Nature :終極大腦圖譜解決百年爭議
日期:2016-07-22 15:29:04
人類大腦被譽為是“進化的最高杰作”,但我們對自己的大腦其實并不了解。七月二十日,Nature雜志上發布了迄今為止最準確的“終極大腦圖譜”。這份圖譜結合了各種不同類型的數據,將幫助人們解決一個世紀以來有關大腦區域劃分的爭議。
地球儀是我們給地球做的模型,上面描繪著山川和河流,還劃分了不同國家的疆域。現在,科學家們也為人類大腦皮層制作了一個這樣的模型,將其中的山峰和峽谷分為180個獨立區域。其中九十七個區域是此前未知的。
每一個獨立區域的細胞有著相似的結構、功能和連接。但各個區域之間有著明顯的差異,就像擁有明確國界和獨特文化的國家,華盛頓大學的神經學家David Van Essen指出。
為了更好地了解其工作機制,神經學家一直在嘗試劃分大腦區域。此前最經典的一張大腦圖譜將大腦皮層分為52個區域,這主要依據組織中的細胞排列。近年來人們開始通過磁共振成像(MRI)技術構建大腦圖譜,比如用功能磁共振成像(functional MRI)測定大腦血流對不同思維任務的應答。
然而,絕大多數這樣的圖譜只基于某一種測定結果。這會帶來不完全甚至是誤導性的信息,新加坡國立大學的計算神經學家Thomas Yeo說。Essen等人構建的新圖譜使用了多項MRI測定結果,“這大大增加了它的可信度。”
華盛頓大學神經學家Mathew Glasser領導研究團隊,收集了人類連接組項目(Human Connectome Project)中210名健康青年的大腦成像數據。他們采用的數據包括皮層厚度、大腦功能、區域間的連接、大腦組織的細胞組織形式以及髓鞘水平。髓鞘是一種加速神經信號傳導的脂質。
Glasser在大腦皮層中尋找屬性顯著改變的區域,由此在大腦圖譜上繪制邊界。“如果你沿著大腦皮層慢慢走,就會發現多個獨立屬性在某個地點發生了改變,”。他們驗證了此前發現的83個大腦區域,鑒定了97個新的大腦區域。研究人員還在另外210名志愿者的大腦中測試了這份圖譜的準確性。研究顯示,Glasser等人繪制的圖譜是正確的,不過大腦區域的大小存在個體差異。這可能與個體的認知能力和疾病風險有關。
當然這份圖譜并不是盡善盡美的。它沒有揭示多少大腦的生化基礎,也沒有體現單個神經元的活性。“這就像是在用Google地圖觀察你家的小區,”新墨西哥大學Rex Jung說。“你無法真正看到鄰居的活動,也無法知道他們做什么工作。”
大腦讓我們人類成為了地球上最高級的動物,但大腦運作也消耗了大量的能量。中科院此前的一項研究指出,我們為了變聰明付出了很大的代價。相對于其他靈長類動物,人類的肌肉力量在進化中變得比較弱,以發達肌肉為代價換取了更為復雜的頭腦。Science雜志特別刊登文章對此進行了報道。
ENIGMA聯盟的研究者們對三萬多人進行了MRI掃描,并且收集了這些人的遺傳學信息和其他數據。他們鑒定了決定關鍵大腦區域大小的八個遺傳學變異,它們代表著“人性的遺傳學本質”。研究顯示,這八個遺傳學變異能使大腦組織縮小約1.5%,它們有些位于基因內部,有些位于關鍵基因的附近。其中KTN1的影響最大,這個基因決定著核殼的腦細胞動向。另外還有兩個基因調節該區域的細胞數量,它們也涉及了結腸癌或免疫系統癌癥。
多倫多大學的研究人員在Science雜志上發表文章指出,我們人類成為地球上最聰明的動物得益于一個關鍵性分子事件。在脊椎動物中,大腦的大小和復雜程度存在著很大的差異。舉例來說,人類和青蛙已經獨立演化了三億五千萬年,其大腦功能已經有天壤之別。那么這巨大的差距是如何形成的呢?研究顯示,人類和青蛙擁有的基因數相當接近,它們的物種差異主要來自于可變剪接(AS)。PTBP1蛋白的可變剪接控制著神經元的生成,幫助哺乳動物進化出更大更復雜的大腦。
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