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翻译:红色甲壳虫

自我介绍:爱理科,也爱文科,爱科学也爱传统文化,爱逻辑也爱小清新,我是红色甲壳虫,理科逃兵。

校对:歪歪

小红花等级:4朵

原文地址:Mind's circuit diagram to be revealed by mammoth map


人类大脑是世间最复杂的实体,为了研究大脑组织,研究人员迫切需要一个详细的图谱来指导研究,以研究了解人类的记忆,思想和本我。

神经科学家在马萨诸塞州剑桥市一间暗室里,组装了一套奇怪的研究设备,这套设备由组织切片机和老式胶片放映机组成并串联运行:组织切片机将脑组织样本切成薄片并置于胶片上。设备一直运行于无人监管的状态下, 偶尔有人--比如顶着墩布发型的哈佛大学博士后纳拉亚南•卡斯瑟里(Narayanan Kasthuri)--进来检查一下有没有运行出错。

这组设备看起来不太专业,但它带来研究成果极有可能变革神经科学界。组织切片机一片一片切下老鼠的脑组织,每一片的厚度只有铝箔的千分之一,这些铺满胶卷的薄片随后会被扫描拍照。通常一卷胶片承载了6000份切片样品,而这6000份切片组成的脑组织仅仅有一颗盐粒大。

研究人员利用电子显微镜扫描脑组织切片并存档为电子照片,随后,电脑程序将分析照片,并识别照片中每一个神经元细胞的轮廓特征,最终将照片一张一张叠加起来:切片的平面扫描图最终累加成一个三维图像。

用行话来说,这些切片扫描拍照实际上是在研究大脑的“神经连接组”( connectome),“组”来源于基因组和蛋白组。基因组是一个生物的全部基因序列的统称,蛋白组表达了一个生物体蛋白质的全部信息,相似的,“神经元连接组”代表了一个生物(的神经组织)中的神经连接的全部信息(比如谁和谁连接,在哪里连接等等)。(译者注:神经元连接组,台湾翻译成脑神经网络体,这个名字更接近 connectome的本义)

这会是一个艰巨的任务。领导哈佛大学研究组的神经系统解剖学专家杰弗里利希特曼认为,老鼠的完整神经元连接组都会将产生庞大的数据,这些数据会比谷歌所有计算机上的信息的多数百倍之多。而这一切,都只是个开始,这些努力可以被视为一个更大的工程的预演:绘制人类神经元连接组图谱,这个工程的工作量至少比老鼠神经元连接组大四个数量级。

一般认为,成年人类大脑的神经元数量大约是1011个, 神经元细胞比一般的细胞要长得多,如同一棵枝杈众多的树,也像一根细长的有很多分支的电线。一般而言,一个神经元细胞与其他神经元细胞之间有1000个左右连线位点。神经元连线位点的专业名字为突触;(译者:想象一下,1011根电线缠绕在一起,每一根电线跟都与另外的一千根电线打结在一起,而且这1011根电线根本不知道什么是有序排列,全部拧巴缠绕在一起。)所以说人类大脑组织是最复杂的实体不是一句空话,理清这一大团电线的工作量恐怕也是目前人类尝试的项目中最艰难的。不过,也多亏了生物技术和电脑技术的快速发展,研究人员已经迈出了挑战的第一步。

人类大脑神经元连接组的研究遇到的挑战会很多,但研究结果的回馈也是巨大的。即使是最基本的大脑蓝图都可以揭示许多问题,比如基因和经验是如何塑造神经连接的,又是如何决定个体间差异的。类似地,研究人员可能利用连接组的研究结果,进一步探明神经元连接失常导致的疾病,比如自闭症,精神分裂和成瘾症。自然,连接组项目的研究结果也将帮助科研人员更好的研究智力和意识等。研究学者们对这个研究项目的期待很大,盐湖城犹他大学的视觉科学家罗伯特 马克(Robert Marc)评价到, “现代科学家们终于可以解决困扰了我们半个多世纪的一些谜题了。”

