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歷史性精確繪製人腦「地圖」,大腦運作不再神秘?


美國聖路易斯華盛頓大學的一個研究團隊繪製出迄今最全面、最精確的人類大腦圖譜。
美國聖路易斯華盛頓大學的一個研究團隊繪製出迄今最全面、最精確的人類大腦圖譜。Matthew F. Glasser, David C. Van Essen圖片

由美國聖路易斯華盛頓大學(Washington University in St. Louis)醫學院的神經科學家領銜的研究小組,於7月20日在著名科學期刊《自然》(Nature)發表論文宣布,他們已繪製出迄今為止最全面、最精確的人類大腦圖譜,每個腦半球被細分為180個大腦皮層(Cerebral Cortex)區域,其中有97個區域從未在此前的相關研究中被描述過。

人類大腦皮層是包裹在大腦外側的褶皺狀結構,屬於腦和整個神經系統在演化上最晚出現、功能最高級的部分。大腦皮層的重要特徵是功能分區,即左右兩個腦半球各自的不同區域在功能上有所分化,比如大多數人類的語言、邏輯等主要由左腦掌管,而右腦則負責形象思維和情感等。

這種分區最早由德國神經科醫生 Korbinian Brodmann 於上世紀初提出,他的分區系統包括每個半球各52個區域,這一系統至今仍被廣泛使用。儘管 Brodmann 分區後來被不斷細分,但其精度和全面性仍然被認為不夠理想。科學家們一直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,但由於技術難度過高,這一設想的實現延宕至今。

這個新的圖譜讓人腦不再那麼神秘,不僅僅是因為它繪製出了以前未知的區域,還因為科學家們設計出的機器學習程式,可以為任何大腦重建新圖譜,這將在大腦研究和治療方面幫助到其他科學家和醫生。

MIT 科技評論

聖路易斯華盛頓大學的 David Van Essen 和 Matthew Glasser 等科學家藉助近幾年人工智能領域非常熱門的機器學習(Machine Learning)方法,利用來自「人腦連接組計劃」(Human Connectome Project)的210位健康年輕成人的大腦磁振造影(MRI)掃描數據,終於繪製出了這幅史上最為精確的人腦圖譜。

美國聖路易斯華盛頓大學的一個研究團隊繪製出迄今最全面、最精確的人類大腦圖譜。
紅色區域控制着人類的聽覺,綠色控制的是感知運動,而藍色控制的是視覺。Matthew F. Glasser, David C. Van Essen圖片

開始於2010年的人腦連接組計劃被認為是人類基因組計劃的「大腦版」,參與機構除了聖路易斯華盛頓大學外,還包括美國明尼蘇達大學(University of Minnesota)、英國牛津大學(Oxford University)等。這項耗資4000萬美元的計劃旨在通過掃描1200名健康成人大腦,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、行為等方面的個體差異,以完整描繪出人腦神經連接的機制。

這幅全新的大腦圖譜在另外210位獨立被試者身上也得到了驗證。研究人員表示,雖然存在個體差異,但他們在獨立被試者腦部準確地辨別出了各個區域。他們還表示,科學家和醫生可以使用這一圖譜,與其他人腦造影方法進行比對,在已知的大腦區域發現與功能和疾病相關的信息。

這幅人類大腦圖譜未來還會得到進一步改進。在此之前,圖譜有望率先在神經手術中得到應用,以及幫助醫生診斷大腦失調疾病,比如認知障礙症(失智症/痴呆症)和精神分裂症等。此外,通過將人類與靈長類動物進行腦部對比,還有望發掘出關於人類認知演化的更多信息。

2-4 毫米
越高等的動物腦回皺褶就越多,其大腦皮層面積也越大。成年人類的大腦皮層如果全部「展平」,其面積大約有兩張報紙那麼大,而大腦皮層的厚度約為2到4毫米。

聲音

這不僅僅是一個可用來參照的大腦圖譜,你甚至能用它在任何人的腦部找到對應的區域。

聖路易斯華盛頓大學的 Matthew Glasser

大腦的運行原理就像生命起源一樣,是人類的終極問題。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。

科技日報評論

布羅德曼分區

布羅德曼分區是一個根據細胞結構將大腦皮層劃分為一系列解剖區域的系統。神經解剖學中所謂細胞結構(Cytoarchitecture),是指在染色的腦組織中觀察到的神經元的組織方式。布羅德曼分區最早由德國神經科醫生科比尼安·布羅德曼(Korbinian Brodmann)提出。他的分區系統包括每個半球的52個區域。其中一些區域今天已經被細分,例如23區被分為23a和23b區等。從物種間差異來講,同一分區號碼在不同的物種間並不一定代表相似的區域。(資料來自維基百科)

來源:MIT科技評論衞報

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