科技視界：人類大腦為何獨特——腦內連接是關鍵

線條構成的大腦，來源：pixabay
是什么讓人類的大腦與眾不同？這個問題回答起來并不簡單，而且還需要未來幾代神經科學家們的努力。但我們已經有了一些初步的答案。考慮到我們身體的尺寸，大腦作為一種器官顯然比預想的要大。同時它還有自己特化的腦區(qū)——其中一塊用于處理語言。近年來，對大腦的掃描研究逐漸使我們明白，人腦神經元間特殊的連接方式也是答案的一部分。
磁共振成象（MRI）是這些研究中一種關鍵的工具，具體而言它是一種彌散張量成像。這種技術可以在不移開顱骨的前提下，將神經元延伸出的連接不同腦區(qū)的長纖維可視化。這些連接像電線一樣在神經元間傳遞電信號。所有這些連接合在一起被稱為連接組，它能為我們研究大腦如何處理信息這個問題提供線索。
關于連接組一直存在的一個問題是：哪種獨特的連接方式（如果存在的話）導致了人小鼠、猴子和人之間顯著的認知差異。一種名為比較連接組學的新方法學已經發(fā)現了不同物種間腦內連接的一般規(guī)律，它們或許可以幫助回答上述問題。同時它還發(fā)現了人類連接組的獨特之處以及負責維持腦內連接的細胞中發(fā)生的變化。這些進化上的創(chuàng)新之處共同作用，似乎能使人類龐大大腦中的信息流通更有效率。但當它們出現混亂時，就會引發(fā)精神疾病。
假設每個神經細胞與其他所有神經細胞相連，這種一對多的方式構成的連接組是最高效的。但這種模式需要大量的空間和能量來容納所有的連接并維持其正常運轉，因此是肯定行不通的。另一種模式為一對一的連接，即每個神經元僅與其它單個神經元相連。這種連接難度更小，但同時效率也更低：信息必須像踩著一塊一塊的墊腳石一樣穿過大量的神經細胞才能從A點到達B點。


圖片來源：Pixabay
“現實中的生命處于二者之間，”特拉維夫大學的Yaniv Assaf說道，他在《自然·神經科學》上發(fā)表了一項關于123種哺乳動物連接組的調查。Assaf的選題過程并不是那么直接：起初，他只是把與特拉維夫大學的同事Yossi Yovel一起給蝙蝠大腦成像當做周末的業(yè)余愛好，之后才逐漸轉變?yōu)橐豁楅L達七年的探索。七年間他們從一家鄰近的獸醫(yī)研究所借到了盡可能多的哺乳動物死亡后的大腦用以研究。兩位研究者從最小的蝙蝠腦（需要通過放大鏡觀察）到人腦，研究了許多種動物的大腦，包括長頸鹿、蜜獾和奶牛。他們的團隊從中發(fā)現工作中的連接有著相同的模式：不同物種的大腦中，信息從一個位置到達另一個位置所需要的墊腳石的數量是大致相等的，而且采用的連接方式是相似的。
但是，不同物種間腦內連接布局實現的方式卻存在差異。有著少數連通大腦兩個半球的長距離連接的物種每一個腦半球中往往會有更多較短的連接，腦半球中鄰近的腦區(qū)會頻繁交流。而人類和其它靈長類有著較多長距離連接的物種的局部網絡會更稀少。
這種連通的方式也許反映了將神經系統裝入頭骨時所受到的幾何限制。但是同一物種內連接的差異可能也伴隨著不同的功能?！叭绻隳骋荒X區(qū)的連接很密集，你或許擁有別人不具備的能力，”Assaf說。
雖然人腦也遵循著哺乳動物連接的規(guī)則，但是它還具有一些顯著的新穎之處。阿姆斯特丹自由大學的Martijn van den Heuvel和埃默里大學的人類學家James Rilling將人類與我們現存最相似的近親——黑猩猩的連接組進行了一次有針對性的比較，并發(fā)現了33種人類特有的連接，相關論文已于去年發(fā)表。與其余255種共有的連接方式相比，這些獨特的連接更長且對于網絡效率而言更加重要。同時，長距離的連接還將涉及到語言、工具使用、模仿的大腦皮層中高度相關的腦區(qū)緊密連接到一起。


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“人腦傾向于花大力氣來維持相關腦區(qū)的連接，”van den Heuvel說道。這種方式可以使不同部位信息的整合更有效率，尤其是與概念處理相關的信息整合?！拔艺J為用在這上面的資源給我們帶來了更加復雜的大腦功能，”他補充道。
當van den Heuvel和他的同事們研究語言相關的腦區(qū)時，一種“連接指紋”突然浮現了出來。布羅卡氏區(qū)（Broca’s area）和韋尼克區(qū)（Wernicke’s areas）分別是負責人類語言產生與理解的兩個腦區(qū)。黑猩猩的這兩個腦區(qū)受到了限制，但人腦中這兩個區(qū)域的連接更強，而且從布羅卡氏區(qū)到其它腦區(qū)的連接實際上會更弱一點。似乎這兩個腦區(qū)將處理能力奉獻給了彼此，并為語言功能搭好了舞臺。
然而，這些特有的連接或許構成了人類的阿克琉斯之踵。在去年11月發(fā)表的一項研究中，van den Heuvel、Rilling和他們的同事們發(fā)現，在精神分裂癥中這些人類特有的連接更易受到擾動。
雖然這些研究認為腦內連接在進化上有著重要意義，但是成像方法卻并不是萬無一失的。由于分辨率有限，它們可能會漏掉一條連接的末端或轉折。特拉華州立大學研究人類大腦進化的助理教授Christine Charvet稱，這一缺陷意味著該領域需要通過其他方面的證據來證實這些發(fā)現，他并沒有參與到論文工作之中。
基因組學可以彌補成像方法的一些缺陷。增強子是控制基因是否表達的一類DNA片段，荷蘭伊拉斯姆斯大學醫(yī)學中心的Menno Creyghton和他的同事在今年一月發(fā)表的一項研究中發(fā)現人類和黑猩猩身上的某些增強子與我們的遠親獼猴和狨猴有著顯著的不同。這種基因重組發(fā)生在用絕緣鞘和蛋白質包裹連接的少突膠質細胞中，使電信號能夠迅速到達目標。
Creyghton認為這種細胞在試圖跟上大腦的增長?！斑@些少突膠質細胞需要徹底改造自己以協助我們更大的大腦，”他說。“所以這一個顯著的突變讓你擁有了更大的大腦，這之后你需要做大量的調整來適應它?！?br> 作者：Michele Solis是一名居住在西雅圖的科學類自由撰稿人，她為大眾與科學家們創(chuàng)作與大腦有關的文章。
翻譯：鄭宸
審校：馬曉彤
引進來源：科學美國人
引進鏈接：https://www.scientificamerican.com/article/how-human-brains-are-different-it-has-a-lot-to-do-with-the-connections/


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