经历几十年的时间, 扫描技术才发展到了研究人员需要的程度:探究活体大脑内部。 其中,磁共振成像技术(Magnetic Resonance Imaging MRI)可以拍摄到活体大脑内部的详细结构;另外一项技术是功能性磁共振成像(Functional MRI),这项技术可以测量大脑中的血液供应变化情况。 某一脑区的血液供应上升说明此部分的神经元处于活跃状态。 研究人员利用这个原理来研究脑区的功能:通常要求被试进行一些指定的脑力活动,然后观察大脑血液供应状况,从而找出与脑力活动相关的脑区。

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(磁共振成像利用核磁共振原理取得人体内部的图像,磁共振图像技术得到的照片像X光片一样是黑白的。磁共振成像技术诞生到发展成熟的几十年间,其自身和延伸技术获得了6次诺贝尔奖。

功能性磁共振成像检测大脑中血流变化情况,通常认为血流变化与神经元细胞活动有关:神经元活动强烈,耗氧多,需要的血液供给也多。研究人员经常利用这项技术来研究被试进行脑力活动情况下大脑血液的变化:比如说进行阅读时,血液供应上升的脑区应该与阅读功能相关。)

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虽然上文中的磁共振技术为研究人员提供了新的研究利器,但这些都不能揭示脑内神经元连接的情况。而且这些扫描技术的空间分辨率并不高,照片中的脑组织看起来更像一块奶油蛋糕,而那些高以亿计彼此连接的神经元细胞则无法辨别。

目前为止,研究人员只研究出了线虫的完整神经元连接组。线虫是生物医学研究中的常用模式生物,体长一毫米左右,脑组织中神经元只有302个,神经元连接的接触位点约有9000个。线虫神经连接组的项目实际上起始于1970年代,那个时候研究人员没有任何现代技术的辅助,他们只能把线虫切成几千份,再用电子显微镜拍摄每一份切片。

因为线虫的切片样品很精细,为了避免损坏切片结构,研究人员将切片浮于水珠上拍照。他们创制了一个很有创意的工具:把人眼睫毛沾在牙签上--睫毛签,操作人员利用睫毛签睫毛那一端小心地扰动样品下面的水滴,让水波把切片推送到理想的拍摄位置上,让操作更困难的是,切片在水滴上几乎是透明不可见的。如此艰难的情况下,项目研究人员最终花费了14年才把线虫脑组织的神经元连接图整理出来,并且发表了一篇446页的里程碑文章,名字就是,线虫之思(The mind of a worm)。(详见 (Philosophical Transactions of the Royal Society B, vol 314, p 1).

配图( Sebastian Seung的TED演讲截图:线虫神经元连接组)

比起在实验室使用睫毛签工具盒的时代,科技已经向前发展了很多。比如,哈佛大学的研究团队设计的那个前文提到的胶片放映机组成的脑组织扫描仪,同时,他们也在不断改进这个设备。一年前,这个设备的效率还非常低:把一个一立方毫米大小的老鼠脑组织切成五万份切片竟然要耗费90年,现在的改进版本的效率是花费9年,我们当然可以预期设备的运行速度会更快。但即使有了这些现代技术和现代设备的保障,完整构建哺乳动物脑组织的神经元连接组图谱还是一件很困难的事情。所以,有的科研人员将注意力转移到研究部分大脑,他们想知道,如果我们分区构建大脑神经元链接而不是全部的大脑,会有哪些问题会被解答呢?

