【消費(fèi)電子實(shí)驗(yàn)室-2020/7/28】 大腦是我們身體中最精密的器官之一，它的工作包括理解觸覺、視覺和聲音的輸入，并負(fù)責(zé)語(yǔ)言、推理、情緒、學(xué)習(xí)、運(yùn)動(dòng)的精細(xì)控制，還有其他許多方面。

　　一些神經(jīng)科學(xué)家認(rèn)為，正是大腦的解剖結(jié)構(gòu)，也就是無數(shù)神經(jīng)纖維的存在，才使得所有這些功能成為可能——大腦的“電線”通過精心設(shè)計(jì)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)連接起來，從而產(chǎn)生驚人的能力。如果是這樣的話，那似乎意味著一旦科學(xué)家能繪制出神經(jīng)纖維及其連接圖，并記錄下它們?cè)趯?shí)現(xiàn)高級(jí)功能（比如視覺）時(shí)的脈沖時(shí)間，就應(yīng)該能夠理解大腦是如何幫助人們看見外部世界的這個(gè)問題。

　　隨著技術(shù)的進(jìn)步，科學(xué)家越來越擅長(zhǎng)使用纖維示蹤成像技術(shù)來繪制“大腦地圖”，這種使用了三維模型的技術(shù)能直觀地展現(xiàn)神經(jīng)纖維的路徑。通過使用增強(qiáng)型功能性磁共振成像（enhanced fMRI）來測(cè)量血流，科學(xué)家在記錄大腦信息傳遞的方面也越來越出色。然而“殘酷”的現(xiàn)實(shí)是，盡管手握這些工具，但似乎沒有人真的完全理解了我們是如何看見外部世界的。對(duì)于大腦究竟是如何將所有這些方面結(jié)合在一起的，神經(jīng)科學(xué)只取得了一些初步的認(rèn)識(shí)。

　　為了解決這個(gè)問題，南佛羅里達(dá)大學(xué)Salvatore Domenic Morgera教授團(tuán)隊(duì)將生物工程研究集中在了大腦結(jié)構(gòu)與功能之間的關(guān)系上。團(tuán)隊(duì)的整體目標(biāo)是科學(xué)地解釋所有在認(rèn)知任務(wù)中激活不同大腦區(qū)域的連接，這些連接包括了解剖學(xué)上的物理連接，以及更為復(fù)雜的“無線”連接。團(tuán)隊(duì)正在研究復(fù)雜的模型，來更好地幫助科學(xué)家理解大腦的功能。

　　類似推理和學(xué)習(xí)的認(rèn)知功能會(huì)使用到許多不同的大腦區(qū)域。單憑解剖學(xué)，也就是神經(jīng)元和神經(jīng)纖維的研究，并不能解釋這些區(qū)域出現(xiàn)的同時(shí)興奮，或者在時(shí)間上有先后順序的興奮模式。事實(shí)上，大腦中的有些連接是“無線”的，它們被稱為電近場(chǎng)連接（electric near-field connection），這并非是能被纖維示蹤成像捕捉到的物理連接。

　　Morgera教授的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)在這一領(lǐng)域深耕了多年，他們?cè)敿?xì)揭示了這些無線連接的起源，并測(cè)量了它們的場(chǎng)強(qiáng)。用一個(gè)非常簡(jiǎn)單的比方，它們就像是你大腦中的無線路由器。網(wǎng)絡(luò)通過有線連接傳輸?shù)铰酚善鳎�然后路由器利用無線連接將信息發(fā)送到你的電腦和手機(jī)上。由于有線和無線連接的共同存在，整個(gè)信息傳輸系統(tǒng)才能正常工作。

神經(jīng)細(xì)胞結(jié)構(gòu)示意簡(jiǎn)圖。| 圖片設(shè)計(jì)：雯雯子；素材來源：BruceBlaus/Wikicommons

　　在大腦中，神經(jīng)細(xì)胞將電脈沖沿著軸突（長(zhǎng)長(zhǎng)的絲狀“手臂”），從胞體傳導(dǎo)到其他神經(jīng)元。在這個(gè)過程中，無線信號(hào)自然地從神經(jīng)細(xì)胞未絕緣的部分發(fā)射出來。這些沒有被“包裹”的軸突部分被稱為郎飛結(jié)。郎飛結(jié)可以讓帶電離子在神經(jīng)元內(nèi)外擴(kuò)散，使電信號(hào)沿著軸突傳播。當(dāng)離子進(jìn)出時(shí)，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生電場(chǎng)。這些場(chǎng)的強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)則取決于神經(jīng)細(xì)胞的活動(dòng)。

