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流言十:大脑损伤是永久性的
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现在的神经科学和临床医学的确不能完全恢复中枢神经的创伤。
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但这并不绝对——至少我们已经知道有多个病例,在切除某一块大脑或半边大脑后,神经细胞重新产生了新的连接,使得理论上应该消失的大脑功能重新出现。(不过必须强调的是,这种奇迹往往出现在年龄较小的病患身上。)
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我大一时学过一个病例,有个小女孩天生就有严重的癫痫,一生下来医生就说她活不过一岁。结果她吃力地活到三岁,已经能说话和走路了,但由于癫痫过于严重,医生说为了减轻癫痫只能把左脑切掉。这时对一个语言已经发展成熟,且是右撇子的小女孩来说,面对的选择就是:要么因癫痫而死,要么永远不能说话,且很有可能瘫痪,但最后他们还是决定做半脑切除手术。术后十年,有人采访这个已经13岁的小姑娘,她早已完全康复,说话正常,能走能跑能跳,一切OK,只是有点瘸。而且她的梦想是当芭蕾舞演员。
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这真是个令人感动的奇迹。大脑精细而脆弱,但有时也有让我们自己意想不到的坚强和神奇。在这本书的最后,我也讨论了关于“换头术”这个一直以来都让人觉得是天方夜谭的计划。
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实际上,无论在生活中还是在科研中,有太多关于大脑的流言了。当然,我们现在所知道的也并不一定是正确的。可能只是用一个错误推翻了另一个错误罢了。但科学就是这样,我们所做的无非就是不断地寻找证据,不断怀疑,再不断寻找。
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然而,真正需要意识到一个流言是错误的人,往往也最不会因此吸取教训。
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大脑使用指南:其实你活在大脑创造的虚拟世界里 装×必备:透视大脑的技术
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难易程度
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为了研究大脑的运作机制,仅仅通过观察一个人的行为是远远不够的,我们得将大脑“打开来看看”。慢着慢着,别拿着榔头在你小伙伴的脑袋上比画!(友谊的小船说翻就翻!)
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你可以把大脑想成一个封闭的盒子,你给它一颗糖,它能给你唱首歌、念首诗,也可能从你身边逃跑。你想看看盒子里是什么,可一打开,它就受了伤,甚至会死掉,更别说维持正常的工作了。你也可以仅仅通过研究它静止、已失去活力的形态来研究它,通过它的结构、形状来推测它的作用(解剖学),或是将每一个零件拿出来单独培养、看一个或是几个相关的零件是怎么相互作用的(神经细胞学)。
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过去,想要将大脑和一个行为联系起来,只能通过分析大脑有损伤的患者(俗名“脑残”)的行为来推测。譬如,一名病人某个大脑区域在事故中受到了损伤,结果这位病人在行为上出现了很奇怪的变化,譬如说他再也无法形成新的记忆了,但其他行为却没有受到任何影响。这说明这位病人大脑受伤的那个区域和记忆的生成至关重要。
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为了更深入地研究这个区域,科学家不得不通过动物实验进一步地证实、确认更深层的机理。但问题是,其他的动物,即使是与我们最像的猩猩,和人还是有很多不同的,特别是在大脑这个器官上面。当我们想研究一些人类特有的,更为复杂的认知功能时,如情感、阅读、决策等等,很难仅仅通过动物来研究。所以,还是得看看人的大脑哪(科学家之间友谊的小船在风雨中摇曳)。
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好在最近30年,脑成像技术越来越成熟,科学家终于可以在不损伤志愿者的身体的前提下,甚至在人的大脑正在工作时,通过各种各样的脑成像技术来实时观察大脑的活动。
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在现在的神经科学研究中,常用的脑成像技术有很多种,主要有脑电图2、脑磁图3、功能性核磁共振4和正电子发射计算机断层扫描5等等。
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功能性核磁共振(fMRI)
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用简单的人话来讲,核磁共振就是能够用来看到当你在干某事的时候,大脑的哪些区域会变得活跃。
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它是怎么做到这一点的呢?当神经细胞活化时,细胞会消耗氧气,而氧气是借由血液中红细胞里的血红素,沿着微血管,送至每个细胞附近的。当一个区域的神经细胞们一起变得活跃,这个区域所需要的氧气增大,这样附近的含有氧气的血液就会流向这里,来补充消耗掉的氧气。所以,伴随着神经细胞的活化,这个大脑区域会有血流的变化,而且血氧浓度也会与周围的区域有所不同。如果我们能够测量这个血氧浓度变化,就能够推测到,大脑的哪些区域变得活跃了。
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那怎么来测量呢?我们在中学时就学过,当电荷沿着导线运动时,会在导线周围产生磁场。如果我们把电荷换成一个带有正电荷的质子,当它绕轴旋转的时候,也会形成磁场。人体约70%都由水组成,每一个水分子中含有两个氢原子,而氢原子的原子核的自旋角动量不为零。当你将它放入一个均匀的磁场中时,如果控制好这个磁场的能量,就能使得这个原子核产生共振,放出电磁波。而这个电磁波可以被检测到,经过处理,便能够知道发出这个电磁波的原子核的位置,并绘制出精确的图像。
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其实,核磁共振里的“核”指的是氢原子核。但在临床上,因为担心病患会对“核”这个字产生畏惧感,国内也常将这种技术称为“磁共振”。
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因为缺氧和氧化状态下的血红素对磁场的反应是不同的,所以根据血液里的含氧量就能够产生不同的信号,这个信号叫作血氧浓度相依对比(Blood oxygen-level dependent,简称BOLD)。
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通过使用功能性核磁共振,通过绘制出大脑不同区域不同的BOLD信号,现在我们能够得到相对精细的大脑扫描图。更重要的是,因为这种成像方法对人体没有任何伤害,所以在临床和科研中都有广泛的使用。
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使用功能性核磁共振成像,科学家能够定位大脑里什么位置负责怎样的认知活动,换言之,核磁共振成像有杰出的空间分辨率。但是,因为神经细胞的活化到产生BOLD信号,有1~5秒的延迟,所以核磁共振成像的时间分辨率比较差。这对变化迅速的大脑认知功能,譬如说听声音(大脑活动是毫秒级),就不是特别完美。另外,核磁共振成像设备非常昂贵,维护、维修以及使用它都不便宜。在我所在的实验室,使用一个小时需要300英镑(友情价),也就是近3000人民币。一个普通实验一般至少需要10个人,每个人1个小时,也就是说光是使用就需要花费30000人民币。这也是不能避免的,必须考虑在研究经费之内的重要因素。
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