繪製大腦地圖 - 國家地理雜誌

艾倫於十年前出資成立的西雅圖艾倫腦科學研究所，已經製作出大腦分子結構的地圖，稱為艾倫大腦地圖集。

所裡的研究人員運用高解析度的磁振造影技術（MRI） ... 繪製大腦地圖-國家地理雜誌中文網 https://www.natgeomedia.com/environment/article/content-2948.html?utm_source=natgeomedia&utm_medium=article&utm_content=Share_2948 請先登入 登入 科學與新知 環境與保育 歷史與文化 探索與冒險 旅遊 主題企畫 會員專區 會員中心 電子雜誌 特刊 相關連結 雜誌訂閱 最新書訊 活動 大石商城 少年科學俱樂部 全站搜尋 電子雜誌搜尋 AD 首頁 環境與保育 文章總匯 不錯過任何知識訊息，立即加入國家地理官方Telegram 防疫期間遠端工作，請利用客服信箱聯繫。

Feb. 10 2014 繪製大腦地圖 繪製大腦地圖 1   撰文：卡爾•齊默 CarlZimmer 攝影：羅伯特•克拉克 RobertClark   凡．韋登捻著花白的鬍子，俯身靠近電腦螢幕，在裡面無數個檔案中搜尋。

我們坐在一間沒有窗戶的圖書館裡，周遭放滿了斑駁的箱子，裡頭裝著老信件、頁角捲翹的科學期刊，一旁還擺了一台還沒人有時間丟掉的舊式幻燈片播放機。

  「我得要花一些時間才能找到你的大腦，」他說。

  韋登的硬碟裡儲存了好幾百張精細的3D大腦影像，舉凡猴子的、老鼠的，以及包含我在內的人腦，應有盡有。

韋登要帶我到我自己的大腦裡一遊。

  「我們會走完所有景點，」他微笑著保證。

  這是我第二次拜訪馬蒂諾生物醫學影像研究中心，它位在波士頓港的一間船繩工廠舊址。

我在幾個星期前初次造訪時，自願當韋登和他同事的神經科學白老鼠。

我躺在掃描室的平板床上，頭枕在一個沒有蓋子的塑膠盒裡。

放射師在我的臉上罩上白色塑膠面罩，我透過眼孔看著他將面罩栓緊，讓裡頭的96根迷你天線緊貼我的腦部來接收大腦釋出的無線電波。

當平板床滑進掃描艙圓筒狀的開口時，我不禁聯想到《鐵面人》的情節。

  接著，周圍的磁鐵開始發出隆隆聲響和嗶嗶聲。

我閉著眼躺了一個小時，努力想讓自己保持平靜。

這並不容易。

韋登和他的同事為了盡可能獲取最高的影像解析度，所設計的掃描艙對於我這種體型的人幾乎是僅有容身的空間。

我順了順呼吸來平撫恐慌感，並把自己帶到回憶裡，有一瞬間甚至回想起在某次暴風雪後我牽著九歲女兒越過雪堆送她上學的情景。

  我一面躺著一面想到，這些思緒和情感都是這團正在接受檢查的1.4公斤肉葉製造出來的：透過電脈衝傳送的恐懼訊息匯聚在大腦中稱為杏仁核的組織體；為了因應恐懼的安撫反應是由額葉皮質區下令發出。

我跟女兒散步的記憶則是稱作「海馬迴」的神經元所協調產生的作用，它會重新活化我腦內廣大的神經網絡，當年我攀越那些雪堆、形成這些記憶時，就是經由這同一片網絡。

  接受這次腦部掃描，是我跑遍美國各地進行採訪報導的一部分，為的是要記錄現代最偉大的科學革命之一，也就是科學家在解讀人類大腦運作的驚人突破。

有些神經科學家著重研究神經細胞（或稱神經元）個體的細微結構；有些則分析大腦的生化機制，調查腦內幾十億的神經元是如何製造及運用數千種不同的蛋白質。

還有其他包含韋登在內的神經科學家，致力於繪製空前精細的腦內神經迴路影像：大腦的神經網絡是由總長約16萬公里、稱為白質的神經纖維所組成，連結了心智的各個區塊，我們所思、所感、所知的一切都來自於此。

