【发现】连接，重塑了我们|大脑连接组

人工智能学家

来源：神经科技

美国普林斯顿大学神经科学研究所与计算机科学系教授Sebastian Seung在TED演讲中提到一个神经学上的新词汇“Connectome”。

Connectome在百科上的解释是“神经连接组”。就像下面这张图片里所呈现的Connectome的一张截面图。

我们的思维方式、记忆存储全部在这些Connectome中。因而，科学界发现的Connectome的一些特性受到了极大的关注。

 

最经典的就是不同年龄扫描的神经元的连接图。

当我们一出生的时候，大脑并没有太多神经节点的连接。到了7岁左右，神经元连接开始密集起来，不仅有较大的连接节点，还有一些零零散散的小节点。有意思的是，大脑中的神经元组织并没有继续保持这样，而是到了15岁左右，开始大面积地把无用的连接节点弱化掉，只留下更为关键的节点，并且这些节点迅速长大，变得牢固起来。

因此，神经科学家将之总结为“用进废退”，“有用”的连接越来越进步，“没用”的连接退出。

 

这就是为什么有些观念会一直根深蒂固，因为脑神经连接不断巩固它。同样，无论是好的习惯还是坏的习惯，只要这个节点足够大，其他路径和别的可能方式都会退去。改变习惯谈何容易。

 

因此，按照这个事实推理，人们很容易得出成长关键期的概念。在0-15岁之间，神经元之间的连接就好像一张“白纸”一样，从无到有地进行绘制。错过了，好像很难挽救。

然而，科学家还发现Connectome另一条与年龄无关的特性——Connectome的可塑性极强，甚至可能跨越大脑分区工作，承担超额功能。

但是，这种超强的可塑性有一个前提，需要强烈地给予这个区域的神经元全新的“情境”！

 

这是因为，大脑同时是一个高耗能的组织，它会非常聪明地选择最节约能源的路径以减少耗能。如果已有路径已经非常低耗了，大脑完全不会有意愿去创造新的连接方式。

 

比如：一个成年人已经能够用母语很好地进行交流沟通了，大脑并没有太强的意愿去重塑第二语言。最有利于大脑重塑的方式，就是这个成年人到了国外（或是强迫自己不用母语），母语在新环境下完全无法满足正常的沟通交流，过去低耗能的方式没用了，大脑就会开启新的通道，刺激神经元的重构连接。

 

如果这个实验比较难以实现的话，不妨可以试一试左右手实验。如果你平时经常用右手处理事情，强行停止右手完成任务，甚至把右手固定起来，完全用左手。根据神经科学家的推测，6个月之后你的左手对应的神经元连接将会创造出一个新的连接组织，左手将比过去“强大”许多。

 

连接，重塑了我们。我们对于大脑，对于Connectome的认知和了解还非常有限。但是，所有的改变都不曾停止过。

互联网也正在给我们带来大量的连接。这些连接有很多是外部连接，但是，当我们把这些连接用来改变观念、提升认知的时候，一些微妙的变化就在产生。其实，一个人能够通过自身的感官去接触到的信息非常有限。我们所谓的五官都非常有局限性，比如：眼睛只能看到光谱中的可见光的部分，不仅如此，稍微远一点的还看不清。

然而，现代科学通过大量的仪器正在让我们发现得更多，更为客观地观察到自然科学中的数据。而互联网也正在让社会中的每一个人的连接不断延伸，这种扩展一开始会悄无声息，而后会变得无处不再，最终形成一种新的连接组。

但是，对于数字化移民来说，这种挑战尤为严峻。15岁之后才开始频繁“触网”的一代数字化移民来说，新的连接到底占多大比重，大脑是走老路还是走新路呢？

或许，关闭一种通道，打开另一种尝试的通道你会更有体会。宅在家里通过互联网自学一个月，兴许你会发现太多的连接方式之前我们就根本没有发现过。当然，反过来断网一个月，也未尝不是一种尝试。

这些看上去有些疯狂的举动，却很多人在实践，因为这样做确实更容易重塑Connectome，让自己变得更加不一样，不断打破瓶颈，突破自我。

 

Facebook创始人扎克伯格就每年制定一项特别的计划，打破自己的固有频道。

2010年，学好中文

2011年，他的新年计划是做个素食者，吃肉也只吃自己亲手宰杀的动物。

2012年，他要回归每天写代码的日子。

2013年，小扎决定走出自己虚拟的社交网络与更多现实中的人进行交流，每天认识一个新朋友。

2014年，他给自己规定的是每天写一封经过谨慎思考后的感谢信。

2015年，每两周读一本书。

2016年，开发简单的人工智能技术，控制家庭环境，并协助我开展工作。并完成全年365英里跑步计划。

【2015年扎克伯格完成了自己的读书计划，并晒出书单和照片】 

 

