大脑地图是如何工作的

我们已经走了很长的路。

马克Strozier /©istockphoto.com

科学家们用许多方法来研究大脑的结构和功能。他们拍摄健康大脑的照片，并将其与患病大脑进行比较。此外，他们还检查了取自人类的大脑，灵长类动物以及小型哺乳动物，试图了解无脊椎动物较小的神经系统是如何工作的。在显微镜下，他们也检查神经元。

以下是脑地形使用的一些工具。这些技术把大脑的图像：

这些技术检测大脑活动:

新的方法可以让研究人员看到完整大脑中所有神经元之间的连接。这个研究分支被称为连接组学。大脑的“线路图”被称为连接【来源:李奇曼]．哈佛大学生物学家Jeff Lichtman说:“直到最近，我们还没有希望弄到这些接线图。”他领导了一个开发了一些新技术的小组。“我们可以看到单个细胞，但从来没有一次看到所有细胞。”

Brainbow标记在该转基因小鼠的大脑中的神经元与约90不同的颜色组合。

桁条/盖蒂图片社/法新社

其中一种技术被称为Brainbow在活体动物的大脑中，每一个神经元都用不同的颜色进行标记。通过生成动物大脑的图像，科学家可以看到神经元在哪里以及如何相互连接。随着动物的成长和衰老，他们还可以观察神经元如何改变连接。

另一种方法是ATLUM，或自动磁带收集车床超切片机．这台机器能读取大脑的接线图。“我们做一些类似于削苹果的事情，”李奇曼解释道。“当我们在车床上旋转大脑时，我们基本上剃掉了一个螺旋切口，然后把这个组织带放到胶带上。我们最终会得到一个很长的带子，基本上是整个大脑。使用一个电子显微镜，我们将形象，看到了布线的结构“。

到目前为止，Brainbow和ATLUM被只用于研究与大脑较小的动物，如小鼠。

那么，有什么意义呢?如果有的话，映射能完成什么?看看我们能从下一页绘制人类大脑图中学到什么。

为什么科学家要承担这项艰巨的大脑定位任务？答案很简单，利希特曼说：更深入地了解我们的大脑。我们从来没有见过大脑中所有神经元如何连接的图表。正如杰夫·利希特曼所说，“我们对大脑的许多思考都是基于对实际存在的东西的不完全了解。因此，我们希望看到实际情况。”

大脑的接线图可以帮助我们更好地了解我们是如何学习和适应利希特曼说。“我们开始时被较少很好地适应我们的环境比任何其他动物的时候，我们都是成年人，我们可以使用的工具，我们的遗传基因不可能教我们的神经系统来使用。 - 如iPod没有其他动物可以做到这一点。在我们的发展，我们必须连接我们自己[能]使用这些机器。”

大脑绘图对医生也有实用价值。神经外科医生使用大脑定位图来规划更安全的手术。例如，癫痫的一种治疗方法是切除大脑受影响的部分。通过使用功能性核磁共振成像和脑电图，外科医生可以定位病人大脑中的癫痫发作中心——以及在说话和移动过程中活跃的区域——精确到毫米。这些图像告诉医生留下什么和切除什么。

脑成像不仅用于治疗。它被用于诊断神经退行性疾病，如帕金森病和阿尔茨海默病(来源:Wilson)。使用像PET这样的标记技术，医生寻找某些大脑化学物质的下降，或者他们可能会使用MRI检查显示组织损失的区域的收缩。随着时间的推移，医生可以绘制出疾病进展或治疗起作用时大脑的样子[来源:研究所神经退行性疾病]．

发育障碍等自闭症可以在大脑中的结构基础。利希特曼指出，自闭症被认为涉及一系列的神经元之间的连接错误的。通过应用Brainbow与自闭症鼠标，研究人员可能会看到接线图演变找出如何，何时以及是否配线出错。

科学家们还试图说明各种精神疾病对大脑的影响，并取得了一些成功。这些病人的脑成像显示了结构异常。例如，结构核磁共振成像显示精神分裂症病人失去物质在时间和前额叶皮层随着时间的推移[来源：拉波波特]．这些发现尚未导致治疗。

