作者：章翔，毛星刚，空军军医大学西京医院神经外科
脑科学，特别是基于网络科学的脑科学，已成为医学中最前沿的科学领域之一。近年来人工智能的快速发展，促使人们进一步深入理解大脑的运作机制。神经外科采用手术的方式治疗脑部疾病，在手术过程中，往往需采用现代化的各种技术检测大脑功能区的精确位置，从而达到避免手术风险和提高安全性的目的。同样，这种功能区的精确检测，也反映了对大脑功能的直接观察和研究的手段，以促进脑科学的研究进步并提供最直接的数据。由此可以认为，对脑科学的深入研究推动了神经外科学技术的进步，并创建了不可替代的特殊条件。
1. 神经外科学的发展
神经外科学的发展大致经历了经典神经外科、显微神经外科和微创神经外科三个阶段。传统神经外科的手术理念是建立在对结构解剖的充分认识和发展之上，其后借助显微、内窥镜及技术的进步，逐步发展到如今的微创神经外科学。
大脑具有复杂的三维形态，且位于坚硬的颅腔内。因而，如何充分暴露病变位置，一直是神经外科学需要重点解决的技术问题。此基本问题被称之为手术入路，这一直是神经外科的重点之一。选择良好的手术入路在一些特殊的病变中，甚至对术后好的效果起到了决定性的作用。
例如，对于颅底区的病变，病损常位于大脑的底部和复杂颅底结构之间，这里密集分布了血管(由前循环和后循环组成的Willis环及各分支)、大部分的颅神经等。因而需要对解剖结构有着细微的认识，这就需要设计良好的手术入路，以便能够顺利地达到病灶部位，避免损伤脑结构和重要的神经及血管。
在颅底层面，根据颅底的骨性突起(如蝶骨小翼和岩骨嵴)，进一步将颅底分为前、中、后颅窝。由于这些特点，在神经外科手术中，常打开一个很小的手术通道，用于病变的显露和切除。在如此小的通道中，要很精准地处理复杂的病变，必须要有良好的视野。也基于此，显微和内窥镜的发展对神经外科手术起到了关键性的作用。在显微或神经内窥镜的高倍数放大下，才使得各类结构得以清晰显示，从而可在手术中处理多种细微的脑结构与神经和血管组织。
在上述的颅底神经外科中，其关键点之一是对大脑组织的保护，应避免术中牵拉或损伤脑组织。为达这一目的，需要打开深部的组织、切开特定部位的颅骨。这是因为大脑组织是人体最重要的器官之一，因此要尽量避免对脑组织的直接骚扰，从而最大程度地降低手术的风险。
另一类神经外科手术面临的病变位于大脑实质内，这包括各类起源于大脑组织的恶性肿瘤，如胶质细胞瘤、转移瘤、脑室管膜瘤等。这类手术不可避免地要直接触及大脑(或小脑、脑干)组织，并在脑组织上打开手术通道。因此，这就面临了脑科学中最核心的问题之一：大脑功能的实现机制是什么?每个部位都负责什么功能?哪些部位的脑组织是可以切割的?这就自然引出了大脑分区的概念。大脑分区也成为神经科学及神经外科学至关重要的一项工作。
长期以来，研究者一直在努力结合微观、宏观结构或连接特征等多维度征象，将大脑划分成不同的功能区域。早期至今广泛使用的一个大脑功能分区图谱是Brodmann分区。此方法是德国神经科学家布罗德曼根据大脑皮质细胞的结构和组织，将人类大脑皮层划分为52个区域。此分区方法主要用于确定区域边界，是基于数量不多的大脑标本结构而构建的。
尽管这些图谱提供了重要的信息，并且至今还在使用，但从现今来看，其分区还是比较粗略，且其微度的细胞构筑不足以完全代表大脑的组织结构，特别是这些分区依据主要是细胞和纤维的微观构筑。因而，这些分区实际上是以局部的细胞或纤维类型、形态以及组织结构为基础。最新发展的大脑分区方法不仅考虑了细胞与纤维的形态和构筑特点，更融入了脑网络的概念。
