(zé)清除大腦中的外來物質(zhì)和細(xì)胞碎片。為了實現(xiàn)這些功能，膠質(zhì)細(xì)胞經(jīng)常與大腦中的血管協(xié)同工作。神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞和血管細(xì)胞共同調(diào)節(jié)大腦內(nèi)部的微妙平衡，以確保其功能處于最佳狀態(tài)。
神經(jīng)元細(xì)胞連接喪失與細(xì)胞死亡
在阿爾茨海默病中，當(dāng)神經(jīng)元在整個大腦中受到損傷和死亡時，神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)之間的聯(lián)系可能會中斷，許多大腦區(qū)域開始萎縮。在阿爾茨海默氏癥的最后階段，這種叫做腦萎縮的過程廣泛存在，導(dǎo)致大量腦體積的喪失。
參考文獻
http://volbrain.upv.es/
https://www.sciencedaily.com/releases/2019/03/190308102129.htm
Pierrick Coupé, José Vicente Manjón, Enrique Lanuza, GwenaelleCatheline. Lifespan Changes of the Human Brain In Alzheimer’s Disease. ScientificReports, 2019; 9 (1) DOI: 10.1038/s41598-019-39809-8
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