《Neuroscience Informatics》：Age-Related Changes in Brain Fiber Pathways Based on Directional Decomposition of DTI Tractograms
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本研究针对传统DTI标量指标难以揭示脑白质纤维方向特异性老化模式的局限，利用方向性分解技术对200名不同年龄段受试者的纤维束成像数据进行分析。研究发现不同脑区纤维束在上下、前后等方向存在特异性年龄相关变化，揭示了脑干结构的稳定性及小脑通路的不对称性，为神经退行性病变的早期诊断和脑刺激治疗提供了新的生物标志物和结构基础。
随着全球人口老龄化趋势加剧，理解大脑如何随年龄增长而变化已成为神经科学领域的核心议题。传统结构性磁共振成像技术，如T1和T2加权成像，能够清晰显示大脑的解剖结构，区分灰质、白质和脑脊液，在诊断脑肿瘤、阿尔茨海默病和帕金森病等神经系统疾病中发挥着关键作用。然而，这些技术有一个明显的局限：它们无法揭示大脑内部神经纤维的走向和组织方式。这些由定向轴突构成的神经纤维，如同信息高速公路，负责大脑不同区域之间以及大脑与身体之间的信息传递。为了填补这一空白，Basser等人于1994年引入了弥散张量成像技术。DTI通过测量水分子在脑组织中的扩散方向性，使得重建支持神经通讯的轴突通路成为可能，从而为了解大脑连接性提供了独特的视角。
近年来，纤维束成像技术被广泛用于追踪神经纤维轨迹并刻画脑区之间的结构连接。基于DTI数据，该技术能够沿着局部水扩散的方向，从种子点开始传播流线——一种数学上表示的纤维轨迹，从而重建出神经纤维通路或称纤维束。尽管DTI和纤维束成像取得了长足进步，但在研究神经纤维组织的年龄相关性变化以及群体水平的DTI数据分析方面，仍存在一些局限性。先前的研究大多集中于区域体积、分数各向异性和平均扩散率等标量指标，很少有研究尝试将区域纤维束图谱分解为方向性成分。更重要的是，这些方向性成分在不同年龄组中如何变化尚未得到充分关注。特别是，与年龄相关的方向性纤维束组织的改变仍未被充分理解，这一知识缺口构成了阐明大脑老化机制以及区分健康老化与病理变化的主要挑战。此外，许多群体水平的DTI研究样本量有限，这可能影响研究结果的普适性。
为了更深入地揭示大脑老化的微观结构基础，来自日本名古屋工业大学电气与机械工程系的My N. Nguyen、Yoshiki Kubota和Akimasa Hirata组成的研究团队，在《Neuroscience Informatics》上发表了一项研究，题为“基于方向性分解DTI纤维束图的脑纤维通路年龄相关性变化”。该研究创新性地采用了一种名为“方向性分解”的方法，对来自200名年龄跨度20至86岁受试者的DTI纤维束成像数据进行了细致分析，旨在揭示不同脑区纤维通路在特定方向上的年龄相关性变化模式，这些模式是传统标量指标无法捕捉的。
研究人员为开展此项研究，主要应用了几项关键技术。首先，研究利用了公开的IXI数据集中的DTI数据，该数据集包含400名受试者的影像资料，本研究从中筛选了200名符合条件者。其次，研究在个体水平和群体水平两个层面进行了纤维束成像分析。在个体水平，对每位受试者的DTI图像进行预处理后，使用DIPY库进行确定性纤维束追踪，并在四个感兴趣区（包括脑白质、小脑、丘脑和脑干）内进行。关键技术突破在于“方向性分解”，即根据每条纤维束流线的主导空间方向（左-右、前-后、上-下或混合方向）将其分类。在群体水平，将所有受试者的数据通过可变形配准技术对齐到一个公共空间，生成组平均DTI图像，并在此基础上进行纤维束追踪和方向分解，以识别跨个体一致的纤维束模式。
3.3. 个体水平分析
