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【迄今最精密大脑连接图】“哈伯望远镜”首次看清神经网络所有连接

简介:

Fergus Walsh 是个很喜欢大脑扫描的人,准确说,是很喜欢大脑“被扫描”的人。作为英国 Biobank 项目的第一名志愿者——英国 Biobank 项目让人志愿提供他们的大脑和其他器官供科学扫描,是世界上最大的扫描项目——到目前为止,Fergus Walsh 已经多次把自己的大脑“借出去”,给不同的科学家做扫描。


2006 年,Walsh 第一次让人扫描他的大脑,当时负责实验的科学家是已故的彼得·曼斯菲尔德爵士。彼得·曼斯菲尔德爵士因其在开发核磁共振成像方面的贡献获得了诺贝尔奖。核磁共振成像,也即我们常说的 MRI 技术,是医学的一大突破,也是我们了解大脑的重要手段。


Walsh 在他的文章里写道,


[彼得·曼斯菲尔德爵士]用诺丁汉大学强大的新特斯拉扫描仪扫描了我。当我们看到清晰、高分辨率的图像时,他对我说:“我是物理学家,所以不要让我告诉你,你大脑有没有什么不舒服——那个你得问神经病学家。”


就在前一段时间,Walsh 参与了一项研究,在玩电脑游戏时让他的大脑被扫描。这项实验是研究睡眠剥夺对认知影响的一部分。因此,当 Walsh 去到卡迪夫大学的脑研究中心(Cardiff University's Brain Research Imaging Centre,CUBRIC),再一次借出他的大脑时,他并没有特别注意。


但他已经置身一项会在脑科学发展史上留名的研究。


这次 MRI 扫描仪的成果,显示了所有承载大脑思维过程的纤维,是迄今最详尽的大脑连接图。


医生希望这将有助于促进我们对一系列神经系统疾病的了解。不仅如此,这些扫描图还可能用于代替侵入性活检,在临床上也有重大意义。


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卡迪夫大学的研究者制作出迄今最详尽的大脑连接图,能够显示电信号传递的方向以及神经元之间连接的密度。其中,颜色显示了信息传递的方向:绿色代表从后往前,红色从左往右,蓝色从上到下。此外,颜色还表示了纤维的密度:红色表示从里到外逐渐便细,绿色表示密度适中,白色代表最粗的部分。来源:BBC


Walsh 在他发表于 BBC 的文章里写道,扫描花了 45 分钟,没什么大不了的。他的家人还在旁边开玩笑,说很高兴在他的头骨里发现了大脑。


在这里补充一个背景信息,做核磁共振扫描时,人要尽可能地保持静止不动,这样才能得出清晰可靠的结果。在 45 分钟的时间里,全力躺着不动,实际上是超级辛苦的体力活。所以,不要看 Walsh 轻描淡写,他(还有在旁边支持他的家人)真的为科学付出了很多。


展示神经元之间的连接密度和信号传递方向


当扫描结果出来时,Walsh 被震惊了。相信看到这些图像的你应该也能想象得到。图中的“丝线”是大脑白质里被称为“轴突“的纤维。扫描图显示了是大脑神经网络的连接图,这些“线路”携带了几十亿个电信号,承载了我们称之为“思维”的东西。


这些最新的扫描不仅显示了信号传递的方向,还显示了大脑神经元之间连接的密度。


据 Walsh 介绍,参与实验的另一名志愿者是患有多发性硬化症(MS)的 Sian Rowlands。MS 是一种慢性、炎症性、脱髓鞘的中枢神经系统疾病,急性活动期中枢神经白质有多发性炎性脱髓鞘斑,陈旧病变则会因胶质纤维增生而形成钙化斑。MS 症状包括感觉改变、视觉障碍、肌肉无力、忧郁等等。


Rowlands 和 Walsh 一样,也是“大脑被扫描”的常客,早就见惯了她的大脑被各种扫描,但 Rowlands 看到这些新图像时也不禁感叹“令人震惊”。


这是因为常规的大脑扫描图虽然能够清楚地显示 MS 患者脑部的病变,也即损伤区域。但是,这种先进的扫描还能够进一步显示轴突密度(axonal density),而后者能够帮助解释病变是如何影响运动和认知神经通路的。


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扫描显示大脑白质中的纤维,称为轴突。在这里,颜色显示了信息传递的方向:绿色代表从后往前,红色代表从左往右,蓝色代表从上到下。来源:BBC


堪比哈勃望远镜的 MRI 扫描仪,全球仅 3 台


能够得到这些非凡的图像,归功于专门的 MRI 扫描仪,全世界仅有 3 台。


CUBRIC 主任 Derek Jones 教授表示,他们使用这种新的扫描仪,感觉就像握住哈勃望远镜一样,可见其清晰度。


“我们第一次能够同时关注结构和功能,”Jones 说。


扫描仪本身并不特别强大,但它能随着位置的变化而迅速改变其磁场强度,意味着科学家能够将轴突清晰地描绘出来。


再补充一个信息:50 根轴突加在一起才相当于 1 根人类头发那么粗。


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扫描仪能随着位置的变化而迅速改变其磁场强度,因此能够将轴突清晰地描绘出来。颜色展示了纤维的密度:红色表示从里到外逐渐便细,绿色表示密度适中,白色是最粗的部分。来源:BBC


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医生希望这种扫描将增加对神经系统疾病的理解。来源:BBC


现在,这台扫描仪正用于多种神经系统疾病的研究,包括 MS、精神分裂症、痴呆和癫痫。


文章转自新智元公众号,原文链接

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