|
本文来自 Quanta magazine 翻译 杨艳 附带的是英文的语音，有兴趣的童鞋可以先听英文，之后再看中文的翻译稿 生命的最初，大脑究竟是像一块空白的石板呢，还是在出生之后就与这个世界连接，可以理解这个世界了？一项把婴儿放进一个核磁共振仪中以显示类似于成年人的神经组织的雄心勃勃的新研究欲探索此奥秘。 Rebecca Saxe的长子，Arthur, 第一次用核磁共振仪扫描他的大脑时，他才1个月大。Saxe是美国麻省理工学院的一位研究认知功能的科学家，她把小Arthur头朝下的抱着，当探针在他们周围旋转扫描时，Saxe抚摸安抚着小Arthur，而Arthur就仿佛不受影响似的，立即睡着了。 所有的父母都好奇他们小宝贝的小脑袋中正在发生什么事情；但是很少有人能有办法去探索。但是当Saxe怀孕后，她就与多年的同事一起努力设计了可以记录小宝宝脑活动图像的装置。由于她的预产期在2013年9月，这激励她早日把一切都准备好。 在过去的几十年里，像Saxe一样的研究者们已经利用功能核磁共振成像去研究了成年人和小孩们的脑活动。但是功能核磁共振成像就像19世纪早期的银版照像，它要求被观察者一动不动的躺着，以免图像变得模糊不清。小宝宝们醒着的时候就像一个不停抖动的包裹，想通过说服或者贿赂让他们一动不动那是不可能做到的事情。因此，少量的关于小宝宝的功能核磁共振成像的研究，大多是在他们睡着的时候播放声音给他们听。 而Saxe想要理解当小宝宝们醒着的时候他们是怎么看待这个世界的；她想把记录下当Arthur看视频时大脑的图片，这种研究当研究对象是成人时很容易完成。这是一种进一步探索一个更大的问题的研究方法：小宝宝的大脑是像迷你版的成人大脑一样工作呢，还是完全与成人大脑的工作方式不同？Saxe说：“我很好奇大脑时如何发育的而且我孕育着一个正在发育的大脑，这两件目前我生命中最重要的事情现在集中的融合到了一台核磁共振仪中。” Saxe和 Arthur 在这台机器中度过了产假。Saxe说：“有些时候，他不愿意和这台仪器待在一起，或者他睡着了，或者他很紧张，或者他拉粑粑了，要得到关于婴儿大脑的好数据是一个非常偶然的事件。”在这些环节中，Saxe和她的同事们关注着他们的数据，调整着他们的实验，寻找更好的观察 Arthur 大脑活动的部分。当他们得到第一批有效的数据时 Arthur 已经4个月大了。Saxe说：“我当时太激动了。” 今天一篇发表在Nature Communications上的论文是这两年多关于图像记录Arthur以及另外8个小宝宝们大脑活动工作的高潮。在论文中写道，Saxe的团队发现了婴儿和成人的大脑在对视觉信息作出反应是大脑活动呈现出一些惊人的相似，当然这其中也有一些有趣的差异。Saxe希望这项初步的研究将会为理解早期大脑形成过程的作出努力。 从出生就构建好了？ 功能核磁共振成像可能是如今科学家拥有的除开颅外研究脑活动最有效的工具。它依赖于活跃的脑区域中血流的变化情况，这产生了一个核磁共振成像仪可检测的信号。这项技术引来了一些争议，因为它是间接的测量脑活动而且它提供的简单的图像是依赖于后期的统计学处理。尽管如此，功能核磁共振成像也开启了Saxe这些科学家所称的“人类大脑的移动地图”的这种全新的研究途径。它揭示了当一个人在做事情或者在感知，思考时大脑活跃的不同部分的细节。 大脑皮层的某些区域似乎也是功能特异的。Nancy Kanwisher,是麻省理工学院的神经科学家，Saxe的前导师，她因发现了梭状回面孔区而成名。梭状回面孔区不止响应其他视觉图像的输入，而且也响应面部图像。她的实验室也带领了旁海马区域的发现，这个区域倾向于响应描绘地理位置的场景。当她还是Kanwisher实验室的一名研究生时，Saxe发现了大脑中一片与思维理论也就是主管思考关于其他人正在想什么时候相关的区域。在那之后，还有一些实验室已经确认了大脑中参与社交判断和做决策的区域。 说话速度飞快以及知识渊博的Saxe对关于大脑的哲学的和深度的探索基础类的问题十分感兴趣。对她来说，接下来摆在眼前的问题就是：大脑的组织是怎么产生的？她说：'从成人的大脑中看到大脑拥有的这些非常丰富和抽象的功能--道德，思维-你只是提出了这个问题，但是这个问题是如何产生的呢？” Saxe说：“我们的大脑是否已经进化出了某些与我们的生存的关系重大的一些特殊区域？