數據共享——全球最大型的腦部掃描影像計畫

文章發表:2018/05/16

壹、新訊快遞*

核磁共振(magnetic resonance imaging, MRI)是幫助我們瞭解大腦結構的重要工具,但由於使用成本較高,使許多研究僅限數十名受試者參與,這樣的數量無法建構出大腦結構與遺傳變異及疾病之間的關聯性。為解決此問題,全球最大的腦部影像與遺傳研究之國際合作團隊——ENIGMA(Enhancing NeuroImaging Genetics through Meta-Analysis)聚集了來自39個國家的近900名研究人員,並就超過3萬人的大腦掃瞄影像基因數據展開分析。ENIGMA以「群眾外包」(crowdsourcing)的模式快速地產出一系列論文,這些研究為正常人以及患者的基因和其大腦結構存在何種關聯開啟了一扇窗。

貳、評析

隨著影像診斷儀器的進步,自21世紀初起陸續有小型的大腦影像學研究,針對雙胞胎或者近親的大腦結構進行分析,並發現認知和大腦結構上的差異存在著遺傳基礎。同時,人類全基因組計畫檢視了大範圍人群的DNA,以搜尋上百萬個在個體間存在自然差異的鹼基。然而,將遺傳變異與大腦結構差異關聯起來的努力並未成功,部分原因是常用的大腦掃描工具:MRI的使用成本較高,使參與研究的人數受限,以至於無法作出具有說服性的結論。另一個重要原因是,大腦的結構或功能特徵可能洩漏個人的重要特質,諸如個性或智力等,故研究人員通常避免共享大腦影像數據,以免觸動敏感的「大腦隱私」(brain privacy)問題。

ENIGMA的誕生即為了提供解決辦法。為了有效增加數據量,以國際合作的型態共享來自全球數十個研究機構的大腦影像和基因數據,再以「統合分析」(meta-analysis)方法加以整合:所有加入聯盟的研究機構皆以相同的作業流程分析大腦影像,而研究結果再經加權以減少不同來源資訊的變異性;這意味著ENIGMA所共享的數據皆經過處理、調整而非原始的數據,使研究人員無須披露患者的個人隱私細節,同時較大的樣本量使其得以作出關於遺傳變異如何改變大腦結構的「可靠結論」。

從2009年創立至今,ENIGMA已取得許多令人矚目的成果。在首個研究計畫中,他們與另一個多中心網絡合作,分析了2.1萬人的大腦掃瞄影像和DNA,試圖將特定基因與人腦大小和智力聯繫起來。結果發現,擁有HMGA2基因變異體的人具有更大的大腦,並且在標準智力測試中的得分比普通人高出1.29分。儘管此結果並不代表HMGA2基因能造成較高的智力,但這項於2012年發表於《自然—遺傳學》雜誌的研究,展示了ENIGMA大範圍掃描模式的可能性。在隨後對3.1萬人開展的研究中,研究人員分析了涉及記憶、運動、學習和積極性的大腦區域大小,以尋找與之相關的遺傳變異,結果發現了5個基因變異,能影響兩個腦部區域——殼核和尾核的大小,此成果發表於2015年《自然》(Nature)雜誌。

除了探索基因如何影響健康個體的大腦結構與功能,還能將觸角伸往腦部相關疾病的研究中,這類疾病的遺傳因素較為複雜,故暫時將其擱置、集中火力尋找正常人和病患大腦結構的差異,亦不失為一種策略;2014年,ENIGMA獲得美國國立衛生研究院為期4年、總金額達1100萬美元的資助,即為了尋找此類關聯。其中一個ENIGMA團隊在2017年發表的論文中指出,在比對了1963名精神分裂症患者及2359名健康人的大腦影像後,發現患者整個大腦白質中的迴路均遭到損傷,而不僅是如過去所假設的、只涉及大腦的特定區域。同年,另一團隊在比對創傷後症候群(Post-traumatic stress disorder, PTSD)和健康人的大腦影像後發現,PTSD患者的海馬迴(將短期記憶轉變成長期記憶至關重要的腦區)具有較小的平均體積。2018年,一則發表於《大腦》(Brain)雜誌的ENIGMA研究,將來自歐洲、美洲、亞洲和澳大利亞的近4000人的大腦掃瞄影像進行分析後,找出多個與常見癲癇病存在關聯的大腦異常結構。他們發現,與正常人比較,患者在多個大腦皮質的區域呈現厚度降低,且具有較小的右視丘。

這些由大量影像中統計出的大腦異常結構特徵,不僅大幅擴展了我們能「看到」的視野,也改變我們過去對各種腦部疾病的認知。未來,ENIGMA將加入更多大腦活動資訊,涵蓋從功能性磁共振影像(functional magnetic resonance imaging, fMRI)、腦電波(electroencephalography, EEG)到大腦圖譜,以期將結構差異與功能差異做連結。但更多的數據代表著更大的挑戰,大批來自不同儀器、來源分散的資料如何進行標準化與整合,將是此後的難題。

參、延伸閱讀

  • 劉可靜,歐美保障科學數據共享法制探究,科技與法律 ,2006卷3期,2006年9月,1-6頁。

註釋

  • Giorgia Guglielmi, The world’s largest set of brain scans are helping reveal the workings of the mind and how diseases ravage the brain, Science/news/Brain & Behavior, Jan. 23, 2018, http://www.sciencemag.org/news/2018/01/world-s-largest-set-brain-scans-are-helping-reveal-workings-mind-and-how-diseases (last visited Apr. 23, 2018).  返回內文

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