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中國(guó)科學(xué)院神經(jīng)科學(xué)研究所 王征磁共振技術(shù)的應(yīng)用分析

近幾年來(lái)，機(jī)器學(xué)習(xí)在人工智能、互聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域取得了突破性進(jìn)展，也越來(lái)越多地應(yīng)用于解決生物醫(yī)學(xué)問(wèn)題。與此同時(shí)，磁共振成像技術(shù)已經(jīng)在臨床與基礎(chǔ)研究中廣泛應(yīng)用于獲取蘊(yùn)含大腦結(jié)構(gòu)與功能信息的聯(lián)接圖譜（毫米尺度）。使用機(jī)器學(xué)習(xí)分類算法不僅可以辨別正常人和病人大腦圖譜中內(nèi)在的、帶有判別信息的生物標(biāo)記，也可以分析臨床精神類藥物和安慰劑對(duì)大腦活動(dòng)干預(yù)的差別性生物標(biāo)記。

實(shí)際上從2002年開(kāi)始，先后有七項(xiàng)諾貝爾獎(jiǎng)與磁共振影像技術(shù)相關(guān)。那么在磁共振影像技術(shù)目前在臨床上已經(jīng)得到非常廣泛的應(yīng)用，從圖1可以看到，基本上涵蓋了人們身體的各個(gè)部位，所有可能的檢查，都可以用磁共振這項(xiàng)技術(shù)完成。

美國(guó)在2010-2015年之間，就進(jìn)行了以磁共振成像技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用為主體的“人類聯(lián)結(jié)組計(jì)劃”。在中國(guó)，從2012年起，中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)（B類）“腦功能聯(lián)結(jié)圖譜”，郭愛(ài)克院士和張旭院士任首席科學(xué)家，蒲慕明院士任首席科學(xué)顧問(wèn)；2015年，國(guó)際前沿發(fā)展和國(guó)家戰(zhàn)略需求，經(jīng)科學(xué)院頂層設(shè)計(jì)，“腦功能聯(lián)結(jié)圖譜與類腦智能研究”，譚鐵牛院士任類腦智能研究首席科學(xué)家。

圖1　磁共振技術(shù)在臨床上的應(yīng)用

腦聯(lián)結(jié)圖譜實(shí)際上分為好幾個(gè)層面，如微觀或介觀尺度的腦聯(lián)結(jié)圖譜。過(guò)去20多年的發(fā)展，磁共振既可以做技術(shù)，又可以做功能。它本身是一個(gè)多模態(tài)的技術(shù)，我們從結(jié)構(gòu)和功能出發(fā)，形成一個(gè)全能網(wǎng)絡(luò)，一個(gè)圖譜，并把它從數(shù)學(xué)上轉(zhuǎn)化出來(lái)，成為一個(gè)矩陣——腦矩陣。

在談及聯(lián)結(jié)圖譜的應(yīng)用時(shí)，首先需要了解什么是大腦靜息狀態(tài)。當(dāng)人們被推送到機(jī)器里時(shí)，會(huì)被要求什么都不要干不要想，閉上眼睛，這時(shí)候會(huì)出現(xiàn)一種非常有意思的現(xiàn)象，那就是即使你什么都不做，大腦的不同腦區(qū)之間，仍然存在一種通信信號(hào)。腦功能聯(lián)結(jié)圖譜可被用于研究腦疾病。例如，基于獼猴磁共振腦功能聯(lián)接圖譜數(shù)據(jù)，辨別了快速抗抑郁藥物氯胺酮和安慰劑對(duì)大腦功能網(wǎng)絡(luò)調(diào)控的特征，有助于深入理解氯胺酮的抗抑郁機(jī)理。研究人員還應(yīng)用此算法分析臨床重度強(qiáng)迫癥病人和正常對(duì)照人群的腦功能聯(lián)接圖譜，挖掘了與強(qiáng)迫癥病理相關(guān)的判別性神經(jīng)環(huán)路特征，這將有助于推動(dòng)磁共振影像學(xué)結(jié)果用于精神類疾病的臨床診斷。

實(shí)驗(yàn)室近期的工作集中在發(fā)展利用腦圖譜中內(nèi)在隱含的結(jié)構(gòu)化信息，提出了一種最小化結(jié)構(gòu)正則損失函數(shù)的方式，使得機(jī)器學(xué)習(xí)算法在求解過(guò)程中更加自動(dòng)傾向于定位出具有特定結(jié)構(gòu)的判別信息，同時(shí)過(guò)濾與生物噪音等相關(guān)的孤立特征。在此基礎(chǔ)上，實(shí)驗(yàn)室進(jìn)一步運(yùn)用矩陣反卷積等運(yùn)算來(lái)模擬臨床神經(jīng)調(diào)控技術(shù)對(duì)大腦功能的調(diào)節(jié)作用，期望對(duì)臨床精神類疾病的診斷與治療提供更深入的影像學(xué)指導(dǎo)證據(jù)。

（本文整理自中國(guó)科學(xué)院神經(jīng)科學(xué)研究所研究員王征在第四屆中國(guó)科研信息化發(fā)展研討會(huì)上的演講“ 海量磁共振全腦影像數(shù)據(jù)的深度挖掘分析”）