  神經科學家在觀察大腦運作時，也可以同時觀察大腦的缺陷。

他們開始能辨識出一般人的大腦與精神分裂症、自閉症和阿茲海默症等病症者的大腦之間有什麼結構上的差異。

只要能更精細地繪製大腦地圖，科學家也許就能知道如何根據這些病症對大腦結構的影響來進行診斷，甚至藉此找出這些障礙的源頭。

  在我第二次造訪韋登的實驗室時，他終於找到我上次在掃描艙內拍下的影像。

我的大腦出現在螢幕裡。

他用一種叫做「擴散頻譜造影」的技術，把白質發出的射頻訊號轉成高解析度的神經網絡圖。

神經纖維會形成數十萬條傳導途徑，在腦內各區塊之間傳送訊息，掃描器便將這些神經纖維束繪製成圖。

韋登將每條途徑都標上不同的顏色，我的大腦因此看起來像一團色彩繽紛的彩虹絨毛，宛如一隻有著迷幻毛色的波斯貓。

  韋登聚焦在幾條特定的途徑，為我指出一些和語言及其他思維能力有關的重要神經迴路。

接著，他將我大腦影像中大部分的途徑都消除，讓我能更清楚了解這些途徑的組織方式。

在倍率放大後，我眼前出現一幅驚人的景象。

這些迴路雖然錯綜複雜，讓人眼花撩亂，卻都以直角相交，彷彿方格紙上的線條。

  「這些神經迴路都是網格狀，」韋登說。

  韋登首度在2012年發表大腦的網格結構時，有些科學家抱持懷疑，認為他所發現的，可能只是遠比此複雜的腦部結構的一部分而已。

但韋登深信這種排列方式意義重大。

他發現無論是在人類、猴子或老鼠的大腦裡，都能觀察到這種網格結構。

人類的思緒可能就像電車一樣，沿著白質軌道行進，將訊息從大腦的某個區塊傳到另一個區塊。

  「這些網格背後不可能沒有一個原理，」韋登專注地凝視我的大腦影像。

「只是我們還無法參透箇中奧妙。

」   如今科學家對大腦的認識極為豐富，以致於我們很容易就會忘了在人類的大半歷史中，我們對大腦如何運作、甚至它到底是何物根本一無所知。

古代的醫生相信大腦是黏液組成的。

亞里斯多德認為大腦就像一台冰箱，負責冷卻火熱的心臟。

從他的年代以降至文藝復興時期，解剖學家信誓旦旦地宣稱人類的知覺、情感、理性以及行動都是「動物本能」的產物，這些本能是一團團神祕未知的雲霧，在我們頭部的空腔內旋轉，在身體各處遊走。

  17世紀的科學革命開始推翻這一切。

英國醫師湯姆士．威利斯發現我們的心理世界原來就存在於大腦組織內。

為了了解大腦如何運作，他解剖了羊、狗和死亡病患的大腦，繪出人類史上第一張準確的大腦地圖。

  又過了一個世紀，研究者才發現大腦是個發電器官。

在大腦裡傳遞、並進入身體神經系統的不是動物本能，而是電脈衝。

但即使到了19世紀，科學家對於這些脈衝行進的途徑仍少有了解。

義大利醫師卡米洛．高爾基主張大腦是一片毫無縫隙、相互連結的網狀組織。

西班牙科學家聖地亞哥．拉蒙．卡哈爾則以高爾基的研究為基礎，嘗試以新方法將神經元個別染色並追蹤其複雜分支，找到了高爾基沒發現的現象：原來每個神經元都是獨立的細胞，與其他細胞各自分離。

