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成效指纹,还将用于精神医治

日期:2019-09-19编辑作者:澳门新葡8455手机版

原标题:“功能指纹”可以终生识别大脑

据报道,继指纹、人脸、基因识别等生物识别技术之后,最近有一项新的识别技术被研发出,被研究人员称之为“功能指纹”(functional fingerprint)。这项技术本质上就是脑功能联结图谱,它能够识别个人特征,甚至可以判断人与人之间的关系并区分双胞胎。

神经学中独特的“功能指纹”可以帮助科学家探索遗传、环境、衰老对大脑连通性的影响。俄勒冈健康与科学大学研究员兼实验室管理人米凯拉·科尔多瓦将戒指、手表、小玩意和其他金属物质从身上摘除,并反复检查自己口袋里是否有被忽视的物品,然后走进扫描室,朝观察窗口和摄像头的方向挥动一个线圈,摄像头将记录下这段奇妙的虚拟实验室之旅。核磁共振扫描仪的麦克风使科尔多瓦的声音轻微扭曲。

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澳门新葡8455手机版 ,在2017年的研究中,利用来自350多名成人和儿童在休息状态下的两组功能性磁共振成像大脑扫描数据,费尔及其同事采用了一种创新技术来表征功能连接和机器学习,并根据大脑连接类型成功地识别出受试者的兄弟姐妹关系。

研究人员通过研究大脑各部分之间的功能联系发现,这些“指纹”可以常年用于识别个体,并区分其亲属和陌生人。图片版权:JR Bee for Quanta Magazine

美国俄勒冈健康与科学大学的达米恩·费尔2017年的一篇论文中解释道:“与DNA类似,特殊的大脑系统和连结模式会由成年人遗传给儿童,这很重要,因为可以帮助我们更好地描述大脑改变后在活动、发育或疾病等方面的特征。”

博科园-科学科普:从稍微模糊的角度来看,它看起来不像一个工业制品,更像一个有着蓝色嘴巴的野兽。我忍不住想,这种怪异的描述可能会引起追随者的共鸣。科尔多瓦与参与绘制大脑神经连接地图研究的孩子们一起工作,她用话语、电影和零食安抚孩子们的恐惧,好让他们平静地进出扫描仪,以减少晃动。大脑区域之间的物理联系被统称为“连接体”,它能帮助区分人类与其他物种的认知能力,也是它让人类各不相同。

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目前科学家们正把神经成像方法与机器学习相结合,以了解个体间大脑结构功能的共性和差异,从而研究大脑如何在遗传和环境影响下随时间发生变化。科尔多瓦工作的实验室由达米安·费尔副教授管理,他们负责研究功能连接体,并且绘制协调执行特定任务和影响行为的大脑区域图。费尔赋予了神经连接一个特殊的名字:功能指纹。每个人拥有的功能指纹都有所差别,并且可以作为识别个体的唯一标识。可以从5岁的孩子身上提取指纹,等她成长到25岁的时候,仍然可以知道哪个指纹属于她。

随后,在进一步的研究中,他们又发现,只有30%的连接体(connectome,又称为脑功能联结图谱)是个体所独有的。通过类似的实验过程,研究团队在儿童和成人中都识别出了兄弟姐妹和双胞胎配对。

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对此,研究第一作者、俄勒冈健康与科学大学医学院的行为神经科学助理教授奥斯卡·米兰达-多明戈斯(Oscar Miranda-Dominguez)进一步解释说:“这些结果证实了虽然每个人都独一无二,但家族连接体的某些方面在整个发育过程中是可遗传和维持的,或许还可以作为精神或神经疾病的早期生物标志。”

尽管她的手指可能会随着年龄和经历发生变化,但其核心特征仍然存在。同样费尔实验室和其他人的工作也暗示了每个人的功能性连接体在本质上可以被识别并且保持固定不变,而且它在一生中发生的正常变化在很大程度上可以被预测。识别、跟踪和建模功能连接体可以揭示出大脑信号如诱导行为发生变化,在哪些情况下,功能连接体会增加人类患神经精神疾病的风险。为了减少人类患精神疾病的风险,费尔与其团队系统地搜索了手中的数据,寻找扫描和研究临床人群的大脑连接模式。

未来,随着研究的深入,这项技术不仅可用于生物识别,甚至可以揭开注意力缺陷多动障碍和自闭症等疾病的神秘面纱。

1、连接体的特征

传统的绘制功能性连接体技术只关注大脑的两个区域;即使用核磁共振数据来观测每个区域活动是如何相互变化。大脑中信号一致变化的区域记为1,如果其中一个增加而另一个减少,记为-1;如果两者之间没有明显关系,则记为0。然而,这种方法存在一定局限性,由于这些区域独立于大脑的其余部分,即使每个区域都可能受到邻近区域输入的影响,并且这些额外的输入可能会掩盖任何真正的功能连接体信息,要克服这些假设,就需要全面观察整个大脑,而不仅仅只是观察一部分;同时还要揭示更广泛的、信息更丰富的连通性模式,否则这些模式可能会被忽视。