具体而言，新发展出来的脑功能分区，一个重要依据是每一个脑区的纤维链接特点。以这种链接属性作为分区的重要依据，这实际上是脑网络观念的一种应用和拓展。由此可见，脑网络不仅依赖于形态学的脑分区，也反映了成为脑分区的一个重要依据。
2. 脑科学的发展：从功能分区到脑网络功能
在大脑功能分区的基础上，现代化的新技术对大脑分区进行了更深入的探索。脑皮质大体上可分几个较大的脑叶，包括额叶、顶叶、颞叶、枕叶和岛叶。这些分区又可进一步分为亚区，如额叶有额上回、额中回、额下回(又分为眶部、三角部和盖部)、中央前回、直回、眶回等。根据目前研究结果，大脑功能的实现，不仅依赖于大脑局部的细胞功能，更重要的是依赖于细胞之间形成的链接。
不同区域之间的细胞相互链接，形成了复杂的神经网络，正是这种网络的链接性质，在更重要的程度上决定了大脑不同区域的基本功能。这一理论的来源基于最新科学中的一个涌现理论，其主要思想是整体大于部分之和，也就是每一部分之间的相互作用和信息交流，是实现某个特定功能的关键点。因此可以说，没有一个神经元是孤立性的。
如果神经元之间没有形成特定的链接，那么这些神经元不过是简单的细胞集合，便难以实现复杂的功能。对大脑功能而言，不同脑区之间的相互作用和信息流动，最终使大脑得以实现各种复杂功能。因而这一理论极大地改变了以往单个脑区负责特定功能的认知。
从现代神经外科学的实践来看，多个脑区协同发挥功能的理论，也得到了实践的检验。如对于一些功能区的肿瘤患者，术后并未出现相应的功能障碍；有一些功能区的患者，在术后出现了功能障碍，但经过一段时间康复后其功能得以恢复；其次，对于一些以往认为非功能区的患者，也可能出现功能障碍。这些临床现象都表明，某个功能的实现，更依赖于多个脑区的相互协作，即各脑区之间形成的复杂脑网络系统。
面对这样的情况，神经外科医师在设计手术方案时，就需要考虑到纤维链接的空间和位置关系，以避免损伤具有重要功能的纤维链接。大脑内的链接方式多种多样，其纤维链接的尺度包括局部的纤维链接、脑叶之内的链接、脑叶之间的链接以及大脑半球之间的链接。可见大脑的链接网络构架十分密切、精巧，并具有特殊的拓扑结构，才使得脑功能得以精确实现。
关于脑网络对脑功能的重要意义，目前已进行了大量的基础性探索与验证。实际上，脑网络不仅对脑功能的实现至关重要，也是神经元本身存活的必要因素。有一种失联络现象，是指某个脑区的纤维链接阻断之后，该脑区内神经元的树突和突触的数量将逐渐减少，且神经元也会逐渐萎缩和死亡。这说明网络对于神经元的存活具有重要意义。
另一项研究结果证明，当改变某个脑区的纤维链接来源时，此区域的神经功能将发生变化。感觉运动皮质的一个共同特点是其组成具有模块化的组织结构，其中视觉皮质(V1区)主要由方向模块组成，其中每个模块中的神经元对特定方向的光源刺激高度敏感。如果将投射到视觉皮质的神经元重新连接到听觉皮质，这些听觉皮质神经元可发展出具有类似视觉皮质的一些特点，例如方向的模块化。
可见皮质区域的功能实现，也在很大程度上依赖于脑网络的链接方式。另一个与语言功能密切相关的网络结构是弓状束，它位于岛叶上方，链接额、顶、枕、颞多个脑区域。研究认为，弓状束的连续性可预测语言的恢复情况。以上多项研究结果，从不同的侧面反映了脑网络对于脑功能的重要性，这与之前以脑区为基础的功能分区有了本质上的区别。
3. 脑网络的类型和构建
鉴于脑网络对脑功能的重要性，一个很自然的问题是如何研究脑网络?现今研究总体而言，脑网络可以分为几个大的层面：首先需要解决的一个问题是，何谓脑网络?以目前研究范畴而论，脑网络可分为以纤维链接为基础的物理链接脑网络和以各种脑信号为基础的功能脑网络。前者主要是基于脑区之前的纤维束；后者则系对不同脑区采集相应信号，然后计算这些信号之间的关联程度，最终组成一个关联性脑网络。
