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解构大脑:宇宙中最复杂的网络

评论: 0 | 发布者: 王星

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最近诞生了一门新兴学科——网络神经科学,它向我们展示了一幅大脑不同区域的神经网络连接的图谱。这些连接的充分协调和相互作用,让我们产生了思想和意识。


撰文/麦克斯·贝尔托莱罗(Max Bertolero)

丹妮尔S·巴西特(Danielle S. Bassett)

翻译/龚哲峰


近年来,随着神经科学受到的关注度越来越高,这些图像显示一些大脑区域在进行脑活动时会“亮起来”。例如,耳朵旁的颞叶区域与记忆有关,而脑后的枕叶区域则专门负责视觉。科学家已经了解人类大脑不同区域会对应不同的功能,但目前还不知道这些区域是如何通过相互作用造就了每一个个体。我们实验室和同行们正借助一个叫做图论的数学方法,来解析、探究和预测大脑中复杂的相互作用,把看似截然不同的两种活动联系起来,比如爆发式的神经电活动和一系列认知活动,包括感知、记忆、决策、学习新技能和运动等。


网络神经科学这一新领域就是为了研究这些联系而建立起来的,而该领域也巩固了特定大脑区域会执行特定活动的观点。网络神经科学正试图解决这一庞大网络的复杂问题。我们现在可以利用大脑成像得到的数据,构建由点和线组成的模型图。研究这些网络在大脑中的相互作用,可以提升我们对认知功能的理解以及更好地诊断抑郁症等精神疾病。当我们展望未来时,对大脑网络的了解可能会为更强大的人工智能、新药物和电刺激技术带来一幅蓝图,甚至在未来改变抑郁症患者的异常神经回路,开发出治疗精神疾病的基因疗法。


大脑中的音乐


神经网络是如何成为认知能力的基础的?要理解这一点,我们首先想象一下乐团演奏交响乐的情景。直到最近,神经科学家基本上还是在独立研究单个大脑区域的功能,相当于乐手单独演奏铜管、打击乐器、弦乐和木管乐器。在大脑中,这种分层式的研究方法可以追溯到柏拉图时期——简而言之,就是以庖丁解牛的方式在关节处对目标进行分割,然后研究剩下的各个独立的部分。


现在,网络神经科学家已经开始破解这些谜团。他们正在研究大脑的各个区域是如何嵌入由不同区域组成的庞大网络中的,并通过绘制区域之间的连接图来研究每个区域在大脑神经网络中的作用。这种研究主要有两种方法,首先是检查大脑的结构连接,这相当于为大脑这个管弦乐队装备好不同的乐器。这是创造音乐的必要基础,乐器种类也限定了所能演奏音乐的范围。乐器固然关键,但它们仍然称不上音乐。换句话说,就像一组乐器称不上音乐一样,一个神经连接结构也并不代表大脑功能。


其次,活跃的大脑是由大量神经元组成的管弦乐队,它们以特定的模式一起活动。我们聆听大脑“音乐”的方式是检测大脑区域之间活动的相关性,因为这能表明它们是否在协同工作。这种方法主要检测的就是脑区间的功能连接,我们通常认为这一类连接能够产生大脑的音乐。如果两个区域会同时产生波动,则认为它们具有功能上的联系。这种音乐就像法国号或中提琴发出的声音一样重要。在大脑中,音乐的音量可被认为对应于大脑区域中脑电信号的活性水平。


不过,在任何时候,大脑内的某些区域都会比其他区域更活跃。我们或许听过这样的说法:人类只使用了大脑容量的一小部分。事实上,整个大脑在任何时候都是活跃的,只不过执行特定任务时,部分脑区会特别活跃。大脑的这种运作方式并不意味着你只使用了一半的认知潜能。


大脑模块


正如乐队可以根据乐器种类被分成不同的区块,大脑网络也可以将许多节点分隔成不同的模块。所有动物的大脑都是模块化的,就连线虫的大脑——仅由302个神经元构成的网络也具有模块化结构。在同一个模块内的节点,它们之间的连接会更紧密,而不同模块间的节点的连接就要相对弱一些。


大脑中的每个模块都有独特的功能,就像每种乐器在交响乐中都扮演着不同的角色一样。最近,我们对大量研究进行了一次评估分析——其中包括针对83项不同认知任务而进行的10 000多项功能性磁共振成像(fMRI)实验,结果发现不同的任务会对应不同的大脑网络模块。一些模块会用于注意力、记忆和内省思维,而另一些模块则专门用于听力、躯体运动和视觉。


