【归田园居作者报纸糊墙】揭秘大脑为何这么皱 为精神疾病诊治开路


发布时间:2020-11-27 01:40:09 阅读量:34244 作者:宇豪

第一眼看到人类大脑,我们首先会注意到的就是那纵横交错的隆起和沟壑,这些有着弯曲皱折的胶状组织即为大脑皮质(又称为灰质),约2~4毫米厚,里面布满了神经元,负责调控认知、思想、情绪和行为归田园居作者报纸糊墙。其它脑部较大的哺乳动物,像是鲸、狗和人类的近亲大猿,也都有纹路独特的皮层皱折,脑部较小的哺乳动物和其它脊椎动物,脑部外观则较平滑。这些拥有大型脑部的哺乳动物在演化过程中,皮质大幅扩增,事实上,如果把人类的大脑皮质铺平,它的面积相当于一个特大号披萨,是头颅内部表面积的三倍,因此人类和其它“脑大”的物种,要把皮质塞进头颅的唯一办法就是“折迭”。

重点提要

-大脑皮质就是脑部最外层有着弯曲皱折的部份,与人类的感知、思想、情绪和行为等高层次心智有关。

-复杂的皱折让表面积增大的皮质可以装入内部表面积有限的头颅里。

-最新发现显示,皮质上的隆起和沟壑是因皮质内神经纤维的拉力所造成的。

-健康人和罹患源自胚胎发育时期的脑疾病(例如自闭症)患者的大脑皮质外观不同,这些形状差异显示患者各个脑区间的联系也和正常者有别。

这些折迭并不像将纸揉起来一样随便,每个人都循着一定的模式。这些折迭原先是怎么发生的?折迭产生的形态是否透露了脑的功能?新研究显示,在胚胎发育期间,神经纤维网络会将柔软的皮层拉扯出特定形状,并且终生维持着,如果神经网络在发育期间出错,或之后因中风或创伤受损,就会对脑的形状和神经传讯造成深远的影响,因此这项发现可引领诊断和与疗一些精神疾病的新策略。

神经纤维的拉力造成皱折

几百年来,科学家不断思索着脑部复杂的形状。19世纪初期,德国医生高尔(Franz Joseph Gall)提出从脑和头颅的形状可看出一个人的智力和个性的观念,这个理论又称为颅相学(phrenology)。尽管没有科学证据支持,这个影响深远的观念却让科学界开始搜集并研究“罪犯”、“变态”和“天才”的脑。到了19世纪后期,瑞士解剖学家西斯(Wilhelm His)提出假说,认为脑的发育受到一连串物理力量的引导。英国博物学家汤普森(D'Arcy Thompson)根据这个学说指出,不管是生物或无生命物质,许多结构都是物理性自我组织的结果。

这些早期学说虽然诱人,但最后却日渐式微归田园居作者报纸糊墙。人们认为颅相学是伪科学,在现代遗传理论下,以生物物理来了解脑结构的方法相形失色,不过最近科学家使用全新的脑造影技术,并以先进的计算机分析为辅,反倒为19世纪的那些旧观念提供了一些新鲜的证据。

1997年起,有一些线索指出西斯和汤普森有关大脑构造的想法并没有错。美国圣路易华盛顿大学的神经生物学家范艾森(David Van Essen)在《自然》上发表了一个假说,指出那些连结大脑皮质不同区域、负责讯息传递的神经纤维,会对这层胶状组织造成一些微弱的拉力。在人类胚胎发育的前六个月,大脑皮质都维持平滑,新生神经元会伸展出细长的轴突(axon),钩住位于皮质其它区域内的目标神经元的树突(dendrite),然后系缚在一起,当皮质扩增,轴突像橡皮筋一样拉得又长又紧;到了怀孕中期尾声,神经元继续形成、移动并建立连结,大脑皮质也开始折迭;到了出生时,皮质已大致发展完全,也有了典型的皱折外观。

范艾森认为,大脑皮质上两个区域间有许多轴突相连,在发育期间会因为系缚的轴突产生拉力而拉近,形成隆起的脑回(gyrus);相对的,连结较弱的区域就会被拉开,分隔在脑沟(sulcus)的两侧。

现代科技可追踪神经线路,以检查皮质上这些神经传讯系统是否也是雕塑脑部外形的主因。根据简单的机械模型,如果每根轴突会产生微弱的拉力,两个联系紧密的区域间,其所有轴突结合起来的力量可以强到拉直路径。利用称为逆向追踪的方法,将染料注射到皮质的某个区域内,染料就会从轴突末端吸收、进入神经元,反向运送回细胞本体,而得知有哪些区域会伸出轴突到注射区域。此外,这个方法还可显示出这个区域与外界的联系有多密切,以及这些轴突路径的曲直。我们以逆向追踪法研究恒河猴的许多神经连结之后发现,如同我们的预测,大部份轴突路径都呈直线或略微弯曲,而且连结越密集,路径也越直。

神经连结的雕塑能力从人类左、右脑半球语言区的形状差异即可明显看出。举例来说,侧脑沟(Sylvian fissure)这条深沟隔出前、后语言区,但左脑的裂沟比右脑的裂沟浅多了,这种不对称现象可能与弓形束(arcuate fascicle)的结构有关,这条粗大的神经束沿着裂沟连接了前、后语言区。根据这项观察以及多数人语言主要依赖左脑的事实,我们在2006年发表的论文中假设左脑弓形束的神经纤维比右脑来得密集。之后有几个脑造影研究证实了左、右脑神经束密度的不对称性。根据理论,较粗的纤维束应该会产生较强的拉力,因此左脑的弓形束应该较右脑直,这点仍有待验证。