神經元會透過稱為軸突的卷鬚傳送信號。

軸突末端與稱為樹突的神經元接收端之間有個微小間隙，樹突負責接收來自軸突的訊息。

科學家後來發現軸突會釋出一些化學物質到這個間隙，用以在相鄰的神經元誘發信號產生。

  神經科學家傑夫．里克特曼現任哈佛大學「拉蒙．卡哈爾文理講座教授」，在21世紀延續卡哈爾的研究。

以往，卡哈爾以手工為神經元染色，再用筆墨描繪他的發現；現在，里克特曼和他的團隊則創造了鉅細靡遺的3D神經元影像，呈現神經元的每一個突起和向外延展的分支。

透過深入探究各個神經細胞裡最細微的構造，他們也許終於能為一些有關大腦最基本的問題找到答案。

每個神經元平均含有1萬個突觸。

這些突觸與其他神經元的連結方式是否有其規則，或只是隨機排列？而各個突觸是否偏好與特定種類的神經元連結？   為了產生需要的影像，里克特曼和他的同事將經過保存的老鼠大腦放入神經解剖專用的切片機裡，削下一片片的組織，每片的厚度還不及一根人類頭髮的千分之一。

這些科學家用電子顯微鏡拍下這些切片的影像，再以電腦排序堆疊。

一個3D影像緩緩成形，科學家也因此得以探索其中，彷彿乘著潛水艇航行在海底的海藻叢中。

  「全部都看得到，」里克特曼說。

  唯一的問題是，這「全部」實在太龐雜了。

到目前為止，里克特曼團隊所重建的老鼠大腦，最大體積也只有一顆鹽粒的大小，但光是這樣就足足有100兆位元組的資料量，相當於2萬5000部高解析度影片。

  一旦蒐集到這些資料，科學家真正的苦工就開始了：他們必須找到將看似混沌的大腦組織起來的規則。

最近，里克特曼團隊中的博士後研究員納拉亞南．卡斯蘇利對老鼠大腦的一塊柱狀組織展開分析，這塊組織的體積為1000立方微米，只有一顆鹽粒的十萬分之一。

他在一個軸突的一小段周圍選定區塊，希望能辨識出所有通過此區的神經元。

  結果這塊微小的腦組織看起來就像一筒蠕動的蛇。

卡斯蘇利在其中發現了1000個軸突和大約80個樹突，每一個又與柱狀組織裡的其他神經元產生約600個連結。

「這是一個提醒，告訴我們大腦的複雜程度遠超乎我們所想像，」里克特曼說。

  很複雜，但並非毫無規則。

里克特曼和卡斯蘇利發現，每個神經元的所有連結幾乎都只跟另一個神經元相連，彷彿小心翼翼地避過其他緊鄰的神經元。

「它們似乎很在意自己連接到誰，」里克特曼說。

  然而里克特曼還不敢說這種一絲不苟的模式究竟是通則，或只是他們採樣的這一小塊老鼠大腦的特性。

就算他們改良技術，還是得再花兩年才能將老鼠腦內的7000萬個神經元掃描完成。

我問他：如果是掃描神經元數比老鼠多1000倍的人類大腦呢？   「我不會經常去想這個問題，」他笑道：「那太痛苦了。

」   等到里克特曼完成大腦3D繪圖的那天（如果真有那一天），這幅肖像將能揭露許多資訊——但那仍只是個極度精細的圖像而已。

其所呈現的神經元影像不過是空洞的模型；真正的神經元裡擠滿了活生生的DNA、蛋白質和其他分子。

各種類型的神經元會有特定的基因組來建造用以執行任務的分子結構。

舉例來說，眼睛裡的感光神經元會製造捕捉光子的蛋白質，而在黑質區的神經元則負責製造多巴胺，多巴胺在大腦的獎酬系統中不可或缺。

蛋白質和化學物質的分布對於了解大腦如何運作、又如何出錯，也至關重要。

帕金森氏症患者的黑質神經元所製造的多巴胺低於正常值，原因仍不明。

阿茲海默症會讓病患大腦布滿糾結的蛋白質團，不過科學家還不確定這些蛋白質團如何引發讓人痛苦的失智症狀。