这样的活法，Connectome会不断更新蜕变。是的，即便你不是像扎克伯格那样制定每年计划，只要你勇于尝试，每个阶段做不同的事情，大胆去实践创新，你的Connectome就将拥有无穷的可塑性。

 

我们的大脑非常奇妙，它不像电脑或是手机那样，软件升级了就要掏钱买新硬件设备。我们的大脑，它竟然是一个可以免费不断升级硬件和软件的强大组织！硬件竟然可以被软件影响，重塑硬件组织。哦，Connectome，我是我的连接，连接重塑着我！

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为大脑迷宫绘图，连接组研究旨在阐明大脑不同部分如何共同作用

 

只研究大脑某一部分的时代正在逝去。

从脑皮层80 个点映射出来的和大脑中转站———丘脑的连接图。图片来源：艾伦脑科学研究所

一个吃饱了昏昏欲睡的新生儿被裹进毯子里，躺在一个看上去像茶盘、每端都系着头盔的东西上。一旦婴儿入睡，研究人员便会拉掉毯子上的特制小带子，小心翼翼地将婴儿推进头盔中。这是一个定制的、用于磁共振成像（MRI）的接收线圈，而MRI是对大脑进行可视化成像的一种常用方法。研究人员使放有婴儿的装置沿着一个特殊手推车滑入MRI的隧道中，并且开始收集图像。

从约1000次这样的扫描和另外500次对正在发育胎儿进行的扫描中，参与“开发人脑连接组计划”的英国科学家打算描绘出大脑各区域在发育期间如何彼此交流。随后，他们希望阐明为何早产儿面临着患上诸如自闭症谱系障碍或注意力缺陷多动症等疾病的风险，并且有可能开展类似扫描，以验证预防此类疾病的方法是否正在发挥作用。

此项目是揭秘大脑上百个区域和几百万个神经元之间联系，即“连接组”的众多计划之一。“只研究大脑某一部分的时代正在逝去。”美国南加州大学神经成像实验室主任Arthur Toga说。Toga和其他科学家已开始将健康大脑中的连接组，同诸如精神分裂症等连接畸变或像阿尔茨海默氏症一样的连接中断所致疾病的患者进行比对。

连接组研究人员的研究对象从人到诸如蠕虫和苍蝇等微小动物的大脑不一而足。不管细节如何，在计算机助力下的科学家不辞辛劳地绘制这些连接，以建立一幅“地图”。制图家们希望，揭开连接组结构将在神经科学家阐明大脑不同部分如何共同发挥作用时，帮助提供“导航”。

“立交桥”

在一项对大脑“超级高速公路”进行可视化的重大努力中，来自10个研究机构的100名研究人员基本完成了由美国国立卫生研究院资助的为期5年、耗资3000万美元的“人脑连接组计划”（HCP）。到2016年年初，他们有望完成对1200名健康成年人的MRI扫描。研究人员招募了同卵和异卵双胞胎及其非双胞胎的兄弟姐妹，以分析大脑连接的模式可能如何被遗传。他们还收集了诸如智商得分和抽烟习惯等数据，以寻找同连接组之间的关联。到项目结束时，他们将拥有1千兆字节的图像。

HCP的研究人员对大脑基本结构和“大捆”轴突纤维进行成像。他们测量了脑部的血氧含量，将其作为一个机能指标，并且寻找在人们执行任务或只是开小差时放电的区域。同时活跃的大脑区域有可能在共同工作。

为从每位受试者那里获取到最多的信息，HCP的合作者同位于德国埃朗根市的西门子医疗公司一起对标准MRI扫描仪进行了优化。它产生3特斯拉的磁场——同标准机器中的磁场相差无几，但能更加精准地控制磁场。MRI扫描仪利用磁场梯度瞄准大脑不同部分，而HCP机器中更强的磁场梯度能提供更快速的成像和更好的分辨率。这创建了轴突纤维更加详细的图像。目前，这个版本的机器已经商业化。

尽管有了这些进展，HCP共同领导者、华盛顿大学神经生物学家David Van Essen提醒说，MRI图像只能接近于大脑内部的连接。在中尺度上开展研究的科学家则通过利用光学显微镜观察大脑切片，获得更加详细的图像。