　　在對(duì)大腦興奮區(qū)域與認(rèn)知功能進(jìn)行匹配的研究中，過于簡(jiǎn)單的模型假設(shè)可能還讓科學(xué)家犯了另一個(gè)錯(cuò)誤。

　　許多研究人員傾向于利用單一變量的線性關(guān)系模型，來測(cè)量單個(gè)大腦區(qū)域反應(yīng)的平均大小。線性模型假定，如果一個(gè)系統(tǒng)的輸入增加一倍，該系統(tǒng)的輸出也將相應(yīng)地翻倍。然而事實(shí)是，大多數(shù)生命的感知系統(tǒng)并不是以一種線性的方式對(duì)刺激產(chǎn)生反應(yīng)。線性模型忽略了大腦功能中的各種可能性，尤其是那些超出解剖結(jié)構(gòu)的部分所帶來的可能性。

　　現(xiàn)在，越來越多科學(xué)家認(rèn)為，神經(jīng)計(jì)算是非線性的。在非線性模型中，單個(gè)輸入值可以存在許多輸出值。舉個(gè)例子，在理解大腦和行為之間的聯(lián)系時(shí)，一個(gè)至關(guān)重要的問題是，大腦如何在相互競(jìng)爭(zhēng)的選擇中決定最佳的行動(dòng)方案。例如，大腦的額皮質(zhì)通過計(jì)算許多變量來做出最佳選擇，它會(huì)計(jì)算潛在的回報(bào)、成功的概率以及時(shí)間和精力方面的成本等等。由于系統(tǒng)是非線性的，將潛在回報(bào)增加一倍，最終決策的可能性可能會(huì)提高一倍以上。

　　目前的線性模型僅僅描述了一個(gè)大腦區(qū)域的平均興奮水平，或者說大腦表面的血流，而更先進(jìn)的增強(qiáng)型功能性磁共振成像和電子近場(chǎng)生物成像數(shù)據(jù)所建立非線性模型則可以包含更多信息。這樣的非線性模型提供了大腦表面和大腦內(nèi)部深處的信息流的三維圖像，讓研究人員更接近大腦的工作原理。

圖片來源：Thomas Angus， Imperial College London/Wikicommons

　　Morgera教授的團(tuán)隊(duì)還對(duì)這樣一個(gè)事實(shí)很感興趣，那就是結(jié)構(gòu)完全正常的大腦仍然可能會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的功能性問題。

　　作為神經(jīng)學(xué)功能障礙研究的一部分，研究團(tuán)隊(duì)探訪了臨終關(guān)懷醫(yī)院、喪親互助小組、康復(fù)護(hù)理機(jī)構(gòu)、創(chuàng)傷中心和急癥醫(yī)院的許多病人。他們驚訝地發(fā)現(xiàn)，失去摯愛親人的人會(huì)表現(xiàn)出與阿爾茨海默病患者相似的癥狀。

　　悲傷是對(duì)死亡或者其他損失的一系列情感、認(rèn)知、功能和行為反應(yīng)。它不是一種狀態(tài)，而是一個(gè)過程，它可以是臨時(shí)的，也可以是持續(xù)的。對(duì)那些承受著巨大悲傷的人來說，他們的大腦看起來很健康，并沒有像阿爾茨海默病患者那樣出現(xiàn)解剖學(xué)上的問題，比如大腦區(qū)域發(fā)生萎縮，或者神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)之間的連接中斷。

　　研究人員相信，這是一個(gè)很好的例子，表明大腦的那些非物理聯(lián)系，加上大腦豐富的非線性運(yùn)算如何導(dǎo)致了一些明顯的后果，而這些后果是簡(jiǎn)單的大腦掃描無法預(yù)測(cè)出來的。

　　這些想法可能為未來通過無創(chuàng)手段緩解嚴(yán)重的神經(jīng)系統(tǒng)疾病指明了方向。Morgera教授和團(tuán)隊(duì)相信，利用在電近場(chǎng)成像方面的最新進(jìn)展，繪制出大腦中所有非物理聯(lián)系，并采用多變量非線性模型，可以讓科學(xué)家更深入地認(rèn)識(shí)大腦的關(guān)鍵功能，比如計(jì)算、記憶、網(wǎng)絡(luò)和信息分配。