CT技术还原古人类脑 _古人类

埋藏于地层中的古人类遗骸，其脑的软组织已经不复存在。在人类漫长的演化过程中，脑的形态特征发生了怎样的变化？现在科学家们又是如何利用高清晰度工业CT对古人类头骨化石进行扫描和三维重建，进行相关研究的？中国科学院古脊椎动物与古人类研究所副研究员吴秀杰博士为我们掀开了这神秘的面纱。
研究古人类化石为啥要用工业CT技术？
“脑演化研究的直接证据是颅内模。”吴秀杰说，由于化石标本的珍贵性，不允许对标本进行实体解剖，再加上多数头骨内部清理不干净或不完整，因而理想的颅内模很难得到，传统的研究主要对化石外表形态进行观测和分析，阻碍了脑演化的研究。
上世纪50年代，发现于广西柳江的人类头骨化石，是迄今在华南地区发现的保存最为完整的更新世晚期人类化石，对于研究更新世晚期人类演化及现代中国人的起源具有非常重要的价值。由于该头骨化石颅腔内面附有坚硬的钙质胶结物，多年来一直无法获得清晰的颅骨内表面形态及颅内模，因而研究工作只能停留在头骨的外表面形态上。
近年来，采用CT技术，对古人类头骨化石标本进行三维重建和虚拟解剖学研究。计算机断层成像(CT)技术可以在不破坏标本的情况下，对古人类化石进行高分辨率的X射线断层扫描，结合丰富的图像后处理技术，可以获得高精度的三维图像。利用CT技术既可以保护稀有的古人类化石，又可以对在地层中受到挤压变形或破损的部位进行矫正复原，可以把研究工作从化石标本的外表延伸到标本内部，获得虚拟的颅内模，使研究得以进行下去。
工业CT技术与医用CT技术各有千秋？
【CT技术还原古人类脑】目前，可用于古人类化石扫描的CT机有医用CT、工业CT和显微CT三种类型。医用CT的空间分辨率为0.35mm，能基本满足人体各系统器官宏观病理诊断的要求。医用CT扫描速度较快，古生物化石标本的虚拟复原及颅容量的测量经常选用这种CT机。
工业CT的空间分辨率为5滋m—20滋m，尺寸较大的古生物标本(如人类头骨)的内部结构及微细解剖特征，工业CT扫描效果比较好，但是扫描速度慢。显微CT的空间分辨率可达到10滋m以下，主要用于较小骨骼标本或牙齿的内部微细解剖结构的研究。此次研究就是使用工业CT扫描，图像效果高清晰，更方便于研究使用。
CT技术的发展促进了人类进化的研究。近20多年来， CT设备被广泛地应用到古人类化石的虚拟复原、颅内模及脑的三维重建、骨骼生物力学分析、健康状况及标本内部微细解剖结构的研究中。
工业CT怎样扫描古人类头骨化石？
工业CT扫描古人类头骨化石与平常人们所熟悉的医用CT机扫描大体情况相同。但是，根据化石标本的尺寸和研究内容以及CT扫描仪的容量，选择扫描的方位。
另外，头骨化石不能像人那样主动躺在CT检查床上，且稳定性不好控制。为使化石固定在扫描机的座架上，防止其在扫描过程中摇晃甚至掉落，需用绳子将其从四面八方捆绑牢固。而后，才能进行扫描。
由于工业CT机有很强的辐射，在扫描过程中，工作人员一般不在扫描实验室工作，而是在另一个实验室通过电脑监视器查看扫描情况。
古人类化石扫描耗时长，需15个小时左右，且中间不能间断，共得到297张高清晰切片。扫描的工作完成后，与扫描仪配套的计算机工作站及相关软件会将每一张切片的扫描信息通过相关程序的换算复原成二维影像。将所有切片的二维影像录入光盘后，就是研究人员需要的CT扫描原始数据。
据吴秀杰介绍，此次扫描是在中国科学院高能物理研究所研发中心完成。采用高分辨率的工业CT机,对在中国华南地区发现的更新世晚期化石柳江人头骨进行了扫描。
怎样进行虚拟复原和脑的三维重建？
吴秀杰和同事董为博士等根据297张CT扫描图像，经计算机处理获得二维断层扫描图片，利用可视化3D图像处理软件Amira ，在电脑上去除附在骨骼周围的地层胶结物，对破碎变形的部位进行修补和矫正,复原出高度精确的古人类模型供古人类学家进行深入研究。