这些感觉和运动认知过程会涉及单个或者几个相邻的模块,但其中大多数情况下,都属于同一模块。我们还发现,一个模块内部的运行过程不会激发其他模块产生更多活动,这是大脑模块化处理中很重要的措施。想象一下这样一个场景:如果乐队中的每个音乐家都必须根据别人的行为来改变自身的演出节奏,那么整个乐队就会失去控制,当然也不会产生美妙动听的音乐。而大脑的信息处理过程也是相似的,每个模块都必须能在大体上独立运作。


有一些在控制和整合大脑活动方面发挥关键作用的模块,它们的连接范围可以延伸到多个脑叶。例如,额顶叶控制模块横跨额叶、顶叶和颞叶多个脑区。从演化史上来说,这个模块是相对较晚发展起来的。与我们亲缘关系最近的灵长类祖先相比,人类的额顶叶控制模块特别大。它类似于管弦乐队指挥,会在大量的认知任务中变得活跃。额顶叶模块可以确保大脑多个模块的步调能够保持一致。它与需要我们主动执行的功能密切相关,包括如决策、短期记忆,以及认知控制等一系列独立过程,控制这些行为对人类发展出复杂策略和抑制不当行为有重要作用。


另一个高度互联的网络是突显性模块,它与额顶叶控制网络相连,会参与注意力和刺激反应相关的行为。例如,当你看两个字:蓝和红,然后被要求确定字的颜色时,你会对红色反应更快。而当你对绿色做出反应时,突显性和额叶顶叶网络会同时被激活,这一过程你必须克制把这个绿色的字读成“蓝”的倾向。


最后,默认模式模块也与额顶叶控制网络相互重合。它包括许多中枢节点并与各种认知任务有关,包括内省、学习、记忆提取、情绪处理、推断他人心理状态,甚至赌博。至关重要的是,如果破坏了这些富含中枢节点的模块,将会扰乱整个大脑的功能连接,并导致广泛的认知困难,就像承担枢纽功能的机场遭遇恶劣天气时,会使得全国各地的飞机都延误。


复杂的脑网络


尽管我们的大脑有一些基本的网络组件,也就是由中枢节点串联起来的模块,但每个人的神经回路在连接方式上都有细微的不同。最近,科学家也开始对这种多样性进行了研究。在人脑连接组项目(Human Connectome Project)的初始阶段,1200名年轻人自愿参与了一项由美国国立卫生研究院(NIH)资助的脑网络结构研究,目前该项目还在招募其他年龄层次的人群。在研究中,研究人员利用fMRI观察记录了自愿者的大脑结构和功能连接网络。同时,自愿者还要完成一系列认知测试和问卷,他们提供了关于睡眠质量、饮酒频率、语言和记忆能力以及情绪状态相关的各种信息。来自世界各地的神经科学家已经开始仔细研究这些极其丰富的数据集,以了解我们的大脑网络是如何造就独一无二的个体的。


我们实验室和其他科学家研究了人脑连接组项目中数百名自愿者的数据,发现大脑连接模式也存在类似指纹的作用,可以用于区分不同个体。比如,在有些人中,他们的特定脑区之间具有强大的功能联系时,他们就会拥有更广泛的词汇库,表现出更高的流动智力(fluid intelligence),这一能力有助于解决新问题,且能够延迟满足感。他们往往受到更多的教育,对生活的满意度也越高,同时会拥有更好的记忆力和注意力。而同样的脑区之间,那些功能联系较弱的人,则流动性智力较低,有药物滥用史,出现睡眠质量差,注意力不集中等现象。


我们随后发现,可以用中枢节点的特定连接模式来解释上述研究结果。如果你的大脑含有一些很强的中枢节点,连接着非常多的模块,那么这些互相连接的模块肯定有一些是各自分开,并拥有独立功能的。功能连接性强大的中枢节点越多,你将会在一些任务上表现更好,比如短期记忆,数学、语言或社会认知等。简而言之,你的思想、癖好、感觉、缺点和心理优势都是由一个统一的、完整的网络造就的,而大脑用特定的组织方式编码了这个网络。也就是说,大脑这个交响乐团合奏产生的“音乐”产生了独一无二的你。


