最新大腦圖譜發現近百個新區域

張茜/編譯

最新大腦圖譜發現近百個新區域

張茜/編譯

在一張未標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人在聽故事時大腦左半球的活動模式。在2016年7月20日，研究人員發表了一個壯觀的圖譜，這個圖譜被眾多專家稱為神經科學的一個里程碑

●科學家們在嘗試著去理解大腦的幾乎各個方面——從大腦在兒童及老年人中如何發育，到大腦如何被阿爾茲海默病和精神分裂癥等疾病損害時——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，大腦實際上可被劃分為若干隱形區域。每個區域都有其專業分工：有些神經元組群在我們進行面部識別時變得活躍，有些在我們進行閱讀時變得活躍，而有些在我們舉起手時變得活躍。

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

科學家們在嘗試著去理解大腦的各個方面均將依靠這一新指南。“這是理解我們為何處于現在這樣的狀態的一個步驟。”大衛·克萊菲爾德（David Kleinfeld）如是說，他是加利福尼亞大學圣地亞哥分校的一位神經系統科學家，并未參與該項研究。

科學家們利用先進的掃描儀和運行有人工智能程序的電腦從數以百計測試對象收集來的海量數據中“學著”識別大腦的隱藏區域，這是一次比先前遠為復雜和廣泛的嘗試。

這雖然是一項重大的進步，但新的大腦地圖并不能對大腦運作方式的一錘定音。科學家們也許還要再花上幾十年才能弄明白大腦每個區域的分工。

“這張地圖你應該把它當成是1.0版。”馬修·格拉瑟（Matthew Glass er）這樣說道，他是圣路易斯華盛頓大學醫學院的一名神經系統科學家，也是該項新研究論文發表的第一作者，“隨著數據質量的優化，以及越來越多的人對數據的關注，也許還會有2.0版。我們希望這張大腦地圖能夠隨著科學的發展而演變。”

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

他們去世后，布羅卡檢查了他們的大腦。在最外層——也就是大腦皮層——他發現兩位患者同樣的組織部位均受到了損傷。

該區域被稱為布羅卡氏區。在最近幾十年中，科學家們發現當人們講話或者試圖去理解其他人講話的內容時，該區域就會變得活躍。

19世紀末期，德國的一組研究人員識別出了大腦皮層的其他區域，每個區域都有著以獨特方式聚集在一起的不同類型的細胞。1907年，科爾比尼恩·布洛德曼（Korbinian Brodmann）發表了大腦52個區域的目錄。

從那時起，神經系統科學家們就依賴于他的手繪大腦地圖，并結合自己的研究添加適量的新區域。

“這就是你在大腦中定位的標準。”格拉瑟如是說。

三年前，格拉瑟和同事們開始創建一個新的標準。他們借鑒了人腦連接組計劃收集到的數據，該計劃利用強大的新型掃描儀對1 200名志愿者進行了研究。

該項目組記錄了每一位參與者大腦的高分辨率圖像，然后記錄下數小時關于記憶、語言及其他思維類型測試下大腦的活動情況。

在以往繪制大腦皮層地圖的嘗試中，科學家們通常每次只注意觀察一類現象，例如，細胞的排列方式。人腦連接組計劃則使得從更多細節方面對大腦進行研究成為可能。

除了觀察大腦活動外，科學家們還觀察了大腦的解剖結構。他們檢測了髓磷脂——一種使神經元絕緣的脂肪類物質——的含量。他們發現大腦皮層一個區域與旁邊另一個區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。”大衛·范·埃森（David Van Essen）說道。他是華盛頓大學醫學院參與人腦連接組計劃的首席研究員。

選用了這些變量后，科學家們使用來自于210例大腦的數據對一臺計算機進行了訓練，使其能夠識別大腦皮層的離散區域。一旦這臺計算機對髓磷脂、大腦活動及其他腦部特征的獨特組合有了大致概念后，科學家們就用它對另外210例大腦進行了測試。

計算機可以在新的大腦樣本中以96.6%的準確度精確定位大腦不同區域。科學家們發現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方法在一個小時多一點的腦部掃描中繪制出一個人的大腦地圖。

計算機生成的大腦地圖包含有83個已為人熟知的區域，例如布羅卡氏區，但同時也包含有97個此前不為人知或是被人忽略的區域。

打個比方，20世紀50年代時，德國研究人員注意到大腦一側的某塊區域其神經元與相鄰的區域相比幾乎沒有髓鞘。但這一發現很快就被忽視了。

計算機再次發現了這個奇特的區域，并且范·埃森及其同事發現當人們傾聽故事時，該區域會變得異常活躍。這一發現顯示：這個被他們稱作55b的區域跟布羅卡氏區一樣，是大腦語言網絡的一部分。

在大腦皮層的其他部分，科學家們能夠把先前已被人識別的大腦區域細分為更小的部分。例如，他們發現靠近大腦前部的一大片區域其實是由十幾個較小的區域組成的。

這個區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。很可能每個新劃分出的較小的區域對于其中某種思維任務來說很重要。

由科學家們開發的計算機程序對于繪制大腦皮層地圖已極為嫻熟，以至于它能夠識別出隱藏區域，即使這些隱藏區域呈現出的是不同尋常的形狀。例如，其中十二名實驗對象的55b區域均被分為兩個獨立的小區域（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）。

其他神經系統科學家們希望新的大腦地圖能夠助自己的實驗一臂之力，讓他們可以弄明白大腦的齒輪到底是如何運作的。

“下一個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。”艾米麗·芬恩（Emily Finn）說道。她是耶魯大學的研究生，曾利用人腦連接組計劃收集到的數據來尋找大腦活動和智力之間的關聯性。

來自加利福尼亞大學圣地亞哥分校的克萊菲爾德預測其他研究人員將會找到方法來驗證新的大腦地圖的準確性。基因檢測，例如：如果大腦皮層的180個區域互有差異，那么每個區域的神經元都應共有一組獨特的活性基因。“你可以想象你進入到那180個大腦區域中，取一塊組織，看一看是否真的能夠從基因層面上將他們區別開來。”他說道。

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

“我們不應去期待奇跡的出現以及簡單的答案，”他說道，“但是我們應當加快進度。”

[資料來源：The New York Times][責任編輯：遙醒]

本文作者卡爾·齊默（Carl Zimmer），美國科普作家。