我们的大脑是独特的雪花，会在我们的一生中改变形状。然而，隐藏在个体差异之下的是一条共同的线索，大脑在童年时期迅速增长，然后随着年龄的增长缓慢下降。
但这只是一个普通大脑一生的粗略草图。我们缺少什么？
一个国际科学家团队刚刚通过一个名为 BrainChart 的非凡项目为我们提供了第一个答案。在上周发表在《自然》杂志上的一项巡回研究中，他们结合了近 125,000 次脑部扫描，涵盖了从出生前到死亡的整个人类生命周期。最小的样本是受孕后 15 周；最年长的，百岁老人。
这些数据共同描绘了人类一生中大脑旅程的动画画面。它以前所未有的细节记录了“平均”大脑如何随着年龄增长、成熟和衰退，并将平均过程与阿尔茨海默氏症等疾病患者的平均过程进行了比较。更令人印象深刻的是，这项研究接受了——而不是消除了——个体差异。结果不是描绘大脑生长轨迹的一条整齐的线，结果更像是同一方向的多个草图——每一个都是独一无二的，但共同构成了大脑发育亮点的详细草图。
“通过非常一致的全球努力，我们能够做的一件事就是将整个生命周期的数据拼接在一起。它使我们能够测量大脑中发生的非常早期、快速的变化，以及随着年龄的增长而长期、缓慢的衰退，”剑桥大学的理查德伯利恒博士说，他是这项研究的共同领导者。
目前，这些图表主要用于研究，因此各个团队可以挖掘宝库以发现任何年龄的微小变化——例如，寻找自闭症、痴呆或其他神经系统疾病的警告信号。作为引导科学家前进的第一步，这些图表已经有 165 个不同的诊断标签。
即使在如此大规模的情况下，这些图表也只是第一版。整个工作都是开源的（你可以在这里查看），发布的工具允许其他贡献者将他们的大脑扫描数据与图表相匹配。
“你可以想象它们被用来帮助评估筛查阿尔茨海默氏症等疾病的患者，例如，让医生通过比较患者脑容量与同龄人相比的变化速度来发现神经退行性变的迹象，”伯利恒说。
大脑生长图
我们大多数人都记得这一点：我们的背靠墙站立，而父母则在标记我们的身高。
这是一种追踪孩子成长的经典方法，虽然技术含量很低。在 18 世纪后期，个体的生长线被整合到生长图表中，作为衡量儿童发育轨迹的标准指标，其中体重、身高和头围是关键指标。
技术已经走过了漫长的道路。忘记在头部周围缠绕卷尺。我们现在拥有强大的 MRI（磁共振成像）扫描仪，可以直接窥探大脑的结构。脑图现在是一角钱，从将基因表达与脑结构联系起来的图，到可以帮助推动人工智能走向更像大脑的计算的纳米级重建。
缺乏的是涵盖我们整个生命周期的大脑解剖结构的生长图。
这对充满活力的二人组与宾夕法尼亚大学的 Jakob Seidlitz 博士合作，决定开展一个几乎不可能的项目：BrainChart，这是一个标准化的开源数据库，用于在我们 100 年的生命周期中进行 MRI 脑部扫描。与生长图表类似，BrainChart 将作为解决大脑发育和衰老障碍的参考。
“这应该有效地让神经科医生回答这个问题’这个区域看起来不典型但有多少不典型？’”伯利恒解释道。
大脑遇上超级计算机
脑部扫描很棘手。取决于扫描仪硬件、处理软件以及使每张图像独一无二的十几个其他因素，任何给定的大脑看起来都可能略有不同。翻译？它们融合在一起是一场噩梦，尤其是在处理数十万张图像时。这就像试图将相似的照片拼凑在一起，但每张照片都是用不同的相机、曝光设置、照明条件和分辨率拍摄的。什么是真实数据，什么是噪音？
该团队首先利用了世界卫生组织 (WHO) 推荐的名为 GAMLSS 的软件框架。该框架有助于引导非线性数据——也就是说，数据并不总是随时间变化，这非常适合大脑的生长轨迹。
然后是整合脑部扫描的棘手业务。从大约 100 项研究中提取，该团队将 MRI 数据映射到大脑中的四个主要地标。有些是经典的，例如灰质的总体积——在 MRI 扫描中呈较深灰色阴影的神经元体——和白质，它们的柳枝。就像一个使用面部特征将截然不同的面孔混合在一起的应用程序一样，这些设定点帮助团队标准化了所有数据。
在大约 200 万小时的计算时间里，它消耗了令人瞠目结舌的超级计算能力。 “如果没有访问剑桥的高性能计算集群，这真的是不可能的，”Seidlitz 说。
一些令人惊讶的趋势立即出现。大脑中的灰质数量猛增，直到人们大约六岁时，它开始以“接近线性的方式”下降。作者说，该峰值比之前通过小型研究观察到的晚了三年多。大脑深处的灰质是记忆和情绪的枢纽，在下降之前一直膨胀到大约 15 岁。
相比之下，白质体积——形成神经网络的扭曲分支——在人们 20 多岁时达到顶峰，在 50 岁时急剧下降。研究更深入，研究小组发现与白质相比，灰质的数量发生了急剧变化。大脑从出生的第一个月到大约三年。研究小组说，这是以前的研究没有发现的拐点。
跳到诊所？
在建立了一个终生健康的参考大脑后，该团队接下来绘制了患有脑部疾病的人的脑部扫描图。每场比赛都有一个分数，以显示它们与图表的接近程度，分数越高意味着与典型的大脑发育和衰老轨迹的偏差越大。
总体而言，阿尔茨海默病表现出最大的差异。这并不奇怪——在后期，这种疾病会吞噬大脑中控制记忆的部分神经元。这种差异在女性患者的灰质体积上尤为突出。其他偏离的集群包括精神分裂症、情绪和焦虑症。
比赛非常可靠。研究小组表示，在所有生命阶段，“无论诊断类别如何”，脑部疾病患者的得分仍然较高。
这并不是说 BrainChart 已准备好用于临床。作者解释说，即使使用传统的成长图表，当涉及到任何个别孩子时，我们也需要考虑重要的警告和细微差别。由于大脑的复杂性，大小并不一定总是与功能相关，并且“需要大量的进一步研究来验证脑图的临床诊断效用。”
通过在线发布带有相应软件的数据集，团队希望进一步构建项目。目前，这些数据来自欧洲血统的人，他们经常对世界其他地区视而不见。
“这是建立神经影像标准化参考图表的第一步。这就是为什么我们建立了网站并创建了一个庞大的合作者网络。随着新数据的出现，我们希望不断更新图表并在这些模型的基础上进行构建，”Seidlitz 说。