張茜/編譯

最新大腦圖譜發(fā)現(xiàn)近百個(gè)新區(qū)域

張茜/編譯

在一張未標(biāo)明具體日期的資料圖片中，掃描儀器中的腦部掃描顯示了當(dāng)人在聽故事時(shí)大腦左半球的活動(dòng)模式。在2016年7月20日，研究人員發(fā)表了一個(gè)壯觀的圖譜，這個(gè)圖譜被眾多專家稱為神經(jīng)科學(xué)的一個(gè)里程碑

●科學(xué)家們在嘗試著去理解大腦的幾乎各個(gè)方面——從大腦在兒童及老年人中如何發(fā)育，到大腦如何被阿爾茲海默病和精神分裂癥等疾病損害時(shí)——均將依靠這一新指南。

大腦看起來就是一片平淡無奇的溝回，然而，大腦實(shí)際上可被劃分為若干隱形區(qū)域。每個(gè)區(qū)域都有其專業(yè)分工：有些神經(jīng)元組群在我們進(jìn)行面部識別時(shí)變得活躍，有些在我們進(jìn)行閱讀時(shí)變得活躍，而有些在我們舉起手時(shí)變得活躍。

2016年7月底，研究人員繪制了最新大腦地圖，該地圖詳細(xì)繪制了近百個(gè)此前未知的大腦區(qū)域，是對人類思維裝置史無前例的窺視。

科學(xué)家們在嘗試著去理解大腦的各個(gè)方面均將依靠這一新指南?！斑@是理解我們?yōu)楹翁幱诂F(xiàn)在這樣的狀態(tài)的一個(gè)步驟。”大衛(wèi)·克萊菲爾德（David Kleinfeld）如是說，他是加利福尼亞大學(xué)圣地亞哥分校的一位神經(jīng)系統(tǒng)科學(xué)家，并未參與該項(xiàng)研究。

科學(xué)家們利用先進(jìn)的掃描儀和運(yùn)行有人工智能程序的電腦從數(shù)以百計(jì)測試對象收集來的海量數(shù)據(jù)中“學(xué)著”識別大腦的隱藏區(qū)域，這是一次比先前遠(yuǎn)為復(fù)雜和廣泛的嘗試。

這雖然是一項(xiàng)重大的進(jìn)步，但新的大腦地圖并不能對大腦運(yùn)作方式的一錘定音?？茖W(xué)家們也許還要再花上幾十年才能弄明白大腦每個(gè)區(qū)域的分工。

“這張地圖你應(yīng)該把它當(dāng)成是1.0版?！瘪R修·格拉瑟（Matthew Glass er）這樣說道，他是圣路易斯華盛頓大學(xué)醫(yī)學(xué)院的一名神經(jīng)系統(tǒng)科學(xué)家，也是該項(xiàng)新研究論文發(fā)表的第一作者，“隨著數(shù)據(jù)質(zhì)量的優(yōu)化，以及越來越多的人對數(shù)據(jù)的關(guān)注，也許還會有2.0版。我們希望這張大腦地圖能夠隨著科學(xué)的發(fā)展而演變?！?/p>

有關(guān)大腦隱藏地圖的第一絲線索出現(xiàn)于150多年前。19世紀(jì)60年代，兩位不能講話的患者引起了內(nèi)科醫(yī)生皮埃爾·保爾·布羅卡（Pierre Paul Broca）的注意。

他們?nèi)ナ篮?，布羅卡檢查了他們的大腦。在最外層——也就是大腦皮層——他發(fā)現(xiàn)兩位患者同樣的組織部位均受到了損傷。

該區(qū)域被稱為布羅卡氏區(qū)。在最近幾十年中，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)當(dāng)人們講話或者試圖去理解其他人講話的內(nèi)容時(shí)，該區(qū)域就會變得活躍。

19世紀(jì)末期，德國的一組研究人員識別出了大腦皮層的其他區(qū)域，每個(gè)區(qū)域都有著以獨(dú)特方式聚集在一起的不同類型的細(xì)胞。1907年，科爾比尼恩·布洛德曼（Korbinian Brodmann）發(fā)表了大腦52個(gè)區(qū)域的目錄。

從那時(shí)起，神經(jīng)系統(tǒng)科學(xué)家們就依賴于他的手繪大腦地圖，并結(jié)合自己的研究添加適量的新區(qū)域。

“這就是你在大腦中定位的標(biāo)準(zhǔn)。”格拉瑟如是說。

三年前，格拉瑟和同事們開始創(chuàng)建一個(gè)新的標(biāo)準(zhǔn)。他們借鑒了人腦連接組計(jì)劃收集到的數(shù)據(jù)，該計(jì)劃利用強(qiáng)大的新型掃描儀對1 200名志愿者進(jìn)行了研究。

該項(xiàng)目組記錄了每一位參與者大腦的高分辨率圖像，然后記錄下數(shù)小時(shí)關(guān)于記憶、語言及其他思維類型測試下大腦的活動(dòng)情況。

在以往繪制大腦皮層地圖的嘗試中，科學(xué)家們通常每次只注意觀察一類現(xiàn)象，例如，細(xì)胞的排列方式。人腦連接組計(jì)劃則使得從更多細(xì)節(jié)方面對大腦進(jìn)行研究成為可能。