大脑的同步模块既能构筑你的特质,也能帮助你持久地保留这些特质,它们演奏的乐曲似乎总是相似的。在人类连接组项目的另外两项研究中,自愿者参与了各种各样的任务,包括短期记忆、对他人情绪的认知、赌博、敲手指、语言、数学、社会推理,以及让大脑走神。这些研究的结果同样证实了同步模块始终会保持相似的活动。


有趣的是,在所有这些不同的活动中,网络的功能连接方式的相似性比预期更高。这一点还是能用乐团来类比解释,我们的大脑不会在做数学题时弹奏贝多芬的曲子,而在休息时上演风格完全不同的嘻哈音乐。我们头脑中的交响乐是由一位指挥家控制的固定风格的音乐。这种一致性源于大脑中的物理通路,也就是结构连接限制了神经信号在网络上的传播路径。这些通路决定了功能连接(比如数学或语言)的配置方式,就像乐队指挥不会让低音鼓去演奏钢琴的旋律线一样。当然,大脑的音乐是不可避免会发生变化的,就像管弦乐队会编排新曲目一样。物理结构的连接会在几个月或几年的时间里发生变化,而当一个人在不同脑力任务之间进行切换时,不同模块之间的功能联系也会在几秒钟内发生变化。


在青少年大脑发育的过程中,结构连接和功能连接的变化是很重要的,这时大脑的连接图正处于最后的完善阶段。这段时期至关重要,因为精神障碍的最初症状往往出现在青春期或成年早期。我们的研究重点之一是了解大脑网络是如何从童年、青春期发展到成年的。这些变化过程由生理发育驱动,但也受到学习、接触新思想和技能、个人的社会经济地位和其他经历的影响。


大脑网络模块在每一个人诞生的早期,甚至在子宫里就出现了,但随着我们的成长,它们之间的联系也在不断完善。在整个童年过程中,大脑会加强中枢节点相关的结构连接,并增加不同模块之间独立程度。与这些改变相关的是,儿童执行复杂推理和自我调节等任务的效率也在提高。我们还发现,在社会经济地位较高的儿童中,不同模块之间的独立速度会更快,这也证明了儿童所处环境会对大脑网络模块产生影响。


虽然结构连接的变化比较慢,但是功能连接可以在几秒或几分钟内快速重新配置。大脑在不同任务之间转换,或者是完成涉及大量学习过程的单个任务时,这种快速的转变有很大的帮助。2011年至今,我们发表的一系列研究发现,在执行功能和学习能力更强的那些人身上,大脑网络中含有可快速改变的模块。


为了更好地理解发生了什么,我们使用了一项里程碑式研究——“我的连接组”(My Connectome)所提供的公开数据。在这项研究中,斯坦福大学心理学教授拉塞尔·波尔德拉克(Russell Poldrack)在一年多的时间里,每周都要接受三次成像和认知评估,并将数据公开上传,供其他研究者使用。虽然模块大多是独立且相互隔离的,但有时大脑网络会自动重新配置,这种特质也被称为功能网络灵活性。利用这项研究的数据,我们发现网络连接每天都会改道,这种改变与正面情绪、觉醒和疲劳相关。而在健康的个体中,这种网络灵活性与更好的认知功能相关。


不和谐的音符


大脑连接的组成也可以反映一个人的心理健康状况。异常的连接模式会伴随着疾病的发生,例如抑郁症、精神分裂症、阿尔茨海默病、帕金森病、自闭症、注意力缺陷障碍、痴呆症和癫痫。大多数精神疾病并不只是大脑的某一个区域出现了问题,比如在精神分裂症患者大脑中,受影响的神经回路的延伸范围格外广泛,涵盖了整个大脑。精神分裂症分离假说认为,精神分裂症患者的大脑网络中单个模块都没有什么异常,但模块之间的连接过多。


在一个健康的大脑中,模块大多是自主和独立的。不过,在一定范围内灵活地改变网络连接对认知功能是有益的。我们的研究发现,与直系亲属相比,精神分裂症患者的大脑中,神经网络在重新配置方面过度灵活。当说话和听觉模块之间的节点连接发生意外切换时,可能会导致幻听。这种非自主发生的连接紊乱可以让人感觉大脑中好像有人在说话。


