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大脑活动的瞬间是怎样的?
来源 : 科学之家   发布时间 : 2015-07-03 14:07

图片来源:Wikimedia Commons


如果没有经过培训,人们可能会认为这是地震仪对一次大地震的记录或是某一天华尔街起伏不定的经济指数,用红色 、 蓝色和绿色在墙上表示曲线的峰值和谷值。但它和地理或经济并没有关系。

它是耶鲁实验室( Yale lab)的两位研究人员,Shaul Yahil和Shaw Bronner交谈时的大脑动态。

Yahil描述电脑屏幕上的图案时说:“这是一只叉子,在吃饭的时候用来叉食物。它是西方常用的餐具。”

Bronner 回复道:“它看起来不像是真正的纯银叉子,但十分实用。”随后,她描述了自己电脑屏幕上的图案:“这张图片看起来是一只小猩猩。”

多种颜色构成的曲线描绘了两名研究者大脑所处的状态——正在沟通的两个大脑,它们正进行着复杂的内部活动。这并不是什么小把戏。 但是对于某些问题大脑跟踪技术还不能完全解答,例如,一块三磅重的脂肪组织和冷粥的作用是否一致等。

大脑是如何汇集近1000亿个神经细胞,通过有100兆连接机制的回路来工作,让我们思考,感受,行动和感知周围的世界?大脑这个复杂机器是如何出错,使人沮丧,妄想或精神错乱?面对这些,我们能做些什么?

诸多问题促使Barack Obama总统在2013年启动了“大脑”创新计划。其宗旨是:促进研究大脑的新工具的开发。欧洲和日本都在大脑研究中投入了很大精力。

大脑消耗了人体20%的能量,它还有很多神秘之处且意义深远。但是科学家正在利用一些精密仪器来探索人类大脑内部,希望得到一些关于人类大脑运作的线索。

通过验尸解剖大脑或研究动物大脑可以学到很多,但是毕竟没有什么比观察人脑运作要好。研究人员Joy Hirsch说:“大脑就像是一辆汽车的马达。你可以在它不工作的时候研究它,但是在你启动并驾驶那辆车的时候,你看不清所有的部件是如何一起工作,以及它的动力是什么。”

她所掌管的耶鲁大脑功能实验室(Yale Brain Function Lab)正在研究,我们的大脑是如何让我们与其他人交流的,这是神经学最基础的问题之一。孤独症和精神分裂症患者缺少与人交流的能力。她说:“它可能是人类最基础的功能之一,但是我们对它了解的还很少。”

Hirsch将注意力转向一个有几十年历史的大脑映射技术。最近,这项技术才得到充分发展,她在研究中用了这项技术。

为展示这项技术,Yahil和Bronner在交流的时候,她俩每个人都戴有一个黑白色头盔。头盔上面有64根像发绺一样纤细的黑色连接线。一半连接线的末梢发出微弱的激光束,这些激光束穿过头骨渗透到他们大脑大约1英寸深的位置。激光束遇到血液后反射回来,并被另外一半的连接线接收。

激光反射能够反映血液的含氧量。当大脑回路忙碌时,会使用更多的氧气。Bronner听Yahil讲话并做出回复时,血液中的含氧量能反映大脑活动模型的间接指数,反之亦然。

这项技术仅能够监测靠近大脑表面的区域,因此会错过情感中心发出的信号。但是这项技术显示,在交谈过程中,注视对方面部会使大脑开启的回路有所不同。

使用一套类似的装置,研究人员最近在中国建立了一个由三位大学生组成的小组作为受试者来研究。研究人员给每个小组成员一个话题并让其展开讨论。结果显示,作为小组领导的学生的大脑模型与其他两名学生的大脑模型有更强的同步性,然而,两个同学说话时,他们大脑模型的同步性就弱一点。领导者的沟通能力越强,这种联系越紧密。

在他们同时监测多个大脑的试验中,这种现象却不常见。通常来说,每次试验仅能监测一个大脑。

研究人员早在19世纪20年代就已经捕捉到了人类大脑活动的瞬间,头皮电极首次监测到了脑细胞的电流交流,并得到了曲折的脑电图。20世纪70年代和80年代晚期,研究人员利用其他技术得到了早期脑成像,如正电子发射X射线层析照相术扫描成像。