比如说:纳拉亚南•卡斯瑟里(Narayanan Kasthuri)准备研究老鼠的小脑组织的神经元连接组。小脑位于大脑的底部,有点像一个菜花,主要控制身体的运动机能。而视觉科学家 罗伯特 马克(Robert Marc)正主攻视网膜。视网膜是眼球后部一块神经细胞丰富的组织,通常被认为是大脑组织在眼球部分的延伸。 罗伯特 马克(Robert Marc) 想通过这个项目研究致盲原因的作用机理,如青光眼和视网膜色素变性等。目前,他的研究团队已经绘制了兔视网膜的一部分: 直径为0.25毫米一部分视网膜上的600个神经元连接图谱。

还有,麻省理工的计算神经科学家塞巴斯蒂安 程( Sebastian Seung)和杰弗里 利希特曼(Jeffrey Lichtman)一起工作,他主要研究斑胸草雀的部分脑组织的神经元连接图,试图解读鸟的鸣叫之迷。这项研究听起来有点离题,但实际上这项研究可能会证实一个假设:人类将能读取大脑的记忆。(译者:演讲术很好的塞巴斯蒂安 程( Sebastian Seung)在TED讲台上针对 神经连接组做了20分钟的演讲。演讲从简到繁解释了神经连接组的含义和研究意义,有兴趣的同学可以看这里http://www.ted.com/talks/sebastian_seung.html)

有意思的是,神经元连接组项目的研究开始吸引了一些超人类主义者的注意。超人类主义者是一些想利用现代科技获得永生的人。他们将神经连接学研究看作是实现人机连接的第一步。其中,大脑保存基金(Brain Preservation Foundation)则开出了一个比刺激太空竞赛的X奖( X Prize)规模稍小的奖励计划:第一个实现保存濒死哺乳动物大脑的实验室奖获得十万六千美金的奖励,大脑被完整保存后,其神经连接组将被解读,大脑中的信息也因此有可能“永生”。

真正的X奖励是一项激励私人太空飞行的项目,中标者将得到一千万美元的奖励。与其相比,大脑保存基金会奖励的十万美元的确不多,不管是因为奖励诱惑不高,还是因为超人类主义的古怪名声,实际上,很多神经科学家对这项奖励反应冷淡, 纳拉亚南•卡斯瑟里(Narayanan Kasthuri) 说:“这项奖励计划跟本没有激励到我,我还是对神经连接学应用于生物研究领域更感兴趣。”

也有人批评这种目标为单个神经元细胞的研究项目。纽约洛克菲勒大学的神经生物学家 查尔斯 吉尔伯特(Charles Gilbert) 指出,神经连接是会改变的。他在老鼠大脑皮层的研究中发现,神经元连接会以每周7%的速度变化着。 查尔斯 吉尔伯特(Charles Gilbert) 说:”所以(神经元连接组项目)得到的不过是神经元连接情况的即时快照而已,而且这并不意味着你得到的神经元连接图是永恒的。”

还有一个理论缺陷是,一份脑组织样品中往往有几千个来自远端脑区的神经元,这些神经元会在切片的边缘错位,从而无法辨认其来源。纽约大学的神经生理学家安东尼 莫夫肖 (Anthony Movshon)说:“大脑某一脑区处理的大部分信息实际上来源于上游远端的脑区,最终也将被送往下游远端的脑区。”

鉴于单个细胞的神经元连接研究项目的缺陷,有些研究小组开始研究比例稍大的神经元连接,而不是绘制每一个神经元细胞连接细节:他们关注的是那些距离稍远的神经元连接。换句话说,正在描绘的将是整个国家的高速公路网,而不是那些小街小路。

虽然大脑是由一团乱麻似的”神经元电线“团组成,但神经元的排列还是很有条理的:大脑外面的是大脑皮层,也叫灰质,由神经元细胞的主体组成,神经元细胞的短分支-树突,在这里与临近细胞连接;位于大脑皮层下面的白质,这里集中着神经元细胞的长分支--轴突,轴突往往与较远的神经元细胞连接。白质之所以叫白质是因为包裹轴突的髓磷脂为白色,轴突聚集成束后自然展现出白色。髓磷脂包裹轴突有许多好处:其绝缘性能提高轴突内的电信号传导,提高远距离信号传输的效率和保真度。

一项绘制轴突连接图谱的百年技术现在还在发挥余热:将染色剂注入大脑某一区域的细胞中,等待并观察这些染色剂会流向哪些远端脑区。纽约冷泉港实验室的 帕萨 迈特(Partha Mitra)利用这项技术的自动化改进版本,注射染料到鼠脑的500个脑区,并观察了染料的路径。他说,他很有可能在今年晚些时候把鼠脑的(轴突)草图绘制出来,并希望这项研究能为随后的在死人大脑的相似研究铺路。他说:“希望我们正在做的这个务实的项目能帮助我们最终了解大脑全部秘密”.