功能性脑网络研究最多的是基于血氧水平依赖功能磁共振(blood oxygenation level-dependent functional magnetic resonance imaging， BOLD-fMRI)的功能脑网络，还有其他更多的脑功能网络技术，包括
针对某一具体技术，脑网络的构建方法尚有所不同，基于纤维束的物理链接脑网络，应用广泛且无创的方法是采用弥散张量成像(diffusion tensor imaging， DTI)磁共振技术。其基本原理是通过磁场作用后检测水分子运行的各向异性，构建纤维束走行方向。每一个脑区作为一个网络节点，对任何2个脑区，其纤维链接的数量作为这2个脑区之间的链接强度，最终构建起一个无向网络。
对功能性脑网络，由于BOLD-fMRI采集数据简单易行，其高空间分辨率可以和结构相配准，因此，其使用和研究最为广泛。BOLD-fMRI通过检测脑血流量变化来反映局部脑组织的代谢活跃程度，通过fMRI扫描绘制出每一个时刻全脑的活跃程度。再进一步扫描多个时间点的成像结果，从而使得每一个脑区可形成一系列随着时间而变化的代谢活跃度的信号。
通过对两-两脑区之间的信号的关联分析，可获得各个脑区之间的关联网络。因此，与上述结构性脑网络不同，功能性脑网络代表的是不同脑区之间活跃程度的相关性。相关性强的脑区之间不一定有直接纤维链接。其最大优点是，可实时反映不同功能状态下不同脑区的活跃程度，为动态研究脑功能提供了不可替代的方法。
按照此方法，可以建立静息态下的功能性网络，也可以建立各种任务态下的功能性网络。功能性脑网络按照功能可分为7种常见的子网络，包括默认网络、背侧注意网络、中央执行网络、边缘系统网络、感觉运动网络、凸显网络和视觉网络。其中又尤以默认网络的研究最为广泛和深入。
根据网络的规模尺度和应用方向，脑网络又可分为如下几个层次。首先是脑网络的局部可视化，例如如何显示、分析并研究某一个局部的网络结构?如常见的弓状束、皮质脊髓束、下纵束等。这里显示的纤维束，则是组成整体脑网络的一个局部，也是物理意义上的网络连接。局部的网络连接可视化对神经外科而言尤为重要。因为在面临一个与此局部网络有关的病变时，我们特别需要知道病变与此网络结构的空间位置关系，从而可在手术实施过程中避免对此结构的损伤。
第二个层次则是整体网络的构建和抽象化，局部网络对于特定的手术治疗以及一些情况下的脑功能实现具有重要意义(如弓状束对于语言功能)。然而，多数的功能实现依赖于多个脑区形成的复杂网络。将脑区抽象为节点，将节点之间的链接(物理的纤维束或基于功能的相关性)抽象为“边”，可构建出一个抽象网络。不同的网络具有不同的组织结构，从而可进一步分析此网络的整体属性。这个层次将形象的具体网络又进行了更高的抽象化。针对此抽象脑网络，也有一些工具可用于抽象网络的可视化，如GRETNA软件等。
第三个层次的研究则涉及到抽象网络的内在性质，这部分研究需要有数学、计算机等多学科的密切结合。如针对该网络的拓扑学性质就是一个重要的研究内容。不同的网络具有不同的拓扑学性质，进而可以实现不同的功能状态。
4. 复杂网络系统在脑科学中的应用
针对构建出的抽象脑网络系统，如何研究其性质，已成为多学科交叉的热点和难点。这方面的内容尤其依赖于一个复杂网络的科学理论。目前，应用较广的是采用图论的方法分析脑网络的一些拓扑学指标。例如，基于网络节点“度”的一系列指标，包括聚集系数、节点之间的最短路径等概念，成为衡量一个网路的重要性质。