  由微軟公司共同創辦人保羅．艾倫於十年前出資成立的西雅圖艾倫腦科學研究所，已經製作出大腦分子結構的地圖，稱為艾倫大腦地圖集。

所裡的研究人員運用高解析度的磁振造影技術（MRI）掃描剛亡故的死者大腦（由家屬捐贈），形成3D圖譜，再把大腦切成只有在顯微鏡下才看得見的薄片，放在載玻片上。

然後將切片浸在化學物質中，以顯現藏在神經元裡的活性基因。

  截至目前，研究者已繪製出六個人的大腦地圖，並在每個大腦中的700個位置記錄了2萬個蛋白質編碼基因的活動。

這些資料量十分龐大，科學家才剛開始解讀。

他們估計人類DNA裡的基因有84%都在成人大腦內的某個地方活動（心臟或胰臟等功能較單純的器官，運作所需的基因則少得多）。

以他們研究的700個位置來說，每個位置的神經元都會啟動一組特定的基因。

他們針對大腦裡的兩個區域進行初步研究，比較了已知會影響神經元作用的1000個重要基因。

結果這些基因在這六個大腦中活化的區塊幾乎一模一樣，大腦彷彿是一片精緻繁複的基因地貌，每個部位各有不同組合的基因在執行任務。

而許多大腦疾病的祕密可能就藏在這片地貌中，隨著特定基因異常的活化或停止活動而發生。

  艾倫大腦地圖集的所有資料都發表在網路上，讓其他科學家可以用特製軟體自行瀏覽，也因此有了新的發現。

舉例來說，一個巴西研究團隊利用線上資料研究一種稱為法氏病的腦部病變，這種嚴重的疾病會鈣化大腦深處的區域而導致患者失智。

有幾起法氏病的病例已查出與基因SLC20A2的突變有關。

科學家從線上大腦地圖中發現SLC20A2最活躍的區塊，正好是法氏病對大腦的主要影響範圍。

  在所有大腦顯像的新技術中，也許最值得注意的是由史丹佛大學神經科學家兼精神病學家卡爾．戴瑟羅和他的同儕所研發的技術。

為了看見大腦，他們先讓它消失。

  我造訪戴瑟羅的實驗室時，大學部的珍妮爾．沃勒斯帶我到工作台旁，上頭有半打燒杯靜置在泡沫塑膠盤上。

她取出一個燒杯，指著杯底葡萄大小的老鼠大腦給我看。

但與其說我看到那個大腦，不如說我是看穿它，因為它幾乎就像玻璃彈珠一樣透明。

  不用說，無論是人類或老鼠，正常的大腦絕不會是透明的，因為有脂肪和其他不透光的複合物包覆著大腦細胞。

這就是為什麼卡哈爾得將神經元染色才看得見，也是為什麼里克特曼的團隊和艾倫研究所的科學家要將大腦切成薄片來觀察其內部。

透明大腦的優點就在於可以保持其完整，但仍能窺見其內部運作。

戴瑟羅和團隊中的博士後研究員鄭光勛開發了新方法：以透明分子取代大腦中不透光的化合物。

他們以這個方法讓老鼠大腦透明化後，再將大腦浸泡在標記用的螢光化學劑裡，這種化學劑只會附著在某幾種蛋白質上，或追蹤兩個相隔遙遠的神經元連結途徑。

然後，研究人員會洗掉化學劑再加入另一組化學劑來顯示另一種神經元的位置及結構——相當於將原本無解的神經迴路一一解開。

「不必剖開大腦也可以觀察裡面的迴路，」戴瑟羅說。

  要讓神經科學家感到驚奇並不容易，但戴瑟羅這個名為「明晰法」的技術卻讓他的同事大感佩服。

「棒呆了，」艾倫研究所的科技長克里斯多夫．寇克表示。

韋登稱這項研究「令人嘆為觀止……在這個領域裡獨一無二」。

戴瑟羅的終極目標是想將人腦也變得透明。

這就困難多了，而且不只是因為人腦是鼠腦的3000倍大。

  光是描繪一個人類大腦中單種蛋白質分布的「明晰」圖，就可能產生多得嚇人的數據——大約2000兆位元組，或相當於好幾十萬部高解析度影片的檔案大小。