从巨观皱折到微观结构

机械性张力不仅雕塑了大脑皮质的巨观特征,也影响了皮质的层次结构。大脑皮质就像多层蛋糕,是由层层细胞堆栈出来的。大部份区域有六层细胞,每一层的厚度和组成都不同。举例来说,主要感觉皮质区的第四层比较厚,控制自主运动功能的皮质区第五层比较厚,而皮质联合区(支持思考和记忆等功能的区域)则是第三层比较厚。

100多年来,科学家利用这种层次结构的差异将皮质划分出不同的特化区,最著名且沿用至今的是德国解剖学家布洛德曼(Korbinian Brodmann)所绘制的大脑皮质图。而皮质的折迭则会改变细胞层的相对厚度,就像弯折一迭海绵一样,在隆起的脑回,顶层皮质伸展变薄,在凹陷的脑沟处,顶层皮质挤压变厚,而底部细胞层的情形则刚好相反。

根据这些观察,有些科学家认为,虽然细胞层和神经元会伸展或被挤压,但皮质总面积和所含的神经元数目是相同的。若是如此,较厚的区域(像是脑回底部细胞层)的细胞数会少于较薄的区域。这个称为等容积模型的学说认为,在胚胎发育期间,神经元先迁移到皮质,然后皮质才开始折迭,这就好比我们折迭一袋米,袋子的形状改变,但它的容量和里面的米粒数在折迭前后都是一样的。

但是我们对恒河猴前额叶皮质区神经元密度的研究却显示,等容积模型是错误的。利用额叶样本得到的估计值,我们认为脑回底部和脑沟底部的神经元密度是相同的,由于脑回底部细胞层较厚,单位面积中脑回底层的细胞数还多于脑沟底层。

我们的发现指出,塑造脑回和脑沟的物理拉力也同时影响了神经细胞的迁移,而人类胚胎发育研究也支持这个观点。神经元迁移到皮质和皮质折迭这两个事件并非先后发生,而在时间上有部份重叠,当皮质折迭时,细胞层的伸展和挤压可能会影响后期新生神经元迁移到皮质的路径,而这些神经元又会影响皮质的组成。

此外,神经元的形状也会因为在皮质的不同位置而有所差异,例如,位于脑回底层的神经元会因侧边挤压而看起来修长;相对的,位于脑沟深层的细胞就会因为伸展而看起来扁平,这些细胞的形状和皮质折迭拉力的影响刚好一致归田园居作者报纸糊墙。而脑回和脑沟神经元形状系统性的差异是否也会影响到它们的功能,是个颇吸引人探究的问题。

我们的计算机仿真程序显示,形状确实会影响细胞的功能,例如脑回细胞层较脑沟厚,刺激脑回底层树突所产生的信号要传回细胞本体时,所行走的路径就会比从脑沟深层树突传回细胞本体时来的长。研究人员可记录位于皮质上高低不同位置的神经元的活性,来检查这些物理因子对神经元功能的影响。据我们所知,目前还没有人进行这类研究。

(摘自台湾《科学人》杂志第85期 作者:希尔格泰戈(Claus C. Hilgetag)、巴巴斯(Helen Barbas) 翻译:涂可欣)

皮质 大脑 皱折

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网友评论:

来自瑞金的网友说:评论时间:2020-11-27

多少情侣只是大吵了一架,等来的不是“我们好好聊一聊吧”却是“我们真的不适合分手吧。”然后就再也回不去了。真的,一个拥抱就能解决的事情请别说分手。回复


来自常德的网友说:评论时间:2020-11-27

世界很大、风景很美、机会很多、人生很短,不要蜷缩在一小块阴影里。回复


来自铁力的网友说:评论时间:2020-11-27

富,不是你身上的钱财,而是你心里的满足;贵,不是你地位的显赫,而是你被人需要的程度。回复


来自景洪的网友说:评论时间:2020-11-27

也许可以说,一个人对孤独的体验与他对爱的体验是成正比的,他的孤独的深度大致决定了他的爱的容量。反过来说也一样,人类思想史和艺术史上的那些伟大的灵魂,其深不可测的孤独岂不正是源自那博大无际的爱,这爱不是有限的人世事物所能满足的?回复


来自黑河的网友说:评论时间:2020-11-27

你别看现在这么多单身狗,很多都在等回不来的人。回复


来自天水的网友说:评论时间:2020-11-26

记住太阳光是健康唯一的来源,比什么药都好。回复


来自洛阳的网友说:评论时间:2020-11-26

我唯愿保持住一份生命的本色,一份能够安静聆听别的生命也使别的生命愿意安静聆听的纯真,此中的快乐远非浮华功名可比。回复


来自双鸭山的网友说:评论时间:2020-11-26

三件让人幸福的事情:有人爱,有事做,有所期待。有人爱,不仅仅是被人爱,而且有主动爱别人爱世界的能力;有事做,让每一天充实,事情没有大小,只有你爱不爱做;有所期待,生活就有希望,人不怕卑微,就怕失去希望,期待明天,期待阳光,人就会从卑微中站起来拥抱蓝天。回复


来自临沧的网友说:评论时间:2020-11-25

幸福,就是找一个温暖的人过一辈子。回复


来自镇江的网友说:评论时间:2020-11-25

一个人的知识,通过学习可以得到;一个人的成长,就必须通过磨练。回复


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