但当今广泛应用的脑成像技术始于1991年旧金山的一次会议。科学家观看了一部令人“惊愕”的短片,这部短片展示了处理视觉信息的大脑区域活动。那个短片是通过功能性磁共振成像技术(functional magnetic resonance imaging, fMRI)拍出来的。

基本上讲,功能性磁共振成像和Hirsch的激光器系统所做的工作是一样的:它把血液中的氧含量作为脑细胞活性的追踪器。但是它能利用强大的磁场进入大脑更深的地方。所以,它能够捕捉微弱的磁信号来追踪小范围内血液中的氧含量;氧含量陡增说明附近有活跃的脑细胞。

这一实验产生了惊人的结果:带有明亮彩色斑点的详细大脑成像能够显示脑细胞活跃区域。它不是直接图像,不像X射线那样能显示骨折,而是对关键设想和许多复杂数字运算的重建。

有多复杂?想一想研究人员把一条4磅重的死大西洋鲑鱼放在核磁共振扫描仪中,让它记录下人们在看一些图片时的感受。这听起来有些荒唐可笑,但是一些原始数据显示了大脑活动。研究者说,这个研究是为了对大脑成像的复杂数据进行仔细的统计学分析。

即使这项技术是正确的,但功能性磁共振成像并不完美。它对大脑的取样频率每秒不足一次,与激情的大脑活动相比它似乎没怎么变化。然而,它的分辨率很高,每一边的每英寸都有几百个方形空间,每个方形空间包含成百上千个脑细胞。如果其中一个方形显示活跃,你是分辨不出到底哪些细胞在活跃着。

如果功能性磁共振成像显示两个大脑区域同时活跃,它不能显示是哪个激活的另一个。

华盛顿大学医学院(Washington University School of Medicine)的Marcus Raichle博士说道:“即便如此,功能性磁共振成像能够检测大脑活动中与特定任务相关的变化,这些变化很微小,所以很难察觉。你可能认为自己正在充分利用大脑来解一个难解的字谜或回想某人的名字。但是这种活动仅仅会稍稍改变大脑整个能量消耗。”

Raichle表示:“这是因为你的大脑所做大部分的事情,一直都在进行。”

我们没有关注任何事情的时候,我们的大脑回路正在做些什么呢?

南加州大学(University of Southern California)John Darrell Van Horn说:“这可能是大脑成像中,目前最值得研究的热点之一。”

大脑扫描显示,当人处于休息状态,没有特定脑力活动时,他们的大脑仍与其他区域保持互相交流。Van Horn表示:“研究发现,通常情况下,人们会想一些无聊的事情,例如给汽车加油或麻烦的谈话。”

科学家正在研究,这些人处于休息状态的大脑活动模式如何揭示大脑及其疾病。当人们有恐慌症或抑郁症时,人的大脑活动模式是不同的。南加州大学老年医学和心理学教授Mara Mather说:“在一种特定模式中,老人的大脑活动比年轻人要少,对于阿尔茨海默病人,大脑活动的减少更明显。”

“孤独症患者大脑网络中的大脑活动也较少。”

美国国立卫生研究所的Peter Bandettini说:“精神分裂症患者在休息状态时与正常人相比,也呈现出不同的大脑活动模式。因此,研究人员会在自然条件下研究大脑功能的不同之处,而不必依靠分给人们特定的脑力劳动任务,并让他们去执行这些任务,以使大脑功能的不同之处更明显来研究大脑的不同功能。”

人们还不完全了解大脑处于休息状态时的情况,Bandettini说:“所有人都投身于这方面的研究了。这方面的研究可以为我们展示在执行主要任务时,大脑的哪些区域需要与其他区域合作。

近来大脑成像的研究重点不是定位大脑执行特定任务的特定区域,而是描绘大脑工作的回路。

Mather说:“大脑中没有任何区域是独立运行的。它们通过网络互相通讯。”