现在, 除了注射有害的染料和大脑切片这样的方法外,我们有更新的方法来追踪远距离神经元连接,这说明,也许我们最终能描绘活体大脑的神经元连接图谱.

其中一项技术是扩散磁共振技术(Diffusion MRI),这项技术利用了水分子的扩散原理:水分子沿着髓磷脂内的轴突扩散要比穿越髓磷脂容易得多。2007年,扩散磁共振技术被报告说能展示大脑中万亿个水分子的互相作用。(详见文章Mind readers)。而水分子的运动方向会展示活体大脑中的数百个轴突束的路径。

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扩散磁共振技术(Diffusion MRI),也叫扩散成像(diffusion imaging) ,示踪图技术(tractography)通过追踪水分子,揭示大脑神经的远距离连接情况,水分子在轴突部分的扩散原理是沿着轴突扩散要比穿越轴突外面的髓磷脂容易地多。

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扩散磁共振(Diffusion MRI)技术的仍处于发展初始阶段,但已经显示了一些给力的优势和研究成果。牛津大学的 海蒂 约翰森伯格(Heidi Johansen-Berg) 和 蒂莫西 贝伦斯(Timothy Behrens) 正利用这项技术研究脑卒中(中医俗称的“中风”)的影响。脑卒中发作后,神经元会因为脑血管中血块堵塞或者脑血管出血而得不到血液供给,最终因为缺氧而受损甚至死亡。两位学者发现因脑卒中而损伤的脑区,会通过轴突连接对遥远脑区有影响(文章详见 (Neuroimage, vol 54, p 161)。这个发现对很多中风患者来说是福音,因为现代技术已经可以利用电流或者磁场刺激来帮助强化大脑内的神经连接,(译者:如果中风患者发病后受损的遥远脑区被定位,医生可以利用电磁刺激来提高患者的复建治疗效率。)

扩散磁共振畅想技术的开发者,范 韦丁恩(Van Wedeen),曾在哈佛大学利用这项技术重现了大脑神经元连接的重新排布过程。这份10年11月发表的团队研究结果揭示了婴儿期到青春期中大脑的发育变化:大脑开始围绕几个中心的发育,大脑中心区域的出现可以让信号在纵横交错的大脑中传达得更迅速(详情参见 (Proceedings of the National Academy of Sciences, vol 107, p 19067).)

神经元连接的重新排布问题也许能解释一个精神病流行病问题:为什么精神疾病发病率在青春期和成年早期时上升?扩散磁共振成像研究发现某些轴突束会被精神分裂病,酗酒和其他精神疾病改变。人们希望,这些研究最终能让医生在症状还没有显现的时候筛查出潜在患者。

这些研究成果的影响早已经超越医疗领域。最近的研究表明某些轴突束的强度与计算和快速回忆词汇等技能有关,这也许能解释一些现象,诸如经验改造大脑以及记忆的形成原理。(译者,这下HR们提出工作经验年数要求的时候可有科学依据了。)塞巴斯蒂安 程( Sebastian Seung)认为,“我的记忆和其他很多东西塑造了我的大脑,使我成为了我,这些都有可能编写在我的神经连接组中,现在我们的假设就是 吾即吾之神经连接组”。(译者:他在TED讲台上不断强调的:吾即吾之神经连接组。我们的生活经验,学习体验等都在改造着大脑中的神经元连接,这些神经元连接体现了我们过去的点点滴滴,所以你的大脑神经元连接组就是你。)

2009年, 海蒂 约翰森伯格(Heidi Johansen-Berg) 和 蒂莫西 贝伦斯(Timothy Behrens) 发现扩散磁共振成像检测到了6周的杂耍练习对大脑的影响。这说明,新技能的学习过程可以增厚几个参与手眼协调的轴突束彼此的连接。

