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最新大脑皮层图完成,能帮人类更了解一点自己

Carl Zimmer2016-07-22 09:40:35

科学家们将会依靠这份指南,尝试解读人类大脑。

本文只能在《好奇心日报》发布,即使我们允许了也不许转载*

大脑看上去就像是一大片平平无奇的皱褶和凸起,但其实,它被无形划分成了好几块不同的区域,每一块区域都有其特定的功能:某几组神经会在我们辨识人脸时活跃起来,某几组神经会在我们阅读时活跃起来,还有某几组神经则会在我们举起手时活跃起来。

本周三,有研究人员公布了一份惊人的全新大脑示意图,详细展示了将近 100 个此前人们所不知道的大脑区域,史无前例地探究了人类大脑的构造。许多专家称,这一天是神经科学史上的一个里程碑。

科学家们将会依靠这份指南,从大脑是在孩童时期是如何发展的、又是如何随着数十年年岁的增长发展的,到大脑怎么会受到阿尔茨海默病和精神分裂症等疾病的伤害等各个方面,尝试解读人类大脑。

一份基于人类神经连接体计划收集的大脑扫描数据制作的全新大脑示意图。该示意图揭示了 180 个全新的大脑区域。图片来源:Matthew F. Glasser, David C. Van Essen

美国加州大学圣迭哥分校(University of California, San Diego)神经科学家大卫·克莱菲尔德(David Kleinfeld)并未参加此次研究,不过他说: “这意味着我们又朝着解读‘我们为什么会成为如今的我们’这一问题迈进了一步。”

科学家们使用先进扫描器和计算机,运行了“学会”如何在从数百位实验对象身上收集到的大量信息中辨识出大脑隐藏区域的人工智能程序,做了比以往更加复杂、广泛的尝试,然后制作出了这张大脑示意图。

虽说是一项重大的进步,不过这张大脑示意图并未对大脑运转方式下最后的定论。科学家们可能还要花上数十年时间才能厘清大脑每个区域的工作。未来数十年间,人们会有更多这方面的发现。

“你应该把这张大脑示意图当做 1.0 版本,”马修·格拉瑟(Matthew F. Glasser)说,“等我们得到更好的数据,等着研究这些数据的人更多的时候,我们可能还会推出一个 2.0 的版本。我们希望这张大脑示意图可以随着科学的进步不断更新。” 格拉瑟是华盛顿大学医学院(Washington University School of Medicine)的神经科学家,同时他也是这项全新研究的第一作者。

大脑存在隐藏区域这点第一次被人注意到是在 150 多年前。1860 年代,两名丧失说话能力的病患引起了皮埃尔·保罗·布洛卡(Pierre Paul Broca)医生的兴趣。

这两名病患死后,布洛卡检查了他们的大脑,发现这两名病患的大脑外层皮层都是同一部分组织受到了损伤。

后来,大脑的那块区域就被成为了布洛卡区。最近数十年来,科学家们已经发现,当人们说话或者试图理解他人所说的话时,布洛卡区就会变得活跃起来。

大脑左半球的大脑皮层。红色和黄色的大脑区域髓磷脂含量较高,靛蓝色和蓝色的大脑区域髓磷脂含量较低。图片来源:Matthew F. Glasser, David C. Van Essen

1800 年代晚期,一群德国研究人员对大脑皮层的其他区域进行了辨识。他们发现,每一个不同的大脑皮层区域都以其所特有的方式汇聚了不同种类的脑细胞。1907 年,科比尼安·布罗德曼(Korbinian Brodmann)发表了一份标有 52 个大脑区域的列表。

自那以后,神经科学家们一直在使用布罗德曼手绘的这份大脑区域示意图,并根据他们各自的研究增加了为数不多的全新大脑区域。格拉瑟博士说:“这就是大脑研究领域的标准示意图。”

三年前,格拉瑟博士和他的同事们利用人类神经连接体计划(Human Connectome Project)收集到的数据,开始着手创造起了一个新的标准。人类神经连接体计划利用强大的新式扫描器研究了 1200 名志愿者的情况。

人类神经连接体计划团队记录了每一位参与者的大脑高清分辨率图像,接着又记录了数小时记忆、语言和其他类型的思维测试期间他们大脑的活动情况。

之前在绘制大脑皮层示意图时,科学家们通常一次只会关注某一类迹象特征,比如细胞的排列次序。人类神经连接体计划则成功对大脑进行了更加细致的研究。

除了查看大脑活动以外,科学家们还研究了大脑的构造。比如说,他们测量了大脑各区域髓磷脂(一种包裹神经的脂肪物质)的含量,发现不同区域大脑皮层的髓磷脂含量水平存在明显对比。

