酷应用

大脑简史（2）-研究大脑的手段

百家作者：人工智能学家 2019-07-25 15:32:07

来源：人机与认知实验室

上篇文章笔者和大家分享了认知神经科学历史上的大事件，这些大事件有的极大程度的改变了人们的思维，有的直接推动了神经科学的发展，可以这么说，没有这些前人的努力，就没有我们现在取得的成就。

但是，很多人仍然会疑惑的问，我们现在在大脑实验中都会运用什么方法和手段呢？这些手段会不会对我们的大脑有所影响呢？下面笔者就大脑的研究手段向读者略说一二。

1.MRI

首先说说核磁共振吧。1977年7月3日发生的一件大事永远地改变了现代医学的前景。起初，这一事件在医学研究界以外几乎没有激起一点涟漪——这就是核磁共振成像检查（MRI）首次在人类身上使用。当时它几乎用了五个小时才完成一幅图像。从今天的标准来看，这幅图像相当难看。雷蒙德·达马迪安博士（一名医师，同时也是一位科学家）和同事拉里·明科夫博士以及迈克尔·戈德史密斯博士经过七年的不懈努力，才实现了这个目标。他们将这台机器命名为“不屈不挠号”，以纪念他们在完成很多人声称不可能完成的任务中所体现的精神。而随着技术的发展，现在只需几秒钟就可以完成从前需要花费数小时的成像工作。

核磁共振，简称MRI，是利用无线电波的一种手段，可以恰当的通过组织而不损害组织。核磁共振利用这一优势，使电磁波能够自由地穿透颅骨。目前已经有大量的学术研究和医学研究运用了这项技术。这项技术给了人们以前认为是不可能的美妙照片。它可以捕捉人在产生感觉和情绪时的大脑图片。这就像一个时钟滴答作响时能够看到它的内部一样。

MRI机器是非常巨大的，它的圆柱形磁线圈可以产生一个磁场，比地球磁场大2万-6万倍。MRI仪器重达一顿，占满整个房间，花费数百万美元，最主要原因是有一个巨大的磁场。具体操作流程如下：病人平卧并插入到包含两个产生磁场的大线圈的圆筒中，当磁场打开时，身体内的原子核的行为很像指南针的指针，它们沿磁场方向排列。然后产生一个小的无线电脉冲能量，使我们身体中的一些原子核快速翻转颠倒。当这些原子核恢复到正常位置后，它们发出二次无线电脉冲能量，然后通过MRI机对这些脉冲进行分析，通过分析这些微小的“回声”，可以重建这些原子的位置和性质。然后用电脑重新构建原子的位置，给出我们美丽的三维图像。

磁共振成像机的最大优势是其精准的定位大脑各微小部分的能力，可以小到mm级别的几分之一。MRI扫描产生的不只是二维屏幕上称为像素的点，而且是在三维空间中称为“体素”的点，产生三维的成千上万个明亮彩色点的集合，形状为大脑。

虽然说MRI的空间分辨率很高，但它的时间分辨率却很差，这点和稍后要谈到的EEG（脑电图）正好相反。为了跟踪大脑中血液的路径几乎需要整整一秒钟，电信号通过大脑几乎是瞬间的，因此，MRI扫描可能错过一些思维模式的复杂细节。

而且，值得一提的是，该仪器成本过高，一台MRI动辄数百万美元，使得很多小型的研究机构无力购买，只能在一些较大规模的医院和研究院才可能见到。不过，随着科技的进步，成本应该会逐步降低的。

2.fMRI

在20世纪90年代中期，科学家发明了一种新型的MRI机器，被称为功能性核磁共振（fMRI），fMRI与MRI的区别主要是,传统的MRI为结构性成像,扫描脑灰质,白质,脑脊液的形态结构等以判断是否有病变或损伤.fMRI功能成像,是基于大脑进行某项活动时局部脑区血氧水平的变化,来观察进行某项任务时所谓"脑激活"情况.是BOLD信号成像.前者可认为时间分辨率为无穷大(不发生损伤或病理性改变及老化因素等影响,脑结构基本保持稳定),后者的时间分辨率为秒级.