大脑中神经纤维的通讯流平均为15万公里。单个纤维太细小了,我们用大脑扫描仪看不到它,但是它们形成的纤维束穿过大脑的中央区域时,我们就可以检测到。

那些正在描绘大脑“连接体”的研究人员将那些纤维束作为研究重点,这些纤维束形成了灰质区域之间相互连接的复杂网络,思想的火花就是在这里产生的。

华盛顿大学(Washington University)的David Van Essen说:“大脑中的每一块灰质准确地与其他数百个位点通讯。其通讯方法与现代电脑回路的连接方式有很大的不同。”

“当电脑以光速般的速度处理数字时,而大脑“黏糊糊的硬件”还在用十分缓慢的内部通讯来工作。

“我们能够用优于电脑的方法做出分析和推论。因为我们大脑的线路是不同的,并且在某些方面很智能。但是我们对规则、 策略方面的细节还不太清楚。”

“连接体的作用还处于早期阶段。但是它的不同寻常之处在于:缪斯乐队把彩色的大脑连接描绘图作为他们的一张专辑的封面。”

除此之外,一方面已经逐渐清晰:大脑的外围,即大脑皮层,每个组织都在做什么工作。Van Essen说:“教科书中所示图案就和16世纪的地图一样复杂。”

他说:“我们现在知道的,但是还未添加在教科书中的内容则更像是17世纪的地图,某些地方是准确的,但是在那些所谓的未开发大陆却可笑地跑偏了。”

“人类连接体项目就是要使大脑成像图像18世纪或19世纪的地图那样复杂。”

若想让大脑成像图像达到谷歌地图那样复杂,还有很长的路要走。

Van Essen说:“当我们思考或说话的时候,控制你的或我的大脑低于这个或那个神经元的水平。这些事情中有些超出了我们能够做的或预测的范围。我们有些人会认为那可能超过了人脑可应付的范围。”

一些大脑扫描研究从信息性发展到令人吃惊的程度,比如说解码——通过观测大脑活动图来弄清楚某人正在看什么,甚至是正在想什么。

在2011年,研究者报告,在对人脑进行扫描时,他们可以重建出此人所观察影像的十分粗糙的副本。两年后,日本科学家报告道,在高度受控的条件下,他们能够知道人们到底梦到了什么。

这些发现对于研究大脑是如何组织的很有价值。加州伯克利大学(University of California, Berkeley)的Jack Gallant说:“近期,解码技术可能会帮助那些受医疗条件限制而不能正常交谈的人。

随着大脑扫描技术的进步,科学家期望有更多的发现。Van Horn说道:“有一种技术已经能够让核磁共振成像仪在一秒内多次捕捉大脑成像,而非每秒少于一次,并且这项技术的使用越来越广泛。很明显,利用这项技术获取大脑成像,我们可以更快地获取新信息,而且科学家正开始了解如何解读这些信息。

Bandettini说:“但是,功能性磁共振成像现在不能揭示一个特定激活区域是否刺激了其他区域。这种情况未来也许会改变。”如果科学家能够更好地测量大脑中不同位点之间活动的微小滞后,或得到发出信号和接受信号脑细胞之间更高分辨率的图像差异,那么关键问题就能解决。

与此同时,Hirsch正在研究她用来跟踪两个大脑交流的监测技术,是否能够做成便携式的。如果可以,她会将她的试验从实验室移到更自然的环境中。

她说:“人们走路、说话、运动、走在杂货店过道上,或在匆忙做决定的时候,对人们成像更为容易——例如,开车时。”

制作便携设备来取代大型核磁共振成像仪能够为大脑解码开拓一片天地。这不仅是对科学家来说的。

Gallant预测,作曲家在未来可以通过想象来作曲。或“你可以想象你要画的图案”,然后让电脑来做剩下的工作。

他说:“写信可以口述完成了。除非你只是想自言自语。”

在未来,为什么要局限在仅仅使用自己的语言呢?

“我可以用英语来思考。我的大脑帽子会读取我的想法,把它发送到谷歌,然后由谷歌发回相应的日语。你可以通过帽子上的小喇叭来讲话。”

“这在理论上一点儿挑战也没有,只要有足够多的数据就可以做到。”(科学之家,译审:YY F)

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