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揭秘人体“黑盒子”

2013年06月25日09:10         手机看新闻

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实验人员正在利用果蝇作相关研究。 童岱摄

目前,人类对于大脑这个复杂又高效的信息处理系统知之甚少,就像是人体内的“黑盒子”。中国科学院生物物理研究所脑与认知科学国家重点实验室的科研人员,正在从多个层面展开研究——

虽说现在是以计算机技术为主的信息化时代,但让计算机无法比拟的是,人脑在处理信息方面所展现出的智能和学习能力。然而,人类对于大脑这一复杂又高效的信息处理系统却知之甚少,就像是人体内的“黑盒子”。

在中国科学院生物物理研究所脑与认知科学国家重点实验室(以下简称重点实验室),有一群热衷于探索脑与认知科学的科研人员,他们正在从多个层面展开研究,试图揭示人体“黑盒子”未知的部分。

小小果蝇助力研究

毫不起眼的果蝇是一种经典的模式动物。学术界用果蝇来作神经科学方面的研究越来越多,原因在于,果蝇的遗传学信息非常丰富。并且,人类已知的致病基因中有75%在果蝇中有同源序列,另外,在神经疾病的发生和病症上,果蝇都与哺乳动物有着高度的相似性。

果蝇团队是该重点实验室的一支重要力量。从上世纪90年代开始,中国科学院院士郭爱克带领的课题组就在中国科学院生物物理研究所(以下简称生物物理所)开展果蝇视觉学习记忆、抉择等方面的研究;随着新课题组不断加盟,逐渐形成了一个以果蝇为模型从事认知神经科学研究的团队。

生物物理所副所长、实验室副主任刘力也是该团队负责人之一。他在接受《中国科学报》记者采访时表示,利用果蝇飞行模拟器系统,果蝇团队在研究果蝇抉择、学习记忆等认知方面取得了不少成果。

在果蝇团队的工作间内,科研人员向记者展示了飞行模拟器系统的工作过程。这套系统就好比是个扭矩检测仪,能够测算果蝇向左或向右的扭转力矩。

记者看到,果蝇被悬挂在金属钩上并放置在一个圆筒形的空间里,无法移动。但果蝇的飞行状况会通过一系列复杂的传感装置反馈到计算机上,“就好像我们玩赛车游戏一样,玩家自身不用动,但屏幕中的道路是在变动的。”刘力说。

圆筒内有正T和倒T图形,当果蝇转向某一侧选择盯住其中一个图案时,圆筒就受到果蝇飞行扭矩的控制,在果蝇的选择下转动起来,这使得果蝇误以为自己能够在两个“T”字间飞来飞去。

但研究者可不希望让这个小家伙如此自由。若研究人员希望它能忠于往正T图形飞行,那就得借助一些手段来实现。

比如,当小家伙打算从正T转向倒T飞行时,科研人员就会启动一个激光程序,转向的果蝇会被红光瞄准,接下来它便能感受到刺痛。这种惩罚机制也证明了小家伙懂得“吃一堑长一智”,为了避免悲剧再度发生,果蝇会老实地往正T图形飞行而不再转向。

这表明,果蝇在视觉处理上具有学习记忆能力,科研人员可就此了解果蝇的飞行行为中,有哪些神经参与以及相关的神经回路。那么,这样的研究有什么意义呢?