又或者，还是我们生下来就伴随了一个令人咋舌的多功能学习的机制，利用这个机制可以学到存活在这个世界当中你需要的任何东西？当我们来到这个世界时，我们的大脑是像一张白纸一样，据我们遇到的事情来演化特定的功能呢？比如像我们出生几个月后，发现身边围绕了如此多的人，因此，我们的大脑才特异的发育出了一定的区域来实现此功能？如果是这样的话，那么每个人类大脑的基本结构都是相似的，因为这个世界对于每个人来说都是差不多的，还是从出生的时候大脑的基础机构已经构建好了。 A Place for Faces Riley LeBlanc 吐出奶嘴，然后开始哭泣。她是一个5个月大的，有着一头像拖把一样卷曲的棕色头发的小宝宝。襁褓中的她此刻哭泣仅仅因为Heather Kosakowski，Saxe的实验室经理站在笨重的核磁共振仪旁边，抱着她上下活动。Heather Kosakowski就住在在麻省理工学院脑与认知科学大楼底楼。Lori Fauci是小Riley 的妈妈，此时正坐在扫描床上，从她的口袋又拿了一个奶嘴给Riley 。这里所做的一切事情都为安抚小Riley 。你看，这个房间是微微透着亮光，扬声器中播放着叮铃的玩具钢琴演奏的流行歌曲作为摇篮曲。扫描床上放着一个特别设计的高频线圈--其实就是斜躺的椅子和婴儿大小的头盔--来作为扫描时的无线电信号接收天线。核磁共振仪编程特定的程序用来产生的噪音比平时少的噪音，以避免伤害婴儿敏锐的听觉。 开始是想让Riley乖乖躺在高频线圈里可不容易。她的妈妈得把Riley放在她的胃的那个部位，且得脸和手挨着Riley，这样才能安抚这个小宝宝。Kosakowski使妈妈和小宝宝一起滑进扫描仪中然后在移动到检查室。 而这时，实验室的另一名成员Lyneé Herrera则继续待在核磁共振仪房间里，通过手势告诉Kosakowski是否Riley的眼睛睁开了，并且正在看她头顶的镜子，这镜子可以反射出投影在机器背面的图像。 团队的目标是收集每个小宝宝尽量保持不动的观看视频的大约10分钟的数据。为了实现这个目标，研究者们经常需要平均来自多次多达两个小时的视频的数据。Kosakowski说 ：“小宝宝参与的次数越多，我们就越有可能收集到完整的10分钟的数据。”这是Riley第8次来啦。 当Herrera提示 Riley已经不再小睡时，Kosakowski启动扫描仪，记录了一系列视频剪辑的提示，因为宝宝们更喜欢看动态的图片而不是静止的。过了一会儿，埃雷拉合起了她的手，这是小宝宝睡着的信号。'有时候我觉得，宝宝们可能在这里打的盹儿最香甜。'Kosakowski笑着说。 研究婴儿这件事情总是需要新颖的技术。Charles Nelson，一名研究儿童发育的哈佛医学院和波士顿儿童医院的认知神经科学家，说道：“这可是一个有趣的问题，因为你面对的是一个不会说话的，表达能力以及注意力有限的个体，你想试图弄明白他们的脑袋里正在发生什么事情。”类似的技术通常用于研究宝宝和非人类的灵长类动物，以及那些丧失说话能力的残疾儿童。Nelson说：“我们有一套神秘的测量方法能够让我们去窥探那些猴子，小宝宝，以及有障碍的孩子们。” 最简单的方法就是观察他们的行为和通过观察他们或者使用眼部追踪技术，看他们正在看哪里。另一种方法就是测量他们的脑活动。比如说，脑电图(EEG)只需把一个可爱的连有电极和电线的小圆帽戴到婴儿的头部就可以检测脑电波波动。一项近红外光谱(NIRS)的新技术，可以发出的光线透过婴儿又薄又软的头骨以检测脑部血流的变化。 这两种方法都实时监控这脑部的活动，但是NIRS只能检测到脑部的最外层，EEG也不能准确的显示到底是脑部的那块区域正处于活跃状态。Ben Deen，自然通讯研究的第一作者，现如今是洛克菲勒大学的一名研究员，他说：“为了详细的研究空间构成和了解大脑更深的区域，你不得不选择fMRI。” 使用其他的方法，研究者们发现了关于宝宝们对不同类别的视觉输入，尤其是人脸的反应不同的线索。 来自伦敦大学神经发育学院的Michelle de Haan说：“脸部是环境中非常重要的一部分。”在生命的最初几周，婴儿的眼睛最高程度的聚焦半径相当于正在哺育他的母亲的脸离他的距离。