3.DTI

由于不同的化学元素对不同的无线电脉冲的频率有回应，因此可以通过改变无限电脉冲的频率来识别身体的不同元素。弥散张量成像(DTI)，就是一种描述大脑结构的新方法，是核磁共振成像(MRI)的特殊形式。如果说fMRI测量的是血液中含有的氧原子，那么DTI捕捉的就是大脑中水的流动。以为水是大脑的神经通路，所以科学家现在可以立即确定大脑的某些部分和其他部分是怎样联系的。

4.DBS

深部脑刺激技术（DBS），又称脑起搏器治疗手术。该技术是利用脑立体定向手术在脑内特定神经核团的位置植入电极，通过高频电刺激可抑制异常电活动的神经元，从而起到治病的作用。可以治疗帕金森病、原发性震颤、癫痫、扭转痉挛等疾患。笔者上篇文章曾经提到潘菲尔德医生，他当初使用的探针较粗，今天，这些电极已经可以细的像头发丝一般。最近，这些电极可以瞄准大脑的一个新区域（BA25），抑郁症的这个区域经常活跃过度，因此治疗和药物对他们不起作用。然而DBS使这些病人在经常了长时间的病痛折磨后竟奇迹般的缓解了。

5.PET

正电子发射断层显像（PET），它通过定位葡萄糖的存在以计算脑能量的流动，因为葡萄糖分子是为了细胞提供能量的。为了开始PET扫描，需将一种特殊的含有轻微的放射性葡萄糖的溶液注射到身上。糖分子中的钠原子被放射性钠院子取代。每当一个钠原子衰变时，它会发出一个正电子或阳电子，很容易被传感器检测到。跟踪葡萄糖中放射性钠原子的路径，就可以绘制出大脑内的能量流动图。

与MRI相比，PET空间分辨率并不是很好，而且还具有轻微的放射性，所以患者不能持续进行PET扫描，原则上，出于患者安全的考虑，一年之内禁止两次及以上的PET扫描。

6.CT

电子计算机断层扫描（CT）的工作程序是这样的：它根据人体不同组织对X线的吸收与透过率的不同，应用灵敏度极高的仪器对人体进行测量，然后将测量所获取的数据输入电子计算机，电子计算机对数据进行处理后，就可摄下人体被检查部位的断面或立体的图像，发现体内任何部位的细小病变。根据所采用的射线不同可分为：X射线CT（X-CT）、超声CT（UCT）以及γ射线CT（γ-CT）等，这项技术运用时间较早，目前也比较成熟。

7.EEG

脑电图（EEG），即脑动电流图。脑电图的引起可回溯至1924年，但直到最近才使得从每个电极涌出的数据有意义。脑电图信号的采集首先需要被试（或病人）戴上脑电帽，帽子上会有很多的电极，这些电极负责检测在大脑中流动的微小电信号。（本身不会对身体造成危害）

不同于MRI，EEG完全是被动的，专门负责采集大脑微小电信号。它的优越性在于它能够记录整个大脑中涌动的广泛的电磁信号，使科学家可以测量在睡觉时，沉思时，放松时甚至是做梦时的大脑活动情况。而且，它的优势还在于低成本，与MRI不同的是，一个普通课堂里，老师就可以佩戴脑电仪来向学生们展示EEG的使用方法。

但是，EEG的空间分辨率很差。脑电图扫描拾取的脑电信号在它穿过颅骨后已经扩散了。使得很难检测出源于大脑深处的异常活动。此外，轻微的动作就可以使脑电图的信号发生很大变化，影响测量结果。

