美科学家首次绘出:大脑皮层接线图

　　 科学家首次描绘大脑皮层接线图，从而揭示智力人类背后的基本结构。新研究标志着人类在理解自身最复杂和最神秘器官上的一大进步。

 

 

    人类大脑皮层接线图：上图为大脑细胞的主要路径，下图为神经连接最繁忙的集线器(红色)

 

    据美国《大众科学》杂志报道，科学家首次描绘大脑皮层接线图，从而揭示智力人类背后的基本结构。新研究标志着人类在理解自身最复杂和最神秘器官上的一大进步，相关论文发表在6月30日出版的《公共科学图书馆?生物学》(PLoS Biology)上。

    著名分子生物学家弗朗西斯·克里克于20世纪70年代转向研究神经系统科学，然而到1993年，他因对此新领域一无所知导致他灰心丧气，他给《自然》杂志的编辑写道：“我无法忍受我没有绘制出人类大脑的连接图。没有它，很难有希望能了解我们的大脑是如何工作的。”

    1993年没有这样的大脑接线图，因为惟一得到大脑接线图的办法就是解剖术：即将染料注入生物体的大脑中，然后杀死它，再利用显微镜来跟踪神经元中的颜色踪迹。当然，伦理法则是不允许做这种人体实验的。其结果是，我们了解我们的灵长类亲戚胜过我们自己。然而，之后的20年研究最终直白地揭示了克里克所希望看到的人类大脑神经系统线路图，且根本没有使用解剖刀。此人类大脑神经系统线路图表明我们有一个大脑细胞连接的中心核心，似乎在协调我们思维和行动。

    这一高分辨率的人类大脑神经系统线路图来自瑞士和美国研究人员，它的精细程度无与伦比。该图反映了人类大脑皮层中负责高等思维的数百万神经纤维，如何相互连接和“交谈”。另一张低分辨率的人类大脑神经系统线路图由来自加拿大的研究小组，它们都是通过利用大脑扫描技术――扩散光谱成像(DSI)分别获得的。这二支小组都是针对大脑皮层，即我们大脑的摺皱外壳，此区域正是形成我们人类物种独特智能的地方。相对于身体大小，人类在灵长类动物中具有最大的大脑皮层。

    然而，此独特性的关键可能不是其大小而是其组织形式。功能性磁共振扫描(fMRI)――标准的大脑扫描技术可以测量大脑的活跃性，但不能显示其组织形式。不过，扩散光谱成像能揭示神经轴突的主要路径，神经轴突是传输脉冲信号到邻近神经细胞的长突。这种无创成像技术主要依据水分子在脑组织中的扩散来评估神经纤维连接的轨道。而该技术的高敏感度变种——扩散光谱成像(diffusion spectrum imaging，简称DSI)，则能够描述通过某一位置的多重神经纤维的定向性。最新研究正是将该技术应用于整个人类大脑皮层，才得到了其中数百万神经纤维的网络地图。

    美国哈佛大学和马萨诸塞州综合医院的神经科学家范·威德恩率先绘制扩散光谱成像的高分辨率大脑皮层接线图，他解释说，其工作原理和墨水玷污你的衬衣差不多：墨水沿着衬衣上的纤维向一个主要方向扩散。“此技术类似于魔棒，能在待试物种、器官或组织上挥动。而这是内在逻辑构成，并以数字三维彩色方式显示出大脑皮层接线图来。”

    进一步的计算分析表明，人类大脑皮层中存在着对神经连通性起中枢作用的区域，研究人员形象地将其称为大脑的“集线器”(hub)。经过利用多位个人的神经轴突图，科学家能定位大脑区域，甚至可以精确到一个个细胞的连接上。每一支小组发现这些神经“集线器”在大脑皮层中集中成簇，设想将此神经“集线器”看成是大机场，连接此中心的更远的连接则可能是小镇上的机场。

    令人好奇的是，此中心区域被发现进行“热行”新陈代谢，说明此大脑区域使用最多的氧气和葡萄糖，特别是在静静地思考的时候。思考时大脑的活跃性比休息时强大约40%。而在此之前，没有人能感知到这一点，美国印第安那大学的神经学家奥拉夫·斯鲍恩斯(Olaf Sporns)表示。

    然而，神经科学家并没有表示此热点就是人类智力的所在地――猕猴似乎有类似的结构核心，但有详细的差异。因此，我们还不能回答我们常问的一个问题：什么是我们成为了人类？

    斯鲍恩斯说：“我们发现大脑核心位于大脑皮层的中央后部，它同时骑跨着左右脑半球。这是以前人们不知道的。”而接下来的问题就是新的大脑连接网络是否负责塑造着大脑的动态活动性。为了验证这一点，研究人员利用fMRI和DSI两种方法检验了5位受试者的大脑，并比较观测到的大脑活性与深层神经纤维网络间的接近度。结果表明，它们关系十分紧密。这意味着如果知道大脑如何连接，我们就能预测它将做什么。研究人员正打算对更多的人类大脑进行检测，以期得到不同发育阶段、年龄以及疾病等各式人群的大脑连通性。