最新大脑图谱发现近百个新区域

张茜/编译

最新大脑图谱发现近百个新区域

张茜/编译

在一张未标明具体日期的资料图片中，扫描仪器中的脑部扫描显示了当人在听故事时大脑左半球的活动模式。在2016年7月20日，研究人员发表了一个壮观的图谱，这个图谱被众多专家称为神经科学的一个里程碑

●科学家们在尝试着去理解大脑的几乎各个方面——从大脑在儿童及老年人中如何发育，到大脑如何被阿尔兹海默病和精神分裂症等疾病损害时——均将依靠这一新指南。

大脑看起来就是一片平淡无奇的沟回，然而，大脑实际上可被划分为若干隐形区域。每个区域都有其专业分工：有些神经元组群在我们进行面部识别时变得活跃，有些在我们进行阅读时变得活跃，而有些在我们举起手时变得活跃。

2016年7月底，研究人员绘制了最新大脑地图，该地图详细绘制了近百个此前未知的大脑区域，是对人类思维装置史无前例的窥视。

科学家们在尝试着去理解大脑的各个方面均将依靠这一新指南。“这是理解我们为何处于现在这样的状态的一个步骤。”大卫·克莱菲尔德（David Kleinfeld）如是说，他是加利福尼亚大学圣地亚哥分校的一位神经系统科学家，并未参与该项研究。

科学家们利用先进的扫描仪和运行有人工智能程序的电脑从数以百计测试对象收集来的海量数据中“学着”识别大脑的隐藏区域，这是一次比先前远为复杂和广泛的尝试。

这虽然是一项重大的进步，但新的大脑地图并不能对大脑运作方式的一锤定音。科学家们也许还要再花上几十年才能弄明白大脑每个区域的分工。

“这张地图你应该把它当成是1.0版。”马修·格拉瑟（Matthew Glass er）这样说道，他是圣路易斯华盛顿大学医学院的一名神经系统科学家，也是该项新研究论文发表的第一作者，“随着数据质量的优化，以及越来越多的人对数据的关注，也许还会有2.0版。我们希望这张大脑地图能够随着科学的发展而演变。”

有关大脑隐藏地图的第一丝线索出现于150多年前。19世纪60年代，两位不能讲话的患者引起了内科医生皮埃尔·保尔·布罗卡（Pierre Paul Broca）的注意。

他们去世后，布罗卡检查了他们的大脑。在最外层——也就是大脑皮层——他发现两位患者同样的组织部位均受到了损伤。

该区域被称为布罗卡氏区。在最近几十年中，科学家们发现当人们讲话或者试图去理解其他人讲话的内容时，该区域就会变得活跃。

19世纪末期，德国的一组研究人员识别出了大脑皮层的其他区域，每个区域都有着以独特方式聚集在一起的不同类型的细胞。1907年，科尔比尼恩·布洛德曼（Korbinian Brodmann）发表了大脑52个区域的目录。

从那时起，神经系统科学家们就依赖于他的手绘大脑地图，并结合自己的研究添加适量的新区域。

“这就是你在大脑中定位的标准。”格拉瑟如是说。

三年前，格拉瑟和同事们开始创建一个新的标准。他们借鉴了人脑连接组计划收集到的数据，该计划利用强大的新型扫描仪对1 200名志愿者进行了研究。

该项目组记录了每一位参与者大脑的高分辨率图像，然后记录下数小时关于记忆、语言及其他思维类型测试下大脑的活动情况。

在以往绘制大脑皮层地图的尝试中，科学家们通常每次只注意观察一类现象，例如，细胞的排列方式。人脑连接组计划则使得从更多细节方面对大脑进行研究成为可能。

除了观察大脑活动外，科学家们还观察了大脑的解剖结构。他们检测了髓磷脂——一种使神经元绝缘的脂肪类物质——的含量。他们发现大脑皮层一个区域与旁边另一个区域的髓磷脂水平有着显著差异。

“我们有112种不同类型可供深入挖掘探索的信息。”大卫·范·埃森（David Van Essen）说道。他是华盛顿大学医学院参与人脑连接组计划的首席研究员。

选用了这些变量后，科学家们使用来自于210例大脑的数据对一台计算机进行了训练，使其能够识别大脑皮层的离散区域。一旦这台计算机对髓磷脂、大脑活动及其他脑部特征的独特组合有了大致概念后，科学家们就用它对另外210例大脑进行了测试。

计算机可以在新的大脑样本中以96.6%的准确度精确定位大脑不同区域。科学家们发现绘制大脑地图只需要少量特征。这也就意味着研究人员将能够使用自己的试验方法在一个小时多一点的脑部扫描中绘制出一个人的大脑地图。

计算机生成的大脑地图包含有83个已为人熟知的区域，例如布罗卡氏区，但同时也包含有97个此前不为人知或是被人忽略的区域。

打个比方，20世纪50年代时，德国研究人员注意到大脑一侧的某块区域其神经元与相邻的区域相比几乎没有髓鞘。但这一发现很快就被忽视了。

计算机再次发现了这个奇特的区域，并且范·埃森及其同事发现当人们倾听故事时，该区域会变得异常活跃。这一发现显示：这个被他们称作55b的区域跟布罗卡氏区一样，是大脑语言网络的一部分。

在大脑皮层的其他部分，科学家们能够把先前已被人识别的大脑区域细分为更小的部分。例如，他们发现靠近大脑前部的一大片区域其实是由十几个较小的区域组成的。

这个区域在许多不同类型的思维方式（从决策制定到欺诈）下均会变得活跃。很可能每个新划分出的较小的区域对于其中某种思维任务来说很重要。

由科学家们开发的计算机程序对于绘制大脑皮层地图已极为娴熟，以至于它能够识别出隐藏区域，即使这些隐藏区域呈现出的是不同寻常的形状。例如，其中十二名实验对象的55b区域均被分为两个独立的小区域（研究人员目前还不知道这是否会影响到研究对象如何使用语言）。

其他神经系统科学家们希望新的大脑地图能够助自己的实验一臂之力，让他们可以弄明白大脑的齿轮到底是如何运作的。

“下一个重要步骤就是弄明白新的大脑地图在获得更多的能力方面能给我们提供什么样的帮助。”艾米丽·芬恩（Emily Finn）说道。她是耶鲁大学的研究生，曾利用人脑连接组计划收集到的数据来寻找大脑活动和智力之间的关联性。

来自加利福尼亚大学圣地亚哥分校的克莱菲尔德预测其他研究人员将会找到方法来验证新的大脑地图的准确性。基因检测，例如：如果大脑皮层的180个区域互有差异，那么每个区域的神经元都应共有一组独特的活性基因。“你可以想象你进入到那180个大脑区域中，取一块组织，看一看是否真的能够从基因层面上将他们区别开来。”他说道。

范·埃森表示他和其他几位科学家将会利用这张大脑地图来跟踪监测年轻大脑的发育状况，探索由阿尔兹海默病等疾病导致的大脑病变。

“我们不应去期待奇迹的出现以及简单的答案，”他说道，“但是我们应当加快进度。”

[资料来源：The New York Times][责任编辑：遥醒]

本文作者卡尔·齐默（Carl Zimmer），美国科普作家。