戴瑟羅希望有一天可以透過「明晰法」找到自閉症、憂鬱症等病症還不為人知的特徵，能夠幫助包括他的精神病患在內的患者。

不過目前他並沒有期望太高。

「要改變腦部病症的治療方式還有很長一段路要走。

所以我都跟別人說：『想那些都還太早了，』」他說。

「現在我們只是在探索的階段。

」   就算透明大腦真能提供許多資訊，那依舊是一個死亡的器官。

科學家需要不同的工具來探索活體大腦。

例如韋登用來追蹤白質模型的掃描器，只要換個程式設計就能夠用來記錄活動中的大腦。

功能性核磁共振造影（簡稱fMRI）可以精確標示出進行心智活動時所啟動的大腦區塊。

過去20年來，科學家運用fMRI找到了涉及各種思考過程的神經網絡，舉凡臉部辨識、享用咖啡，到對創傷事件的回憶等。

  fMRI影像很容易讓人驚豔，因為它會為大腦染上一塊塊色彩。

但不要忘了這些影像其實相當粗糙。

再強大的掃描器最小也只能記錄到一立方毫米的腦部活動，等同於一粒芝麻的腦組織。

而在這樣的空間裡，就有數十萬神經元在同步發送、交換訊號。

這些訊號如何形成顯現在fMRI影像中的大型模式，仍是個謎。

  「有些關於腦皮質簡單到不行的問題，我們都答不出來，」艾倫研究所的克萊．里德說。

  為了能回答其中一些問題，里德與同儕進行了稱作「心智觀測鏡」一系列企圖心十足的實驗。

他們的目標是了解數量眾多的神經元如何進行一項複雜任務。

  里德和他的同事選擇破解的是大腦的視覺功能。

科學家研究我們如何看見世界已經好幾十年了，但獲得的成果卻一直是片段而零碎的。

  科學家已找出大腦的視覺區裡專司不同任務的區塊，例如偵測物體邊緣或感知光亮等功能。

但他們仍無法觀察所有區塊如何在同一時間共同運作；以老鼠而言，他們無法了解老鼠大腦視覺區的數百萬個神經元，如何能夠立刻結合所有訊息而產生貓的影像。

  為了解決這個問題，里德和同事製造了基因改造老鼠，讓牠們的視覺神經元在發送訊號時會出現閃光。

不管是貓、蛇或一塊誘人的乳酪，閃光器都會記錄老鼠看見特定物體時的神經活動，科學家再彙整數據，產生大量的視覺數學模型。

如果模型是準確的，科學家就能解讀老鼠的心智。

  「我們的目標是重建老鼠看見影像的過程，」里德說：「我想我們做得到。

」   里德的老鼠視覺研究朝神經科學的最終目標又邁進了一步，那就是對這個無比複雜的器官如何運作獲得全面性的認識，接受過我訪談的科學家稱之為「大腦理論」。

不過，這個宏大的遠景距離實現還很遙遠，而追尋它的過程對醫生診療病患的方式尚未帶來太多改變。

然而有一派大腦地圖的研究已開始改變人類的生活，那就是「人機介面」。

  凱西．哈契森43歲那年發生嚴重中風後，失去行動及語言能力。

她躺在麻州綜合醫院的病床上，慢慢地，她發現醫生根本不知道她到底是腦死還是意識清醒。

哈契森的姊姊問她能否聽懂她說的話，並請她如果可以就移動眼珠，哈契森辦到了。

  「我鬆了好大一口氣，」哈契森在17年後的今天告訴我：「因為每個人談到我時，都一副我快死了的樣子。

」   那是個冷颼颼的冬日，我們在她麻州東部的家裡，她坐在客廳中央的輪椅上，穿著深綠色的慢跑裝和運動鞋。

儘管她依然幾乎完全癱瘓、無法交談，她還是可以藉由注視電腦螢幕裡的字母進行溝通，螢幕就栓在輪椅上，她的眼鏡中心裝了兩個小小的金屬盤，有一台攝影機會追蹤金屬盤的動作。