有些研究者相信宝宝们的大脑深处或许有一种天然的机制来指导他们看脸部。 已经有证据表明婴儿们会花费更多的时间来盯着脸看。一个小宝宝对脸部的反应随着时间和经验的增长也会变得专一。比如说，成年人很难辨别两张颠倒的脸，而不到4个月大的宝宝们却没有这类偏向--他们区分两张颠倒的脸就像区分两张正常放置的脸一样容易。但是，4个月后，宝宝们就会偏向于看正常放置的脸。大约到6个月大时，婴儿们看到不同的脸的脑电图活性特征就和成人的很相像啦。 但是尽管这项研究表明宝宝们的脑部可能在某些类别，像脸部的识别，有特异化。Deen说：“这些信号是从哪里产生的这些细节我们知道的很少。” 由目前的资料来看，Saxe和她的同事们获得了扫描的17个宝宝中9个宝宝的数据了。虽然实验室正越来越多地依靠招募实验室成员以外的家庭来加入研究队伍，然而帮助他们研究的有一连串的'实验室婴儿'，包括Arthur；Saxe的第二个儿子，Percy；她姐姐的儿子，一个博士后的儿子。他们展现了在各种情况时的婴儿，观察好多张脸的视频时，自然景色时，人体和物体--玩具时以及互相争夺的场景时，在互相争夺的场景这种情况下，图像的某些部分是混乱的。Saxe 说，他们集中与研究脸部与其他场景的对比，因为这两种刺激在成年人的大脑中产生了非常大的差异，激活了大脑中非常不同的区域。 令人惊讶的是，Saxe说：“他们在婴儿的脑中找到了类似的模式。我们知道的成人偏好识别脸或者场景的每个区域都在4-6个月大的婴儿中找到了相同的区域。”这表明了大脑皮层已经开始准备在功能方面开始偏好发育，而不是完全无差别的。 小孩子们是生来就有这种能力吗？Deen说，严格的来讲我们不能说什么事情是天生的，我们可以说它是很早就开始发育了。同时Saxe指出了那些超出了视觉大脑皮层（这是大脑直接负责视觉输入的区域）的反应。研究者们也发现了额叶皮层的差异，这个区域参与了情感，价值和自我表现这些功能。观察婴儿的额叶皮层参与的活动这件事真的非常令人激动，她说。这被认为是完全发育的最后一片区域之一。 然而，当 Saxe的团队发现婴儿和成人脑部活跃的区域是相同的，他们并没有找到证据表明婴儿有为比如说脸部或者场景的输入等实现特定功能的区域。并没有参与这项研究的Nelson说这表明婴儿的大脑是多功能的，这指出了婴儿和成人大脑基本的差异。 灵活的大脑 婴儿的大脑可以像成人的那样执行功能这一点让我们非常惊讶因为考虑到婴儿与成人的大脑看起来是如此的不同。在MIT的核磁共振仪房间外的电脑屏幕上，我可以看到Riley大脑的解剖学的图片，这图片是趁她睡觉的时候拍的。相比于成人大脑的核磁共振扫描图像，其中的不同时显而易见的，Riley的大脑图片看起来毛骨悚然的黑。 Kosakowski 说：“这看起来真是一张糟糕的图片，不是么？”她解释到这个阶段的婴儿叫做髓磷脂的周围神经的脂肪绝缘体还没有完全发育，只能模糊的看见。 这个大小，婴儿的脑部正在变大--在生下来的第一年里大脑中央皮层要膨胀88%。它的细胞也在识别它们自身并快速的在彼此间建立联系，在孩提及青少年时期，许多神经细胞将会被筛选。这个阶段，大脑惊人的灵活：当婴儿中风或癫痫发作，即使需要进行切除整个半球的大脑手术，他们也会恢复得非常好。但是这种灵活性也是有限制的；这个时期如果孩子经历了贫困或者虐待，他们将会遭遇终生的学习障碍。 研究人类的大脑如何能健康发育可以帮助科学家理解健康发育的这个过程为什么有时候会扭曲。目前已知的，举个例子，许多有自闭症的孩子和成人会有社交认知的障碍，比如识别脸。这些差异是在大脑发育的早期阶段就已经呈现出来了呢还是时由儿童缺乏集中注意力识别脸或者社交暗示这些经历导致的？ 我们只是刚刚开始理解婴儿的大脑是如何形成的；这将需要花费大量的时间来收集大量婴儿的数据才能对他们的大脑的运行有整体的理解。 但Saxe 和她的同时已经展示了这样的研究是可以做的，这开启了探索的新领域。Saxe说：“从醒着的宝宝身上得到一个好的功能核磁共振仪数据是有可能的--如果你非常的耐心的话，现在，然我们一起来弄清楚我们可以从中学到什么吧。” 原文链接： https://www./20170110-infant-brains-reveal-how-the-mind-gets-built/ |
|
|