研究人员首先在个体受试者水平上分析了四个感兴趣区内的纤维束密度。结果显示，脑干和丘脑的纤维束密度最高，平均值分别达到112.9和110.0条纤维束/立方厘米。而小脑则表现出最大的个体间变异性。在纤维束数量与年龄的相关性分析中，研究发现了具有方向特异性的变化规律。在大脑白质区域，纤维束总数随年龄增长而减少，尤其是沿上-下方向和前-后方向的纤维束下降最为显著。在丘脑区域，情况更为复杂：前-后和上-下方向的纤维束减少，而左-右和混合方向的纤维束反而增加，导致总纤维束数量呈现中度下降。脑干区域总体上表现出随年龄变化的稳定性，总纤维束数量未见显著变化，但其非主导方向的纤维束（如前-后方向减少，左-右和混合方向增加）也发生了轻微重组。
3.4. 群体水平分析
在群体水平上，研究人员通过将不同年龄组（≤40岁年轻组、41-60岁中年组、>60岁老年组）的数据进行平均和可视化，进一步揭示了纤维束的组成和空间分布特征。在纤维束组成方面，脑干中约60%的纤维束沿上-下方向走行，反映了如皮质脊髓束这样的长程垂直通路。小脑中约64%的纤维束沿前-后方向分布。丘脑的纤维束呈现出双叶状结构，上-下方向的纤维束形成外侧外层包裹着内部的前-后方向纤维束。研究还观察到小脑后外侧区域的纤维束存在不对称性。典型受试者和群体纤维束图均显示，与小脑语言功能相关的右侧通路比与视觉空间处理相关的左侧通路更为一致和稳定。此外，群体纤维束图显示左侧小脑存在一个局部空缺，暗示该区域的纤维束在个体间差异较大，这也解释了小脑为何具有较高的个体间变异性。
研究的讨论部分对上述发现进行了深入阐释。基于200名大样本量的分析，其结论比早期小样本量研究具有更强的普适性。方向性纤维束分解方法的引入，揭示了传统FA或MD等标量指标无法捕捉的结构变化，为理解年龄相关的纤维束重组提供了互补性新视角。脑干具有最高的纤维束密度，且主要由上-下方向的皮质脊髓束构成，这种紧密的组织结构很可能解释了该区域为何在老化过程中相对稳定，这与先前多项研究报道一致。丘脑作为感觉、运动和认知信号的中继站，其总纤维束数量的减少与已知的年龄相关功能下降相符，而方向特异性变化（某些方向减少，另一些方向相对增加）则提示了更为细微的结构改变模式，可能对应于特定的丘脑功能障碍。大脑白质纤维束的总体减少，特别是沿前-后和上-下方向的显著下降，与已知的投射纤维和联络纤维（如皮质脊髓束、下额枕束）的退化相一致。小脑在60岁后表现出明显的纤维束减少，尤其在外层区域，且其 posterolateral 区域的纤维束不对称性与该区域偏侧化的功能（右半球与语言、左半球与视觉空间处理）相呼应，这可能为解释老年人平衡、步态和认知功能下降提供了结构基础。
该研究对方向性纤维束组织的刻画具有多重潜在应用价值。例如，区域和方向特异性的纤维束改变模式可作为敏感的生物学标志，用于阿尔茨海默病、帕金森病等神经退行性疾病的早期检测和风险评估。像脑干这样年龄稳定的区域，可为纵向神经影像研究提供可靠的配准参考。在脑刺激治疗领域，目前基于MRI的均匀或非均匀电导率图通常是标量的，整合方向性纤维束信息则有望构建各向异性电导率图，从而更准确地反映白质信号通路，为提高经颅脑刺激的靶向性和精度提供结构基础。
当然，本研究也存在一些局限性，例如其横断面设计可能受到队列效应的影响，依赖单一数据集限制了结果的普适性，以及纤维束长度阈值和方向优势阈值的选择对结果可能产生的影响。但研究人员指出，受试者在年龄、种族和性别上的多样性，以及方向性变化模式在不同阈值下的稳定性，在一定程度上支持了研究发现的可靠性。
综上所述，这项研究通过创新性的方向性纤维束分解方法，深入揭示了大脑白质通路在老化过程中复杂而特异性的变化模式。特别是在丘脑和脑干中观察到的方向特异性改变，为理解大脑老化机制提供了新的见解。研究识别出的脑干稳定性、小脑通路不对称性及特定区域的脆弱性，为神经退行性疾病的早期诊断和风险评估提供了强有力的候选生物标志物。同时，该研究在脑连接组学参考图谱构建和精准脑刺激技术优化方面也展现出广阔的应用前景。总之，本研究不仅引入了研究大脑老化的新方法学，也展示了其潜在的转化医学价值。