复原工作最重要的步骤是去除每块骨片内外表面附着的胶结物层。根据骨壁、骨腔和胶结物密度的不同，在计算机上，利用3D图像软件，通过改变扫描参数，对获取的二维断层扫描影像进行分割提?。?去除骨片周围附着的地层胶结物，将标本从填充物中游离出来,获取三维重建的虚拟体，重现化石人类头骨及脑的形态特征。此项工作繁琐，耗时一个多月。
古人类化石标本多不完整，通过镜像原理，3D图像软件可以补充化石缺失的部位，对破碎的骨骼碎片进行重新组装，复原出较为精确的古人类模型。
虚拟复原之后有哪些重要发现？
“学界一直对柳江人的演化地位有很大争论。”吴秀杰说，此次对柳江人头骨进行的CT扫描和三维重建，为研究人类大脑演化及柳江人在人类进化中的地位，提供了新的信息。
通过与北京周口店及世界范围内的其他古人类化石以及现代人颅内模的比较，显示柳江人脑多数特征与现代人相似，如长而宽的脑型，额叶宽阔饱满，脑较高，顶叶加长；少数特征与现代人不同而似早期人类，如枕叶后突程度较现代人显著、小脑半球较现代人收缩。
虚拟颅内模测量获得柳江人的颅容量为1567毫升，位于晚期智人的变异范围而远大于现代人的平均值。基于这些发现，研究者认为柳江人脑存在少数比现代人原始的特征，但比早期智人先进，其脑的形态特征与更新世晚期人类最接近，赞成其年代距今6万年左右的观点。
CT技术进入古人类学研究意义非凡？
吴秀杰认为，高清晰度CT技术的应用获取了一系列以往无法取得的古人类头骨及大脑特征的数据，包括颅骨内表面形态、内耳结构、骨骼和牙齿的微细解剖特征、大脑各部位表面形态等，对于研究人类体质特征的演化具有十分重要的意义。
同国外相比，我国具有较为丰富的古人类化石资源，如蓝田直立人、南京直立人、大荔人、马坝人、柳江人等。目前这些化石还只是停留在对其头骨外表面形态特征的研究阶段，其脑的形态特征及其颅骨内部的很多重要信息还没有充分挖掘出来。采用CT技术对脊椎动物化石标本进行三维重建，这方面的工作在我国才刚刚开始。
作为人类演化的重要组成部分，脑演化的研究越来越受到学术界的重视，在漫长的人类演化历程中，脑的演化过程还有很多问题没有搞清楚，相信在不远的将来，中国脑演化的研究将为人类的进化提供重要信息。CT技术在未来将会对中国古人类学的发展产生巨大的影响。
■新闻缘起
近日，中国科学院古脊椎动物与古人类研究所同高能物理研究所合作，利用高清晰度工业CT对柳江头骨化石进行了扫描和三维重建，这是我国学者首次利用CT技术清晰展示的古人类脑的形态特征。
(据《科学时报》)
■延伸阅读
CT扫描能否解开古埃及王朝少年法老的神秘死因？
近年来，CT技术在科技考古学方面也越来越发挥出其特殊的功能，可以将文物标本内部隐藏的不为人知的特征揭示出来，甚至有时还会解开一些历史中的秘密，例如古埃及法老图坦卡蒙的死因和年龄，有着太多的神秘故事。
考古学家们希望通过CT扫描能够解开这位3000年前古埃及王朝少年法老的神秘死因。30多年前，考古人员曾利用简单的X光对图坦卡蒙木乃伊进行过一次透视，当时发现，他的颅内有骨头碎片，考古学家据此猜测这位少年法老可能死于严重的头部撞击。而且从墓穴观察来看，有“匆忙下葬”的迹象，表明他的死亡可能十分突然。
但由于当年的X光透视不像现在的CT扫描这么复杂先进，尚不能确定头部的骨头碎片是否系重击所致。相比之下， CT扫描可以提供碎骨片以及覆盖在木乃伊表面遮蔽物的细微三维视图。过去，CT扫描曾多次应用于埃及木乃伊研究，其中包括法老王拉姆西斯一世等。1991年，意大利境内北部阿尔卑斯雪山冰川中曾发现一具5200年前铜器时代的冰冻干尸，当时也曾借助CT扫描发现了干尸体内一个箭头状的东西。考古学家怀疑正是箭头让这位古人丧命，而X光透视则没有发现箭头存在。

来源：科技日报许清