与精神分裂症一样,重度抑郁症(MDD)并非由一个异常的大脑区域引起。在抑郁症中,有三个特定的模块受到影响:额顶叶控制模块、突显性模块和默认模式模块。事实上,抑郁的症状,例如无法正确地抑制情绪,对情绪事件或者沉思过程过于敏感,也会反过来映射到这些模块。


因此,这三个模块之间的正常通信和连接变得很不稳定。这些模块之间的活动通常会来回拉扯,它们不仅要处理来自外部的感官输入信息,还要同时应对自身过度的思考。抑郁症患者通常会陷入内省式沉思,此时主要活跃的只有默认模式模块。这就好比只有一个乐器控制着交响乐,大脑中的“音乐”就会变得越来越不平衡。这些观察拓宽了我们对重度抑郁症患者大脑网络特性的理解,我们可以通过分析大脑中的连接模式,诊断出抑郁症的分型,并决定哪些区域应该用电刺激技术来治疗。


神经网络的进化


除了研究大脑网络在个体中的发育变化,网络神经科学家也在试图了解:为什么在数万年的时间里,大脑网络会演变成现在的形式。人类大脑中的中枢节点是演化过程中扩张最多的区域,它们的大小达到了猕猴的30倍。更大的中枢节点可以整合不同模块间的信息加工过程,因而可以支持更复杂的计算。这就好比增加了管弦乐队中演奏者的数量,使旋律变得更加复杂一样。


神经科学家探索这些问题的另一种方法是,利用计算机创建神经网络,并将其置于演化压力之下,看它们会如何发展。在我们的实验室里,我们已经开始探索中枢节点在演化过程中是如何起源的。在测试中,我们首先构建出一个神经网络,这个网络中所有的连接都是随机均匀设置的。接下来,为了模拟自然选择的过程,网络会重新进行连接,这样可以形成独立的模块。在这一步中,网络连接会展示出特殊的性质,我们将其称为小世界(small-worldness)。在小世界网络中形成的路径,可以让相距遥远的网络节点十分容易地进行通信。随后,数千个这样的网络不断演化,到最后每一个小世界网络中都会产生一些中枢节点,与多个模块紧密相连。这些中枢节点彼此间也会有密切联系,并形成所谓的“社团”(Club)。在整个过程中,没有任何条件会去干涉中枢节点如何组合成不同的社团,它们就这样自然地出现了。


我们的结果表明,模拟实验要演化出能够在模块之间交换信息的大脑,需要产生具有强大连接能力的中枢节点。值得注意的是,现实中真正的网络,包括大脑、机场、电网在内也都有持久存在、紧密相连的中枢,这与演化实验的预测过程完全一致。当然,我们在模拟中的观察并不一定和演化过程一模一样,但它显示了一种可能的方式,一种大自然可能的路数。


揭开意识的秘密


1988年诺贝尔奖得主、物理学家理查德·费曼(Richard Feynman)去世时,他的黑板上写着:“如果有件事物我不能创造出来,那我就没有理解它。”这句话已经广为流传,但费曼忽略了一个关键思想,应该修改为“如果有件事物我不能创造出来并进行控制,那我就没有理解它”。如果没有控制乐队的能力,我们仍然能够欣赏交响乐,但无法成为一名指挥家。


现在,我们对大脑的组成和网络结构的重要性已经有了一个基本的了解,但这只是开始。借用数学家皮埃尔-西蒙·拉普拉斯(Pierre-Simon Laplace)对决定论和力学的解释,一个人当下的大脑,也就是他的精神状态,可以被认为是由过去状态汇编而成,并可用来预测未来的状态。当神经科学家了解了大脑功能的所有原理和某人大脑的一切细节情况时,那么科学家就可以推测这个人的精神和思想状况。


鉴于许多精神疾病与大脑网络异常有关,我们可以在未来预防和治疗这些疾病。结合不断发展的脑工程学,我们就有可能开发出新的植入设备,用于改变甚至生成新的大脑网络或编辑基因组。这样一来就能够防止发生与精神障碍相关的网络紊乱,使我们能够治疗精神疾病,恢复中风或受伤后的脑功能,以及增强健康个体的脑功能。


(本文译者 龚哲峰是浙江大学基础医学院的教授,研究方向为感觉信息在神经回路中的加工以及感觉信息和运动动作的神经元表征编码方式及其相互关系。)



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