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Feb. 10 2014

影像藝廊:繪製大腦地圖

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  • 影像藝廊:繪製大腦地圖

馬蒂諾生物醫學影像研究中心裡,一名工程師戴著大腦掃描器的感應頭盔。一台大腦掃描器所需的能量幾乎相當於一艘核子潛艇。當掃描器的磁場激化大腦中的水分子時,天線就會接收到大腦發出的訊息。接著電腦便會將數據轉為像以下的大腦影像。Photograph by Robert Clark

 

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大腦的諸多區塊都是靠白質相互連結,而稱作白質的神經纖維全長約16萬公里,足以繞地球四周。攝於馬蒂諾研究中心的這張影像和其他影像,首度揭露了構成認知功能的特定神經途徑。圖中粉紅色和橘色的神經束負責傳送對語言功能不可或缺的訊息。Photograph by Robert Clark; brain preparation performed at Allen Institute for Brain Science. Image by Van Weeden and L. L. Wald, Martinos Center for Biomedical Imaging, Human Connectome Project

今日的科技讓科學家可以深入觀察隱藏在大腦內的結構。高解析度影像顯示白質纖維以神祕的網格結構排列,彷彿地圖上的經緯線。

Image by Van Weeden and L. L. Wald, Martinos Center for Biomedical; Imaging, Human Connectome Project

形成記憶時,「大腦會產生實質改變,」南加州大學的唐.亞諾說。從圖中這一個老鼠神經元延伸而出的分支上遍布紅色和綠色的圓點,代表與其他神經元交換訊息的位置。當老鼠形成新的記憶時,新圓點會出現,舊圓點則消失。Image by Garrett Gross and Don Arnold, University of Southern California

 

思想、感覺、感官和動作都是源自於幾十億神經細胞之間複雜難解的交互作用。一片微小的老鼠大腦切片就是通往這個隱密世界的一扇窗口。研究人員將200片不到人類頭髮厚度1/1000的老鼠大腦切片準備好,以電子顯微鏡產生影像。Photograph by Robert Clark

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將1萬張這種顯微照片堆疊起來所產生的3D模型不會比一顆鹽粒大(如圖中鑷子裡所示)。如果要以如此精細的程度顯示人腦影像,所需要的資料量會等於全世界圖書館裡所有書面資料的總和。Image by Josh L. Morgan, Harvard University; Arthur Wetzel, Pittsburgh Supercomputing Center

加州理工學院與加州大學洛杉磯分校的科學家利用名人照片來研究大腦如何處理眼睛看到的影像。在2005年的實驗中,他們發現有一個神經元只在受試者看到珍妮佛.安妮斯頓的照片時才會發送訊息。還有一個神經元只對荷莉.貝瑞的照片有反應,即使她戴著貓女的面具時也一樣。後續研究發現,要重現任何一個特定的人物、地點或概念所需要的神經元數量相當少,這讓大腦儲存資訊的效率變得異常強大。

TOP ROW (from left): Landov; Universal Pictures/Entertainment Pictures/Zuma Press; Kevin Dietsch, UPI/Landov; Universal Pictures/Entertainment Pictures/Zuma Press; Rune Hellestad, UPI/Landov; Tschiponnique Skupin, Future-Image/Zuma Press; Dan Steinberg, AP Images; Stephen Hird, Reuters; Ash Knotek, Snappers, Zuma Press; Lisa O’Connor, Zuma Press. SECOND ROW (from left): Franziska Krug, Action Press/Zuma Press; Sharkpixs/Zuma Press; D. Long, Globe Photos/Zuma Press; AJ Sokalner, UPPA/Zuma Press; Jordan Strauss, Invision/AP Images; Globe Photos/Zuma Press; Universal Pictures/Entertainment Pictures/Zuma Press; Universal Pictures/Entertainment Pictures/Zuma Press; ZBP/Zuma Press; Sharkpixs/Zuma Press; Henry McGee, Globe Photos/Zuma Press. THIRD ROW (from left): Fox Searchlight Pictures/Entertainment Pictures/Zuma Press; Clasos/Splash News/Corbis; Fox/Entertainment Pictures/Zuma Press; Graham Whitby Boot, Allstar/UPPA/Zuma Press; Paul Schmulbach, Globe Photos/Zuma Press; Ash Knotek, Snappers/ZUMA Press; Nancy Kaszerman, Zuma Press; NBC/NBCU Photo Bank/Getty Images; Paul Smith, Featureflash/Shutterstock. FOURTH ROW (from left): Kristin Callahan, Ace Pictures/Zuma Press; Globe Photos/Zuma Press; Lisa O’Connor, Zuma Press; EFE/Zuma Press; Mario Anzuoni, Reuters; Zuma Press; Jim Ruymen, UPI/Landov; Brian Kersey, UPI/Landov; Zuma Press; Jason Merritt, Getty Images. FIFTH ROW (from left): Graham Whitby, Globe Photos/Zuma Press; Morris Mac Matzen, AP Images; Chris Pizzello, AP Images; PA Photos/Landov; Globe Photos/Zuma Press; Nancy Kaszerman, Zuma Press; Mario Guzman, EFE/Zuma Press; Dave Longendyke, Globe Photos/Zuma Press. SIXTH ROW (from left): MWP/Zuma Press; Universal Pictures/Entertainment Pictures/Zuma Press; Paul Schmulbach, Globe Photos/Zuma Press; Nancy Kaszerman, Zuma Press; Landov; Columbia Pictures/Entertainment Pictures/Zuma Press; Armando Gallo, Retna Ltd./Corbis; Kristin Callahan, Ace Pictures/Zuma Press. SEVENTH ROW (from left): Chris Pizzello, AP Images; Kristin Callahan, Ace Pictures/Zuma Press; Dan Herrick, Zuma Press; Universal Studios/Entertainment Pictures/Zuma Press; Mario Anzuoni, Reuters; James Warren, UPPA/Zuma Press; Fox/Entertainment Pictures/Zuma Press; Danny Moloshok, AP Images; Nancy Rivera, Ace Pictures/Zuma Press

科學家是怎麼找到「珍妮佛.安妮斯頓專用神經元」的?在加州大學洛杉磯分校的神經科學醫學中心裡,研究人員將電極植入癲癇症患者的腦部,如圖中的克莉絲朵.霍金斯。Photograph by Rob Clark

在霍金斯下一次癲癇發作時,電極就會精確找到發作來源,讓神經外科醫生知道該移除哪一塊大腦組織。這種電極也提供了難得的機會,讓科學家得以觀察正常運作的神經元,因而發現了只對特定臉孔產生反應的神經細胞。Image by Eric Behnke and Andrew Frew, UCLA

掃描圖顯示佛汀一名病患的腫瘤(上方紅色區塊)已經侵入控制手腳行動的區域。Maxime Descoteaux and Maxime Chamberland, Sherbrooke Connectivity Imaging Lab, Université de Sherbrooke

他一面移除部分腫瘤,一面在這個區域釋放電流,以判斷鄰近的神經元是否為動作功能所需要的。「這名病患仍保有許多動作功能,」馬克西姆.德斯寇托表示。他是製作這張大腦掃描圖的社布魯克大學科學家之一。「因此負責動刀的外科醫師採取比較保守而非積極的手術方式。」Photograph by Robert Clark

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