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专访｜刘河生
哈佛大学附属麻省总医院 Martinos 中心人脑个体差异实验室主任优脑银河Neural Galaxy 联合创始人/首席科学家今年1月，哈佛大学脑科学家刘河生团队与德国慕尼黑大学合作的一项研究成果在脑科学界引起很大关注。该研究在美国科学院期刊（PNAS）上发表，第一次证明了：'人与人之间的大脑功能差异是人类的一个基本特征，其中一大部分是遗传的，一生下来就有。'这意味着，即便后天成长环境也会极大改变一个人的能力，但我们擅长做什么，可能在出生时就已经注定了一大半。这项研究始于三年前，对德国两个城市、不同医院的116例早产儿，在足月时进行了脑部扫描，观察脑功能的个体差异。在116例中筛选了50例非常完整的数据进行比对，发现结果是惊人的。巨大的脑功能个体差异在新生儿身上就已经非常明显，特别是在高级认知功能区，差异的程度超出预期。低级皮层，如视觉、运动、体感这些动物也很好的功能，人与人之间的差别相对较小。我们听到一个声音，看见一个事物，每个人的感知差别是不大的。但是看到这些事物之后，所想的、所做的，也就是我们的高级认知功能，人和人之间的差别非常大。 这种差异在婴儿大脑中的分布性，与成年人也非常相似。成年人脑功能出现很大差异的地方，主要也在语言、执行控制等高级认知功能区。虽然成年人的个体差异程度还要更大。在进化过程中，人脑发生了巨大的膨胀，比如前额叶这些高级功能区，有些脑区要比猴脑的对应脑区大30多倍。而且越是膨胀的部位，人与人个体差异就越大。在新生儿的发育过程中，这种个体差异的进化轨迹也被重现出来。个体差异，是我们人类最终在这个星球上，能够成为一个特别成功的物种的一个重要原因。每个人的特质都不一样，每个人的能力都不一样，人类进化出强大的语言功能、情感功能，使得人跟人之间能够交流、合作。这种协作特别重要。有了协作的可能性，人类能做的事才有了一个指数量级的改变。假如70亿人口都是一样的个体，我们可能永远不可能造出飞船，登上月球。正因为每个人都不一样，才能够通过协作，做成个体完全不可想象的事情。所以，个体差异对人类的成功和生存非常重要。但是，在大脑研究的历史上，个体差异却一直是被忽视的。2003年，刘河生从清华大学念完博士，来到美国哈佛大学做博士后，师从哈佛心理学系影像中心的主任教授。教授是一位著名的科学家，正在做一个宏大的计划，要通过对3000～5000人做核磁扫描，以得出有关脑功能的难以被挑战的普遍性规律。但有一天，刘河生的另外一位科研导师，麻省儿童医院的神经外科大夫，在看完他对一位病人的功能影像扫描后对他说：“你们这些搞影像的人，就是自己玩玩罢了。图画得五彩缤纷，这个图谱那个网格的，但到了我们临床上，一点用也没有。我就问你一个问题：如果生病的人是你的哥哥，你敢拿着你做的分析图去给他做手术吗？”刘河生一下愣住了，想了一想，回答自己说：“我不敢。”统计学上的规律，标本越大，离个体的真实情况也就越远。而手术，都需要极其精准，并要最大化地搞清楚个体病人的具体情况。这件事给他的触动很大。刘河生本来是在清华学工程的，很务实，他觉得如果自己的研究无法在实际应用中发挥效用，成就感也会大打折扣。2009年，在他成为哈佛大学医学院的助理教授之后，即成立了人脑个体差异实验室，潜心在这个方向的研究上。在提出这个方向时，刘河生的影像学导师提出了很大质疑。因为这之前的脑功能影像领域，关注的都是总体规律，他认为这是浪费时间。刘河生在撰写第一篇个体差异的研究文章时，影像中心的导师们都说：很怀疑这个事情，你的研究和当前的认知神经科学大方向是背道而驰的。2013年，刘河生实验室首次描绘出了脑功能网络的个体差异性分布，成果在Neuron杂志上发表，引起了学术界的很大反响，被评为当年最受关注的论文之一。2015年，在多年积累的基础上，他们采用功能影像处理的新方法，绘制出了个体的全脑功能图谱，并且用开颅电刺激进行了初步的临床验证。这项技术被哈佛影像中心评价为“可能开启功能核磁临床应用时代的新技术”。斯坦福大学教授在柳叶刀－神经内科 （Lancet Neurology）杂志发表评论，认为这可能是神经影像学的一个转折点。这给了他很大的振奋。十年下来，刘河生在脑科学领域发表了70+篇论文，2015年成为哈佛脑科学中心副教授，2018年成为讲席教授，2019年，他和几位科学家又共同成立了Neural Galaxy （优脑银河）致力于临床转化。