基于此而提出的一些脑网络特性包括小世界性质、无标度性等。网络的小世界性指出，网络具有更高的平均聚集系数和更小的平均最短路径。无标度性是指网络中节点的度满足幂律分布。对于无标度性，目前还存在一些争议。
除此之外，还有一系列图论相关的指标用于描述脑网络的拓扑性质，如度中心性、介数中心性、接近中心性等，用于描述脑网络不同的性质。整体而言，关于复杂网络的研究目前还所知甚少，需要进一步多学科交叉及深入研究。其中一个重要问题是，目前大部分研究策略是以两-两节点之间的相互作用为基础，而对于多个区域之间的高阶相关作用，需要更新的理论与工具，目前正在发展之中。一个重要的方法是引入代数拓扑学工具，对抽象网络进行高维单形和环路分析。复杂网络的研究进展，将极大地加深对脑网络内在属性的认识。
5. 脑网络神经外科学的发展
脑网络科学的发展，对神经外科学形成了很大的影响。当前，神经外科学的手术策略将脑功能的研究和保护放在更为重要的地位。在手术方法上，一种较为明显的策略是，在手术方案的设计中，不仅要考虑以往的脑功能区，更要考虑到脑功能区之间的网络链接性质，如纤维束的空间位置。
进一步则需要考虑脑网络抽象拓扑学参数，如哪些节点是网络的关键节点?有关这一方面的研究，会给现代神经外科学带来大的挑战，也提供了新的机遇。随着认识的深入，一些原本非常困难的手术，借助于脑网络的详细分析就可以完成；一些可能造成严重功能障碍的手术，通过多模态及网络观念的指导，可实现更好的脑功能保护。因此，脑网络可在多方面服务于神经外科手术的实施以及术前、术后的脑功能评估。
在手术前通过DTI、BOLD-fMRI等无创检查手段，构建纤维束或功能性脑网络，并将此网络与肿瘤、血管等结构进行多模态融合，从而分析、规划最优的手术入路；其次，由于脑纤维束在术中常不可视，术中识别是一大挑战。当前有更多技术用于术中实时监测深部脑链接网络的方法，如唤醒麻醉下的术中电刺激技术，可更精确地反映深部纤维束的确切位置。
通过对默认网络及扣带束的精准定位，结合唤醒麻醉，可提高一类“蝴蝶形”胶质瘤的切除率，降低术后严重功能障碍的发生率。“蝴蝶形”胶质瘤是一种侵及胼胝体前部的恶性肿瘤，其位置深在，且毗邻重要的深部脑纤维束，因而手术风险高。通过引入脑网络辅助手术策略，可获得较好的疗效。另有研究指出，如在手术过程中伤及了语言网络的关键部位，则更容易造成术后的语言障碍。这些均充分说明了脑网络的术前分析与评估对手术的指导意义。
诚然，神经外科手术也为脑科学、脑网络的研究提供了无法替代的直接观测方法。一项基于开颅手术的直接电刺激技术，提供了更精准的语言功能区的划分，并推动了语言脑网络的研究。特别是不同的语种在大脑的功能区连络有所不同。由此可见，这在神经科学研究中具有不可替代的重要作用。
6. 小结与前景
脑科学作为最具有生命力的前沿科学，承担了人类对意识探索的任务，且为未来人工智能的发展提供了基础和动力。脑科学的发展带来了新的认识和观念，推动了神经外科学技术和理论革新，催生了新的治疗策略。其中特别瞩目的一点是脑网络的发展，使得无论是脑科学还是神经外科学，其关注重点从以往针对独立脑区的研究，转移到脑区之间的相互作用所形成的复杂脑网络系统。
另一方面，神经外科学作为直接接触并处理大脑的学科，又为脑科学、脑网络的研究提供了不可替代的方法，推动了神经科学的发展。未来神经科学和神经外科学的进一步融合，将显著提高颅脑疾病的治疗效果，在一定程度上推动人类对大脑本质的认识水平。
来源：章翔，毛星刚.神经外科学在神经科学及脑网络研究中的重要作用[J].空军军医大学学报，2024，45(04):364-368.
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