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俄勒冈健康与科学大学神经科学与精神病学副教授达米安·费尔,管理着绘制大脑区域在任务和行为过程中如何协同工作的实验室。费尔和其助理奥斯卡·米兰达·多明格斯教授(中心)研究助手迈克拉·科尔多瓦(左边),将人类受试者的核磁共振数据转换成功能性“连接体”图示。图片:Jordan Sleeth/OHSU

2010年费尔与其合作伙伴在《科学》上发表了一篇论文,描述了如何使用机器学习和核磁共振扫描来估计给定大脑的成熟度。虽然这并不是唯一一个同时分析多个连接模式的实验,但它在整个研究领域引起了轰动,因为它是第一个使用这些模式来预测特定个体的大脑年龄的合作。四年后在一篇创造了“功能性指纹”这个词的论文中,费尔的团队设计出了自己的方法来绘制功能性连接体分布图,并采用来自不同区域的信号,预测单个大脑区域活动。

在简易线性模型中,单个区域活动等于所有其他区域的总和。因为区域之间的某些通信线路比其他区域更强,所以每个区域都是加权存在。另外每个区域的相对贡献使功能指纹独一无二。研究人员只需为每个参与者提供2.5分钟高质量的核磁共振数据,就能生成线性模型。据计算大约有30%的连接体是独一无二的。与感觉、运动和视觉等更基本的功能相比,这些区域中的大部分地方倾向于控制“更高阶”任务,这些任务包含更多的认知处理,比如学习、记忆和注意力。

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达米安· 费尔和同事们在2014年评估了人类大脑中的多功能连接模式在人群中如何发生变化。其中,大约有30%的连接体是个体独有的,并且主要分布在与认知过程相关的领域。图片:Lucy Reading-Ikkanda/Quanta Magazine, adapted from doi.org/10.1371/journal.pone.0111048

平心而论,这些区域如此独特是有道理可言的,因为这些高阶控制区在本质上决定了我们是谁。事实上,大脑的额叶和顶叶皮质等区域在进化的后期逐步发展起来,随着现代人的出现而不断扩大。设想一下人与人之间最相似的东西,那应该就是如何移动手指,如何处理视觉信息了。通过考虑不同区域的活动模式,该模型可以基于两周后进行的新扫描来识别个体。但人类一生中有几个星期呢?费尔和他的研究小组开始怀疑,一个人的指纹是否能持续数年甚至几代人。如果研究人员能将一个人的功能指纹与近亲的指纹进行比较,他们就能区分形成我们神经回路的遗传力和环境力。

2、跟踪神精系

将基因与大脑组织联系起来的第一步是确定家庭成员之间的连接体共享了哪些方面。这项任务非常微妙:亲戚之间的大脑结构在体积、形状和白质完整性方面非常相似,但这并不一定意味着他们有相同的连接体结构。由于某些精神疾病更倾向于在家庭中延续,所以费尔检测可遗传联系的任务最终有助于识别大脑某些部位的基因,从而帮助减少遗传病的发生概率。正如他们在6月发表的一篇论文中所描述的那样,该实验室正在开始创建一个机器学习框架,以识别大脑各区域之间的交叉对话是否更类似于亲戚而非陌生人。

研究人员在一组新的脑部扫描中重新测试了他们的线性模型,这次样本包含了儿童以确保连接体在孩童的整个青春期早期保持相对稳定。事实上,模型灵敏到可以识别个体,尽管在过去几年里,他们的神经连接随着发育发生了改变。研究基因和环境在大脑回路中的作用首先涉及到被称为分类器的排序算法——即把指纹按照相关与不相关分成两组。该模型被运用在俄勒冈州儿童身上,其中一组儿童作为测试组,另一组儿童作为样本,这项研究还包含着来自人类连接体项目的成年人。

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这张图片是人类连接体项目中众多图片之一,该项目绘制了大脑区域间的解剖连接。相比之下,达米安·费尔实验室和其他实验室进行的绘图工作倾向于关注功能连接体,即大脑区域如何相互刺激或抑制。图片:Courtesy of the Laboratory of Neuro Imaging and Martinos Center for Biomedical Imaging, Consortium of the Human Connectome Project

正如人类观察者基于眼睛颜色、头发颜色和身高等身体特征来推测人与人之间的关系一样,分类器也使用神经连接来推测人与人之间的关系。功能指纹在同卵双胞胎之间极为相似,其次是异卵双胞胎、非双胞胎兄弟姐妹,最后是无关的参与者。研究助理教授奥斯卡·米兰达·多明格斯惊讶发现功能指纹能够从儿童模型上识别成年的兄弟姐妹。然而对成年人进行训练的模型不能做到这一点,可能是因为成年人的高阶系统已经完全成熟,使得他们的特征对于年轻、发展中的大脑来说并不那么普遍。

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