在这一尺度上，科学家致力于辨认神经元组及其向外发散的轴突。因此，中尺度连接组的制图师能注射显迹物，对特定大脑区域和同它对话的“搭档”进行标记。大部分工作是在小鼠身上进行的，但一些研究人员正利用灵长类动物——绒猴开展研究。

在西雅图艾伦脑科学研究所，Hongkui Zeng和她的同事通过将携带绿色荧光蛋白（GFP）基因的病毒注入活体小鼠脑中，将中尺度连接组聚在一起。每个注射点的神经元沿着其轴突聚集GFP，并因此指向和它们进行交流的其他神经元。

“放大”

即便是中尺度的连接组，也只能提供大脑故事的一部分。微观尺度神经系统的制图者想要观察神经元之间的连接——伸出的轴突和尖刺状树突相会的单个突触。每个神经元同上千个其他神经元对话，因此每个可能拥有上千个突触。

为此，研究人员要依赖于电子显微镜学。在霍华德·休斯医学研究所珍利亚农场研究园区开展的“苍蝇电子显微镜学项目”中，合作者利用了聚焦离子束扫描电子显微镜（FIB-SEM）构建的串行方法。这类似于Zeng利用光学显微镜所开展的工作。他们扫描了一只果蝇大脑的顶部，然后在再次扫描前利用离子束在离顶部仅8纳米的地方做喷砂处理，并且在共约50万个脑切片中重复全部过程。

利用FIB-SEM仅对一只苍蝇的大脑进行切分和成像，需要两三年时间。对于更大的老鼠脑部，速度很快的机器非常重要。因此，卡尔·蔡司显微镜事业部同连接组科学家合作，研制出MultiSEM 505显微镜。该设备利用的不是1个电子束，而是61或91个，所以能一次完成几十台电子显微镜进行的工作。蔡司产品经理Stephan Nickell介绍说，对一个平面中1平方毫米的组织进行成像，只需要8分钟。通过将图像拼在一起，用户能获得反映一个脑切片的几毫米甚至有时是几厘米的画面，但仍然可以放大，看到纳米尺度的细节。

哈佛大学神经生物学家Jeff Lichtman 表示，难点同样在于数据处理，而人类依旧在这方面做得最好。他和同事正在研究一种用来替代的算法。“它的准确度在95%左右。”Lichtman认为，他们能继续改进。珍利亚农场研究园区的科学家也没有完全相信计算机。他们让计算机开展第一遍的细胞和突触辨别工作，然后利用人工进行校对。

连接组在行动

未来10年，可供挖掘的连接组数量将快速增长。与此同时，科学家正陆续取得进展。Van Essen介绍说，上千名科学家已获取到HCP部分数据集。Zeng则表示，每个月有几千名科学家访问艾伦连接组数据库。

加拿大达尔豪斯大学神经科学家Ian Meinertzhagen提供了一个连接组如何对其关于果蝇视觉系统的研究作出贡献的简单例子。果蝇会被紫外线吸引，而特定感光细胞已知能探测到这种波长。利用电子显微镜构建的“地图”，Meinertzhagen预测，视神经叶中的特定神经元能接收来自这些感光细胞的信号。果然，当他的合作者使这些连接失活时，果蝇不再偏好紫外线。

美国国家老龄化研究所神经科学实验室主任Mark Mattson表示，这些连接组将为很多神经科学家提供基础信息。“知道神经元同大脑中的其他神经元有着何种连接非常重要；了解不同神经元间存在多少可变性也很重要。”

不过，关于何种信息是必需的以及哪种细节程度将最有用仍存有争议。来自纽约大学的Tony Movshon认为，中观连接组在理解神经环路方面表现最好，而这正是神经科学家最想了解的大脑功能。例如，对大脑如何处理声音或触觉感兴趣的科学家可遵循中观连接组的路径，确认相关环路的可能成员。在他看来，微观连接组提供了太多细节，以至于无法回答此类问题。而宏观连接组无法挑选出很多连接，因此科学家将错过重要的环路构成部分。

不过，其他人认为，所有尺度对下一阶段的神经科学研究都很重要，尽管准确预测如何发挥作用仍为时尚早。Lichtman表示，诸如光学显微镜和此后的电子显微镜等进展，揭示了一个缺乏此类设备的科学家无法想象的分子世界。“最终，此类信息将成为科学家依赖的资源，就像基因组一样。”Denk预测道。

来源：教育技术、中国科学报  神经科技