8.BEAM

脑电地形图（BEAM）是在EEG的基础上，将脑电信号输入电脑内进行再处理，通过模数转换和付立叶转换，将脑电信号转换为数字信号，处理成为脑电功率谱，按照不同频带进行分类，依功率的多少分级，最终使脑电信号转换成一种能够定量的二维脑波图像，此种图像能客观地反映各部电位变化的空间分布状态，其定量标志可以用数字或颜色表示，再用打印机打印在颅脑模式图上，或贮存在软盘上。它的优越性在于能发现EEG中较难判别的细微异常，且病变部位图像直观醒目，定位比较准确，从而客观对大脑机能进行评价。主要应用于缺血性脑血管病的早期诊断及疗效予后的评价，小儿脑发育与脑波变化的研究，视觉功能的研究，大浮肿瘤的定位以及精神药物的研究等。

9.MEG

脑磁图（MEG）依据的是物理原理：快速变化的电场能够产生一个磁场，反之亦然。MEG是一种应用脑功能图像检测技术对人体实施完全无接触、无侵袭、无损伤的大脑研究和临床应用设备。它能够被动的测量大脑中电场变化产生的磁域。这些磁场是十分微笑的，只有地球磁场的十亿分之一。目前来说，MEG的空间分辨率很好，可达到一千分之一秒。但其空间分辨率很差，近一个立方厘米。

10.TMS

经颅磁刺激（TMS）技术是一种利用脉冲磁场作用于中枢神经系统（主要是大脑），改变皮层神经细胞的膜电位，使之产生感应电流，影响脑内代谢和神经电活动，从而引起一系列生理生化反应的磁刺激技术。以前，科学家如果研究大脑某个特定部位的作用时，不得不通过中风或者肿瘤的手段让大脑的某部分不工作，这样的手段是有很大的风险的，而且不具有可逆性。但有了TMS后，我们就可以随意打开或关闭的大脑的特定部分。通过在大脑一个特定点注入磁能，只需通过观察一个人行为的改变，便可以确定它的功能。

但是TMS也是有缺点的，磁场强度随着距离衰减很快，这就造成了磁场不能够穿越到大脑内部很深的地方。TMS在关闭贴近颅骨的这部分大脑是很有用的。但是不能够到达如边缘系统这些在大脑内部的脑区。这也是下一代TMS技术急需解决的问题。

11.光遗传学

光遗传学：这种技术曾被视为是科幻小说才有的桥段。科学家首先将引起细胞活动的光敏感基因通过精确手术直接植入到神经元中，然后，打出一道光束，神经元被激活，更重要是，我们现在可以通过控制这些通路，来直接操纵生物的行为。

虽然这项技术只有短短十几年的时间，但已经收到了很好的效果。打开一盏灯的开关，就可能使果蝇突然飞出，小鼠疯狂的绕圈跑。对猴子，甚至是人体的实验也开始了讨论。该项技术未来很可能会用在治疗人的疾病上，如帕金森氏症和抑郁症。

12.大脑透明术

透明的大脑：像光遗传一样，认知神经科学另一个壮观的新发展是使大脑完全透明，让神经通路完全暴露在肉眼之下。虽然这项技术困难重重，但是在2013年，斯坦福大学的科学家宣布，他们已经成功的让老鼠的整个大脑完全透明，并使人的部分大脑透明。这项技术是那么的引人注意，以至于《纽约时报》头版登出了这样的标题：大脑像果冻一样清晰的展现，让科学家探索。

在细胞层面上，单个细胞看上去是透明的。但是，一旦十几亿个细胞组合成像大脑一样的器官后，脂类添加物会使器官变的不透明。这项新技术的关键点就在于去除脂类的同时保持神经元的完整性。而斯坦福大学的做法是将大脑放到水凝胶中，水凝胶与所有的大脑分子结合，但不与脂质结合。然后将大脑放到有电场的肥皂溶液中，用该溶液冲洗大脑，带走脂质，留下透明的大脑。而加入染料后可以使该神经通路清晰可见。这将有助于识别和绘制大脑的许多神经通路。

以上是笔者整理的一些大脑科学中比较常用的技术，希望大家批评指正。