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最精確人類大腦地圖繪出!97區域首查明

大腦的運行原理就像生命起源一樣,是人類的終極問題之一。就如同地球儀上描制的不同國家幫助我們了解我們在哪裡以及國家之間的不同,現在科學家對於大腦皮層已經描繪出了這樣的地圖,每個半球的山峰和低谷一樣的褶皺被分成180個獨立的部分。這些區域在結構、功能和相鄰部分的連接屬性上都有明顯的不同,它們其中的97個之前都沒有被描述過,屬於首次公布。這個迄今為止最全面最精確的人類大腦地圖於7月20日在線發表在權威科學雜誌《自然》上。

這項研究由位於美國聖路易斯市的華盛頓大學一個研究小組完成,是奧巴馬政府推進的人腦功能探索計劃的其中一項。這一成果將成為大腦研究的基礎,有望為人類衰老及腦部疾病研究做出貢獻。

科研人員使用圖像診斷設備詳細調查大腦情況後,繪製出了按照結構和功能劃分的大腦“地圖”。圖中,大腦的每個半球都分成了180個特定的皮層區,其中97個區域屬於首次被查明。

一直以來,科學家試圖描繪出一幅包含人腦連接性、功能和微觀結構的高清圖譜,來更好地了解它如何作為一個整體工作。但由於技術難度過大,這一設想一直未能成真。目前,絕大多數的大腦圖譜都從較小的人群中得來,僅涉及上述特性的一小部分,例如,最著名的腦圖譜之一是根據組織中細胞的排列,將大腦皮層分為52個區域。這些限制導致大腦圖譜“模糊不清”,且無法在個體間進行複製。

在這項新研究中,華盛頓大學的生物學家馬修·格拉塞(Mathew Glasser)、大衛·馮·埃森(David Van Essen)和他們的同事藉助機器學習技術,利用核磁共振成像裝置(MRI)對210名22-35歲的健康年輕人腦部進行了分析。

之前的大部分腦地圖是基於單一類型的測量來建立的。對大腦內部如何工作會提供不完全甚至是誤導的見解。而新的腦地圖是基於多個MRI。

該大學的研究人員根據刺激大腦時的反應、結構以及神經的連接部位等多種信息,對大腦皮層進行了研究。這些參加測試的年輕人都來自人類連接組計劃(Human Connectome Project)。

始於2010年的人類連接組計劃相當於人類基因組計劃的大腦版,是一項耗資高達4000萬美元的項目,旨在通過掃描1200名健康成年人的大腦,比較他們大腦各區域神經連接的不同,以及由此導致的認知和行為方面的個體差異,最終描繪出人類大腦的所有神經連接情況。

這些信息包括大腦皮質厚度的測量、腦功能、區域之間的連接、腦組織細胞的局部定位和髓鞘(一種加速神經信號的脂肪物質)的水平。

監督這項最新研究的華盛頓大學的神經生物學家大衛·馮·埃森介紹,這個大腦地圖上每一個離散的區域是彼此不同的,正如不同的國家有明確的邊界和獨特的文化。新的地圖根據物理上的差異(如皮質的厚度),功能上的區別(如區域對語言刺激做出的反應),和在該地區的連接的差異將左右大腦半球各分為180個區域。

為了製作這張地圖,大衛·馮·埃森和他的同事們結合了大腦皮層的厚度和神經“電纜”周圍的絕緣層的厚度,並用MRI掃描大腦的靜止狀態和當大腦執行簡單的任務時,例如聽一個故事時的狀態。

結果發現有些區域清楚地包含在某些特定的任務中,比如55b會在一個人聽到故事時活躍起來。其它的區域有的包含了一個人視野的地圖,或者參與控制運動。大多數領域永遠不會被確定成單一的功能,因為它們不只做一件事而是從很多不同的信號中協調信息。

研究結果顯示,能夠感受到聽覺、視覺及冷暖等外部環境的變化並作出反應的部位。在一共360個皮層區域中,有83個區域屬於已知,剩下的97個區域是首次。準確繪製出解析度較高的大腦地圖是神經科學家的長年課題。

據悉,新圖譜還在另外210位獨立被試者中得到了驗證。研究人員稱,雖然存在個體差異,但他們在新被試者中準確地辨別出了這些區域。

論文作者稱,科學家現在就能使用這一解剖框架,將其與其他人腦造影方法進行比較,在已被定義的大腦區域發現與功能和疾病相關的信息。這幅被稱為“人類連接組計劃多模態分區1.0版”的神經解剖圖譜未來還會進一步改進和升級。由於幾乎適用於所有人,新圖譜有望首先在神經手術中獲得應用。此外,通過與靈長動物對比,它還可能提供有關人類認知演化的新見解。

相關論文發表在最新一期《自然》雜誌上。

對於這項研究的前景,新墨西哥大學的神經心理學家雷克斯·榮格(Rex Jung)評論說:“這項工作的重點是創造一個美好的、可靠的、平均的腦模板。它確實為進一步探索人類所獨有的智力和創造能力提供了可能性。”

但這個地圖在某些重要方式上是有限的。比如它對於大腦的生化基礎或者單個或小組類群的神經元活動很少有揭示。榮格解釋說:“這好比對你的鄰居和你的後院有可以由Google Earth地圖顯示。但是你不能真正看到你的鄰居在周圍如何走動,他們要去哪裡或他們有什麼樣的工作。”

《科技日報》總編輯分析稱,本研究為大腦建立了一個基本模型,用直觀可視化的方式,讓疾病治療和基礎研究有了參考的標準。這只是一個意義重大的起步,相信這個模型會不斷完善,讓我們日益接近進化的奧秘。當然,要達成這個目標,就需要全世界科學家的參與,也需要更多志願者的付出。

新的研究是否會讓意念控制技術進一步完善呢?

阿波羅網責任編輯:陳柏聖 來源:科技日報 轉載請註明作者、出處並保持完整。

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