如今再回首，刘河生觉得坚持是值得的。当年质疑他的导师，现在也已经从做大样本、大数据的统计研究，完全转换为专注到个体，专注到真正的临床应用，现在也成了个体脑网络的代言人，他说：'在做了个体研究之后，发现人脑里头非常精巧的一些设计，这种规律以前是看不见的。'刘河生实验室在2015年所研发出的脑图谱，在脑科学界看来具有非常深远的意义。人脑的奥妙仍然像个谜，其复杂程度难以想象，而我们对之的探索，才刚刚起步。这颗三磅重的大脑，因此又被称为“三磅宇宙”。人类对未知的探索，都是从一张地图、一个指南针开始的。而脑图谱的意义，就意味着我们去探索这颗“三磅宇宙”时，有了地图和指南针。实验室通过技术，能够比较准确地绘制出个体的大脑功能区。而且因为是利用人脑的静息态自发信号，因此不像以往的“金标准”电刺激一样，需要开颅。只需对躺着的人进行20～30分钟扫描，即可得出他的脑功能图谱。这听起来轻松，实际上是经历了漫长岁月的艰苦研究，而且影像学、工程学、神经学、计算机学，都已经有了很多技术上的突破，才得以在此基础上不断进行整合、试验、优化。而可靠性、准确性，依然是一个非常大的挑战。必须要能够验证，在临床上才是可使用的。多年前的一天，波士顿儿童医院给刘河生实验室送来一个脑瘤患者。这是一个黎巴嫩的小女孩，不到10岁。按传统手段，要在开颅之后唤醒患者，进行电刺激，同步让患者根据指令做出动作，才能定位出脑功能区域。小患者不会说英语，使得传统手段无法操作。但初步判断，她的肿瘤很靠近语言区，如果手术不够准确，就很可能造成失语。儿童医院的医生没有办法，只得把患者送到了刘河生所在的麻省总医院。他们对她进行了核磁扫描分析，把语言功能区定位出来后，交给了神经外科大夫。刘河生当时也很忐忑，没有很强的信心说到底对还是不对。但大家都已经没有别的办法，不得不试。结果手术异常地成功。医生按照他们提供的脑图谱切除以后，患者没有出现任何短期或者长期的语言损伤。有了这个案例之后，儿童医院的医生、外科大夫对他们有了更大的信心，在那之后又陆续送过来二三十位病人，通过同样的方法定位脑功能区，辅助手术。这些手术基本都取得了成功。近几年，刘河生开始与中国许多顶尖医院进行合作。因为中国的病例非常集中，医生的劳动强度也非常大。如果这些研究能够帮助神经外科大夫节省时间、提高效率，并且提供无创而又科学的决策参照，那么当然是有很大的临床意义的。为了让研究成果的可靠性、准确性更具有说服力，他们选择了最严谨的“双盲实验”。通过开颅唤醒做电刺激的手段，诞生于19世纪末期，在上个世纪30年代开始被著名的外科医生Wilder Penfield 所推广，一直沿用至今，被称为“金标准”。但是，真正的金标准，应当是功能上的直接验证。比如一个部位切除之后，功能确实发生了改变，这个标准才是毋庸置疑的。因此现在的实验，是在临床中选择100例患者，通过脑图谱做术前和术后的核磁扫描；医生同步进行手术，观察术前术后的效果。脑图谱扫描结果和医生手术结果之间是双盲的，在100例完成之后，再来进行精确的数据对比。一旦数据过关，这个结果也更具有说服力，脑图谱技术也将真正进入临床应用。这个时间点，刘河生预计在2020年底。就像大航海时代，有了地图和指南针，人们才能够去发现新大陆，才能够越来越深入地去了解我们的地球和文化。脑图谱技术相对于人脑这个“三磅宇宙”而言，意义是同样的。比如刘河生与慕尼黑大学针对新生儿个体脑差异所做的研究，如果没有脑图谱技术，就不可能如此精确地知道人脑生来有如此大的差异。大脑与我们每个人、每个家庭都息息相关。脑科学在过去的几十年中，积累了很多经验，可能教训更多。但到现在为止，已经有很多方向都准备好了，将迎来很多很大的突破。刘河生预测，未来50年，对大脑疾病和脑认知的研究突破，可能会远远超过对宇宙研究的突破。现在临床上，抑郁症、阿尔兹海默症等脑疾病一直困扰人们，且仍然没有找到好的解决办法。如果能够把这些疾病的机制搞得更清楚，那么当然非常有可能使人们更健康地生活，也会让人类的平均寿命延长。大脑功能的研究，在过去的十几年中已经有了很多方向性的改变，在脑成像技术方面的发展尤其让人兴奋。刘河生说：“现在如果再面对我的神经外科大夫导师，他问我假设给我的哥哥做手术，我愿意相信我们的图谱，还是相信他的经验，我会毫不犹豫地告诉他：我有百分之百的信心，你可以相信我们的图谱了！”
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