  大腦上方附近有一個區域稱作運動皮質，我們在這裡發出移動肌肉的命令。

一百多年前，我們就已經知道皮質的每個區塊都與身體的某一個部位相互對應。

像哈契森這樣的身體癱瘓者，他們的運動皮質通常並沒有損傷，只是因為連結受到損壞而無法與身體的其他部位溝通。

布朗大學的神經科學家約翰．唐諾修希望利用癱瘓者運動皮質發出的訊號，找出協助他們的方法。

也許有一天他們會學會純憑思想在電腦上打字或操作機器。

唐諾修花了好幾年研發出一種植入器，並在猴子身上進行測試。

他與同事確認這個設備安全無虞後，準備應用在人類病患上。

  哈契森就是其中一名病患。

2005年，羅德島醫院的外科醫師在她的顱骨鑽了一個像新台幣10元大小的洞口，置入唐諾修研發設備的感應器。

這個感應器的大小約如瓢蟲，內有100根小針，小針會插在哈契森的運動皮質，記錄周圍神經元所傳出的訊息。

一組固定在設備上的電線則穿過顱骨上的洞口，連結到貼在頭皮上的金屬連接器。

  哈契森的手術傷口癒合後，布朗大學的研究人員推了幾台電腦到她房裡，在她頭上的植入器接上傳輸線，把大腦發出的神經訊號傳到電腦。

但研究人員首先得讓電腦能夠辨識哈契森運動皮質裡的訊號，再利用這些訊號移動螢幕上的游標。

由於研究人員已經知道如何將大腦活動的訊號轉化為動作，因此哈契森一試就成功了。

兩年之後他們將一隻機器手臂連接到電腦，並把解讀哈契森大腦訊息的程式加以改良，讓手臂能夠依照訊息上下前後地移動，也可以張開手指、握起拳頭。

  經過幾次練習後，哈契森與電腦及機械手臂已經合作無間。

「感覺好自然，」她告訴我。

自然到某天她居然伸手拿起一杯肉桂拿鐵，然後移到嘴邊飲用。

  「看到凱西放下咖啡後的那抹微笑，一切都值得了，」唐諾修說。

  如今，唐諾修與其他科學家在這個成功的基礎上持續推進研究，希望能創造出強大、安全且簡便的人機介面。

杜克大學的米蓋爾．尼可萊里斯持續進行綁在身上的外骨骼實驗，要讓大腦訊號可以控制四肢。

他已經成功讓猴子學會控制全身的外骨骼了。

如果一切進展順利，在2014年於尼可萊里斯的故鄉巴西舉辦的世界杯足球賽，開球的會是穿著簡易版外骨骼裝的下半身麻痺者。

  「總有一天，大腦植入物會跟心臟植入物一樣普遍，」尼可萊里斯說。

「對此我深信不疑。

」   要預測大腦研究的未來發展並不容易。

過去的進展曾讓人充滿興奮期待，但很多期待都落空了。

「我們無法辨別精神分裂症患者、自閉症患者和一般人的大腦之間有何不同，」寇克說。

但他相信此刻所進行的研究將把神經科學推向一個卓越的嶄新階段。

「我認為我們開始能拼出全貌了。

」 欣賞更多圖片 MAY.2022 拯救瀕危森林 森林是保護地球的關鍵，如今卻亟需我們幫助 AD 熱門精選 科學與新知｜ Jun.132019 鱈魚不是鱈魚？多利魚也不是多利魚？所以你到底吃了什麼魚？ Read 環境與保育｜ Jul.092018 誤會大囉！龐貝古城的無頭屍終究不是被砸死的 Read 科學與新知｜ May.282019 喝酒臉紅易罹癌？小時候家裡窮會胖？統計學家黃彥棕來解答 Read 環境與保育｜ Jan.202020 長江白鱘宣告絕滅 Read 環境與保育｜ Oct.022018 水母體內出現的菸盒塑膠膜，最終可能被我們吃下肚？ Read AD 相關推薦 歷史與文化｜Nov.182019柏林圍牆為何築起──又是如何倒下Read 旅遊｜Apr.132022海面Read 環境與保育｜Jun.032020裘切利亞的閃電Read AD Subscribe 立即訂閱 keyboard_arrow_up AD