恐慌症，双相情感障碍，抑郁症人们正在使用不同的大脑成像技术来研究焦虑、饮食失调等问题，但我们如何解释科学家的发现呢？更重要的是，我们在哪里可以看到它们？请在下一页找到。

微软联合创始人保罗·g·艾伦于2006年9月在国会山吹捧艾伦大脑图谱的完成。该项目研究老鼠大脑中的基因表达。

马克·威尔逊/盖蒂图片新闻

神经信息学将我们所有关于大脑的数据放在互联网在可用的形式。这些数据包括图像、神经元行为模型和神经元的地图基因在大脑的不同区域被“打开”。通过使数据共享和可搜索，大脑研究人员可以相互借鉴，并发现更多。

工程师们编写软件，帮助大脑研究的份额和比较数据。现在的软件分析，例如，阿尔茨海默氏症患者大脑不同尺寸和形状的核磁共振成像是否也有类似的大脑功能。是男人与大脑某些结构易患躁郁症？这个问题，很多人，也许有一天通过重新分析过去的病人图像，而不是通过学习新的计算机程序来回答。

以下是一些大脑图谱的例子，研究人员可以从中找到答案:

图像不是唯一的信息来源。以下是数据库的大脑研究使用的例子：

既然我们可以绘制人类大脑的地图，我们已经取得了多少进展?我们做完了吗?我们接近了吗?请在下一页找到答案。

在德国德累斯顿，一名妇女正在观看一个展示人类大脑神经生物学过程的展览。我们最终能绘制出像幸福一样的情感吗?

诺伯特·米劳尔/DDP

在对大到足以产生统计数据的人群的大脑成像后，研究人员绘制了复杂的大脑地图。有一些地图可以说明，随着年龄增长、艾滋病的发展和使用甲基苯丙胺，我们的脑容量会在哪里减少。

一张完整的人脑地图会是什么样子？这取决于你的兴趣。如果你渴望了解大脑的结构，你可能想看看假设的谷歌地球版本，它可以从我们大脑皮层的图片开始，放大到神经元编号888898432857。

这张完整的谷歌地球类型的地图在很多地方停滞不前。其中一点就是对人类大脑所有神经元及其连接的成像。哈佛大学生物学家Jeff Lichtman说，即使是在老鼠身上获得这些数据也是非常辛苦的。以…的速度地图集而电子显微镜现在已经开始工作，据Lichtman估计，要绘制出老鼠大脑中所有相互连接的神经元的图谱需要20万周的时间。这些数据将“超过互联网上的所有数据，超过世界上所有图书馆的所有数据，”他说。“目前，计算机上可能存在的存储能力还不能完全满足要求。”唯一一个我们有完整的神经元连接图的“大脑”就属于它秀丽隐杆线虫“一条一毫米长的蠕虫，有300个神经细胞,”里奇曼说。

同样，你对完整大脑地图的定义取决于你的兴趣。例如，如果你是一名神经精神病学家，一幅完整的大脑地图可能是一幅延时图像，显示双相情感障碍从出生到出现第一个症状是如何在大脑中展开的，以及锂盐是如何阻止这一过程的。

这对你来说可能还不够。你可能想知道大脑每一寸的功能。不幸的是，这是不可能的。神经生物学家查尔斯·威尔逊（Charles Wilson）说，我们无法捕捉到发生得太快或太慢的功能。其他进程需要一个生命周期。没有任何影像学研究跟踪了来自美国的某个人诞生来死亡．“据我们所知，没有一种方法可以处理每一次感兴趣的时间。威尔森说:“我们所知道的方法都只能处理其中的一小部分。”Lichtman说，目前还没有努力将所有这些地图整合成一个整体。

但威尔逊说，没有根本原因说明我们最终不能拥有任何——或全部——这些地图。“这些问题都是可以克服的实用技术问题。与任何地图一样，如果你从一张粗糙的地图开始，它总比没有地图好。而且你不需要新地图。你只需在旧地图上添加信息，使其更精细。我们不会有一天醒来就有这些。我们将在今天、明天和将来添加一点d在某个时候，我们会说，‘哇，这开始看起来很不错了。’”

想了解更多关于大脑绘图过程的信息，请看下一页。