还有一项从功能磁共振成像衍生出来的技术:功能性连接磁共振成像技术。研究人员最初利用功能性磁共振成像观察躺下休息的被试人员时发现,他们的大脑有10秒-30秒左右的温和波动周期。更重要的是,那些连接有力的脑区们彼此间的波动周期是同步的。利用这个原理,研究人员发展了功能性连接磁共振成像技术( Functional connectivity MRI (resting-state MRI))。这项技术可以检测出那些血液供给周期同步的脑区,即使彼此连接的脑区距离较远也可以检测出来。

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功能性连接磁共振成像技术(Functional connectivity MRI ),也称为静息态功能磁共振成像技术(resting-state MRI),这项技术也能揭示大脑中远距离神经元连接的情况。功能性连接磁共振成像技术检测大脑中不同脑区的血液供给变化周期,并找到周期同步的脑区,通常认为周期同步的脑区间有神经元连接。

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鉴于上述的技术发展和学术进展,美国国立健康研究院(NIH)启动了“人类神经连接组项目”。2009年9月开始,美国国立卫生院将在未来五年资助3千万美金给两个实验中心。项目人员将利用扩散磁共振成像,功能性磁共振成像以及其他技术来绘制出1200个志愿者的活体大脑神经元连接草图。一些志愿者也会被要求参与大脑评估:比如用基因和心理测试来检测记忆,计算能力和其他心智能力。

考虑到NIH启动的项目资金数量和名字,我们可以推测这个项目实际上是人类基因组计划的后续。NIH的出版物甚至指出:“描绘出活体大脑的全部神经连接组是一个伟大的严肃的挑战。”(译者:眼熟吧?)

但是部分参与项目的学者心态显然更实际:参与学者之一蒂莫西 贝伦斯(Timothy Behrens) 说,“这项计划五年内应该是完成不了的,我认为我们能在20年内得到一个宏观图谱就不错了。”

但另一个方面说, 经历过人类基因组计划的发展,我们应该意识到科技发展的速度是非常惊人的:以前,研究人员花费了10年和20亿美元才完成人类基因组的第一个草图,然而现在很多生物公司宣称仅仅收费100美元,他们就能在一个工作日内做出某人的基因组图谱。(所以人类大脑神经元连接组的未来还不可知)

神经连接组学研究学者确信这个领域的研究可以激发出更多的科技发展,只是以我们目前的知识还想象不到。纳拉亚南•卡斯瑟里(Narayanan Kasthuri)说,”你看着吧,那些以前从来没有掌握过的数据出现后,关于神经系统的新假设肯定会出现。“

end

作者:道格拉斯•福克斯(Douglas Fox )居住于美国三番市的自由撰稿人

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7 Responses to “[小红猪]脑图勘探--绘制大脑神经连接图”

  1. icarus说道:

    “扩散磁共振畅想技术的开发者,范 韦丁恩(Van Wedeen)”
    ~~~~~~~~~~~~~~~~这是什么东东。。。是不是打错字了?

    • wubian说道:

      DTI, 中文称 扩散/弥散(张量)磁共振成像。写成“畅想”肯定是把imaging翻译错了。

  2. moonsang说道:

    什么时候能实现用芯片替换人脑啊,像铳梦那样

  3. 掩颜说道:

    太精细了.....无穷复杂体

  4. 阿布说道:

    可以负责的说降速为了安全.....之前做CA砂浆的,负责供给石武线,京沪线.
    各地为了上马高铁都在上马项目,供货商根本供应不上.CA砂浆的质量....那个烂啊.

    跑高了会飞的,反正我不坐这两条线.

  5. 木有牛肉面说道:

    开始了终极式人类永生的第一步

  6. sumerian说道:

    “吾即吾之神经连接组”,不如去掉“神经”二字,变成“吾即吾之连接组”,不管它是基于神经元还是电路器件,这种抽象的连接才是真正的自我……

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