除了觀察大腦活動(dòng)外，科學(xué)家們還觀察了大腦的解剖結(jié)構(gòu)。他們檢測了髓磷脂——一種使神經(jīng)元絕緣的脂肪類物質(zhì)——的含量。他們發(fā)現(xiàn)大腦皮層一個(gè)區(qū)域與旁邊另一個(gè)區(qū)域的髓磷脂水平有著顯著差異。

“我們有112種不同類型可供深入挖掘探索的信息?！贝笮l(wèi)·范·埃森（David Van Essen）說道。他是華盛頓大學(xué)醫(yī)學(xué)院參與人腦連接組計(jì)劃的首席研究員。

選用了這些變量后，科學(xué)家們使用來自于210例大腦的數(shù)據(jù)對一臺計(jì)算機(jī)進(jìn)行了訓(xùn)練，使其能夠識別大腦皮層的離散區(qū)域。一旦這臺計(jì)算機(jī)對髓磷脂、大腦活動(dòng)及其他腦部特征的獨(dú)特組合有了大致概念后，科學(xué)家們就用它對另外210例大腦進(jìn)行了測試。

計(jì)算機(jī)可以在新的大腦樣本中以96.6%的準(zhǔn)確度精確定位大腦不同區(qū)域?？茖W(xué)家們發(fā)現(xiàn)繪制大腦地圖只需要少量特征。這也就意味著研究人員將能夠使用自己的試驗(yàn)方法在一個(gè)小時(shí)多一點(diǎn)的腦部掃描中繪制出一個(gè)人的大腦地圖。

計(jì)算機(jī)生成的大腦地圖包含有83個(gè)已為人熟知的區(qū)域，例如布羅卡氏區(qū)，但同時(shí)也包含有97個(gè)此前不為人知或是被人忽略的區(qū)域。

打個(gè)比方，20世紀(jì)50年代時(shí)，德國研究人員注意到大腦一側(cè)的某塊區(qū)域其神經(jīng)元與相鄰的區(qū)域相比幾乎沒有髓鞘。但這一發(fā)現(xiàn)很快就被忽視了。

計(jì)算機(jī)再次發(fā)現(xiàn)了這個(gè)奇特的區(qū)域，并且范·埃森及其同事發(fā)現(xiàn)當(dāng)人們傾聽故事時(shí)，該區(qū)域會變得異?；钴S。這一發(fā)現(xiàn)顯示：這個(gè)被他們稱作55b的區(qū)域跟布羅卡氏區(qū)一樣，是大腦語言網(wǎng)絡(luò)的一部分。

在大腦皮層的其他部分，科學(xué)家們能夠把先前已被人識別的大腦區(qū)域細(xì)分為更小的部分。例如，他們發(fā)現(xiàn)靠近大腦前部的一大片區(qū)域其實(shí)是由十幾個(gè)較小的區(qū)域組成的。

這個(gè)區(qū)域在許多不同類型的思維方式（從決策制定到欺詐）下均會變得活躍。很可能每個(gè)新劃分出的較小的區(qū)域?qū)τ谄渲心撤N思維任務(wù)來說很重要。

由科學(xué)家們開發(fā)的計(jì)算機(jī)程序?qū)τ诶L制大腦皮層地圖已極為嫻熟，以至于它能夠識別出隱藏區(qū)域，即使這些隱藏區(qū)域呈現(xiàn)出的是不同尋常的形狀。例如，其中十二名實(shí)驗(yàn)對象的55b區(qū)域均被分為兩個(gè)獨(dú)立的小區(qū)域（研究人員目前還不知道這是否會影響到研究對象如何使用語言）。

其他神經(jīng)系統(tǒng)科學(xué)家們希望新的大腦地圖能夠助自己的實(shí)驗(yàn)一臂之力，讓他們可以弄明白大腦的齒輪到底是如何運(yùn)作的。

“下一個(gè)重要步驟就是弄明白新的大腦地圖在獲得更多的能力方面能給我們提供什么樣的幫助?！卑悺し叶鳎‥mily Finn）說道。她是耶魯大學(xué)的研究生，曾利用人腦連接組計(jì)劃收集到的數(shù)據(jù)來尋找大腦活動(dòng)和智力之間的關(guān)聯(lián)性。

來自加利福尼亞大學(xué)圣地亞哥分校的克萊菲爾德預(yù)測其他研究人員將會找到方法來驗(yàn)證新的大腦地圖的準(zhǔn)確性?；驒z測，例如：如果大腦皮層的180個(gè)區(qū)域互有差異，那么每個(gè)區(qū)域的神經(jīng)元都應(yīng)共有一組獨(dú)特的活性基因?！澳憧梢韵胂竽氵M(jìn)入到那180個(gè)大腦區(qū)域中，取一塊組織，看一看是否真的能夠從基因?qū)用嫔蠈⑺麄儏^(qū)別開來。”他說道。

范·埃森表示他和其他幾位科學(xué)家將會利用這張大腦地圖來跟蹤監(jiān)測年輕大腦的發(fā)育狀況，探索由阿爾茲海默病等疾病導(dǎo)致的大腦病變。

“我們不應(yīng)去期待奇跡的出現(xiàn)以及簡單的答案，”他說道，“但是我們應(yīng)當(dāng)加快進(jìn)度?！?/p>

[資料來源：The New York Times][責(zé)任編輯：遙醒]

本文作者卡爾·齊默（Carl Zimmer），美國科普作家。