要知道,人类大脑有1011~1012个神经元,而果蝇大脑只有105个神经元。所以相对于人脑来说,它们的脑相对简单,可是这个简单也只是相对而言。

对于果蝇遗传因素的研究,可以揭示果蝇学习记忆等认知功能的形成,既有先天遗传因素,又有后天的外界因素参与。

不同物种的大脑尽管形态迥异,但在基本功能和规律上有着相似性。对果蝇的相关研究,可为解读人类大脑带来一定程度的启示。

脑部成像精确到0.1毫米

在工作人员的指引下,记者参观了该重点实验室的行为实验室。昏暗的灯光、狭窄的走廊,以及被隔成多个小间的屋子,声音仿佛是这里不该存在的因素,能够迅速让人平静下来。

“如此布局是为了让被测者有一个安静、不受外部干扰的实验环境。”工作人员说。记者注意到,这里的墙壁都覆盖了吸音材料,顶部设有通风装置,房间的灯光也可调节明暗。

在其中一间屋内,一场实验正在进行着。测试者和被测者分别面对着一台电脑,被测者在看到电脑出现图片时被要求按键反应。其中,恐怖的图片和中性图片会让被测者大脑的情绪受到干扰,反应不一。

通过一系列输入视觉的刺激,最终测试者会在电脑上看到被测者的反应时和正确率统计。而被测者作出反应时,大脑又在进行哪些工作呢?仅仅通过此类实验,只能作出相关理论的推导,却无法确切获知大脑内部究竟发生了什么。

“这就需要借助脑成像技术来观察大脑内部活动。”脑与认知科学国家重点实验室副主任卓彦表示。实验室目前拥有一台超高场强磁共振成像系统(7特斯拉,以下简称7T),这也是我国首台人体全身超高场强磁共振成像系统,大型医院使用的磁共振系统都在3T以下。7T目前主要用来作基础认知神经科学研究和临床研究。

为什么人们一直追求更高的磁共振场强?原因在于磁共振成像的信号噪音比是跟场强大致成正比的关系。高场强下,分辨率得以提高,采集时间也可缩短,功能信号也更显著。

卓彦举了一个例子,借助7T用猕猴来作脑结构方面的研究,可以看到其脑部0.1毫米的细节。如若采用3T来进行实验,精度通常为0.4~0.5毫米。另外,7T可以助力研究人员看到更加精细的脑部结构,比如大脑皮质为6层,7T可以清晰地分辨,而用3T则很困难。

大型设备成研发平台

“7T不仅是技术应用的平台,更是一个技术研发的平台。”该重点实验室副研究员王波表示。对于7T的使用目前有两种模式,其中一种是借助临床应用技术需求导向进行研发。

他谈到,7T目前一个很大的优势在于对颅内血管成像方面。比如,老年人若被怀疑脑部供血出了问题,通常采用的检测方法为颅内B超。但是由于B超无法透过厚实的颅骨,只能给出血液动力学曲线,神经内科大夫则依据这些曲线图进行病情诊断。而这样的方法存在误诊几率。

但若借助7T诊断,便可直观呈现颅内深部血管里面的血流情况,大夫则能够更准确地判断颅内是否存在有问题的血管。

在神经外科手术治疗应用方面,借助7T,医生在观察到清晰的脑部结构与功能成像图后,在对脑部手术时可更精准地找到病灶或肿瘤,同时避开不能触碰的区域,避免对重要动静脉血管、神经纤维及脑功能区造成伤害。

另一种模式,则是基础科研导向带来的技术研发。

“利用一般的磁共振系统研究大脑认知功能时,会受限于不够理想的信噪比、空间分辨率以及稳定性。”王波说。

大脑皮层下杏仁核通常被认为是管情绪知觉的核团。杏仁核就像一颗蚕豆般大小,却分为几个子区域,不同的子区域可能涉及不同的认知功能。假设杏仁核上分别有主要针对难过、生气、恐惧3种不同情绪知觉加工的3个不同区域,如采用3T观察,功能图像的像素会低到无法区分杏仁核的子区域。但若用7T,便可以试着寻找杏仁核上不同区域的功能分区,研究这些分区有哪些不同。

为了更好地发掘7T的功能,该重点实验室还建设了一支由磁共振物理学专家、电子学专家、软件工程师等人才组成的技术队伍,进行技术开发并为脑成像实验提供保障。(记者 童岱)

来源:《中国科学报》

(责编:席旭(实习)、马丽)

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