大卫·范·埃森(David C. Van Essen)说:“我们有 112 种不同类型的可挖掘信息。”他是华盛顿大学医学院人类神经连接体计划的一位主要研究者。

科学家们将来自 210 个大脑的数据输入电脑,并使用这些变量训练电脑分辨大脑皮层的各个独立区域。电脑描绘出这些大脑区域髓磷脂、活跃程度和其他特征的独特组合情况后,他们又用这种方式测试了另外 210 个大脑的情况。

96.6% 的时间,电脑都能精确指出新大脑的这些区域。科学家们发现,要绘制大脑示意图,其实只需要一小部分特征就可以了。也就是说,研究人员们未来只需要对大脑进行一个小时出头的扫描,就能使用他们的方法绘制出被扫描者的大脑示意图。

使用电脑制作的这份大脑示意图包括了布洛卡区等 83 个人们业已熟知的大脑区域。除此之外,这份示意图还囊括了 97 个不为人知、或者已经被人遗忘了的大脑区域。

比如说,1950 年,德国研究人员注意到大脑一侧的一小片区域相比周围的区域而言髓磷脂含量较低。但是很快这一发现就被人们忽略了。

大脑扫描显示了扫描器中大脑左半球在听故事时大脑的活动方式。图片来源:Matthew F. Glasser, David C. Van Essen

范·埃森博士说:“人们很容易就把这一发现给忽略掉了,然后这一发现就真的没什么人记得了。”

电脑重新发现了这一奇怪的大脑区域。范·埃森博士和他的同事们发现,在人们听故事时,大脑的这个区域会变得异乎寻常的活跃。这一发现表明,这个被他们称为 55b 的区域,和布洛卡区一起组成了大脑语言网络的一部分。

在大脑皮层的其他部分,科学家们还把此前划定的一些区域划分成了更小的区域。比如他们发现,大脑前叶有一大片区域——背外侧前额叶皮层——是由十二个更小的区域组成的。

在进行从决策到欺骗等许多种不同的思维活动时,这一区域会变得活跃起来。很有可能这些新划定的小块区域会对其中某一种思维活动起到重要作用。

科学家们开发的电脑程序在绘制大脑皮层示意图方面非常熟练,它能够辨别隐藏的大脑区域——即使它们的形状很不常见。比如说,有 12 位研究对象的大脑 55b 区域被分成了两块互不相干的区域。(研究人员还不清楚这是否会对这些研究对象使用语言的方式造成影响。)

其他一些神经科学家希望,新的大脑示意图未来能够让他们的实验更进一步,帮助他们发现大脑的各个齿轮是如何互相啮合的。

一位耶鲁大学研究生艾米丽·费恩(Emily S. Finn)说:“之后我们要迈出的重大的一步就是从获得更多力量的角度来考虑一下,这能为我们做些什么。”她曾使用过人类神经连接体计划的数据,探寻大脑活动和智力智能之间的联系

克莱因菲尔德博士(Dr. Kleinfeld)预计,其他研究人员将会找到核实这一全新大脑示意图准确性的方法——比如说基因检测法:如果大脑皮层 180 个区域真的都有明显区别的话,那么每一个区域的神经应该有着某一类独特的活性基因组合。

克莱因菲尔德博士说:“你可以想象一下,其实就是在这 180 个区域中提取少许组织,然后看看你是不是真的能够从基因上把它们区分开来。”

许多专家认为,如果更仔细地检查大脑,那么我们将会发现,大脑实际上拥有更多的区域,这些区域会以某种方式为了共同的好处互相协调合作。

宾夕法尼亚大学(University of Pennsylvania)一位神经科学家丹尼尔·巴塞特(Danielle S. Bassett)说:“很显然,这些大脑区域中有许多很有可能是由一些更小的大脑区域组成的。”

范·埃森表示,他和其他科学家将会使用这一大脑示意图跟踪记录年轻人的大脑发展,探查阿尔茨海默病等疾病给大脑带来的变化。

“我们不应该指望有什么奇迹发生,也不应该指望轻轻松松就能找到答案,”他说,“但是我们有能力可以加快研究进程。”

翻译 熊猫译社 钱功毅

题图来自 www.youtube.com

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