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被切除一块大脑之后,男孩眼中的世界

2019-3-11 22:04| 发布者: 小白兔| 查看: 170| 评论: 0

摘要: 图源:Dr. Greg Dunn利维坦按:尽管人类科学已经发展到了能把我们送上太空的地步,但我们对自己的大脑依旧所知甚少。就目前所言,我们发现大脑并非一个死板的思考器官——在某些特殊情况下,大脑所谓的功能分区并非 ...

纪录片部落-纪录片从业者门户:被切除一块大脑之后,男孩眼中的世界

图源:Dr. Greg Dunn


利维坦按:尽管人类科学已经发展到了能把我们送上太空的地步,但我们对自己的大脑依旧所知甚少。就目前所言,我们发现大脑并非一个死板的思考器官——在某些特殊情况下,大脑所谓的功能分区并非不可改变,而是像一块橡皮泥一样,能够自我调节、变更分区功能以满足需求。


打个比方,当说到椅子时我们的第一反应都会是“一个用来坐的器具”,但在需要椅子承载其他功能——比如说放置一本书、一碗面而非一只屁股的时候,椅子就会“变成桌子”。在本文所介绍的案例中,神秘的大脑功能分区亦是如此。



文/Andrew Zaleski

译/名越进

校对/何里活

原文/onezero.medium.com/the-brain-that-remade-itself-bcc7b3a43cff

本文基于创作共同协议(BY-NC),由名越进在利维坦发布

文章仅为作者观点,未必代表利维坦立场


我把手放在主教的棋子上,斜着走了几格,又放回原处。“我是不是应该换一步棋?”我不禁疑惑着自问。


“如果你拿起了那个棋子,那你就必须走,”我的对手轻轻一笑说道。


好吧。我还是移动了主教。但我已经很清楚地意识到,这盘棋我马上就要输给一位12岁的孩子了。


我的对手名叫坦纳·柯林斯(Tanner Collins),一位在匹兹堡郊区长大的七年级学生。除了下棋,柯林斯还喜欢玩乐高。他做了一个哈利·波特系列中霍格沃兹学校的乐高模型,那一组模型就放在他家餐厅的一个展示柜里。他指着模型,要指给我看一个设计缺陷:城堡模型的后侧并不是闭合的。他说,“如果你把模型转过来,背面完全是敞开的。这看起来很蠢。”


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无论外表还是言行,坦纳·柯林斯都是个随处可见的男孩。图源:Courtesy of Nicole Collins


虽然柯林斯似乎和同龄的孩子没什么不同,但是他有一点还是和全美国几乎所有12岁孩子——甚至是全世界的孩子截然不同:他少了六分之一的大脑


在柯林斯还差3个月满7岁的时候,外科医生为他做了开颅手术,并且切除了他大脑右半球三分之一的组织。在这次手术前的2年中,一个良性肿瘤在他的大脑后半区不断长大,最终达到了一颗高尔夫球的大小。肿瘤造成了一系列严重的癫痫发作,这不仅给他带来了剧烈的偏头疼,还让他因此退学。药物治疗并没能起到什么作用,而且还让柯林斯总是嗜睡。到了他进手术室的阶段,柯林斯当时每天都会癫痫发作,而且严重程度愈演愈烈。柯林斯说,当时他每天都可能崩溃、失禁,有时还会呕吐。


当神经科医师告诉柯林斯的父母,尼克尔(Nicole)和卡尔(Carl),他们可能会切除那孩子大脑中与癫痫有关联的脑区,这对夫妻同意了。“当时无论给孩子换哪种药,他的神经科医生都无法控制那个肿瘤,”尼克尔说,“在那个时刻我们是很绝望的……但考虑到他的生活质量,我们认为这手术的益处超过了其风险。”


外科医生从柯林斯的大脑里切除了全部的右侧枕叶(Occipital Lobe),一半的颞叶(Temporal Lobe)。在处理眼球视神经传来的那些信息时,这些脑叶起到非常关键的作用,就是它们让我们能看到事物。同时,这些区域还有其它的关键作用,比如识别面部特征,识别物品,以及把人或事物的名字一一对上号。在手术前,没有任何方式能预测术后柯林斯还能不能再看到东西,还能不能认识自己的父母,或者还能不能在术后正常地成长发育。


但神奇的事情发生了:尽管失去了超过15%的脑组织,柯林斯似乎并无大碍。


我们所观察到的是,大脑的全部功能从一个半区向另一个半区投射重建(remapping)。”


唯一的坏消息是,他失去了左眼的周边视觉(Peripheral Vision,即通称的“余光”)。这意味着柯林斯永远得不到驾照了,不过日常中他找到了一个解决余光盲区的办法,转动头部一点一点扫视房间,这样就能建立一个全局的视觉图像。在我一个月前第一次造访的时候,柯林斯告诉我,“余光的盲区是并不是模糊的,也不是干脆一片漆黑,应该说,那部分的景象看起来是完全搅浑在一起的。那就像鲍伯·鲁斯(Bob Ross)画出来的画。”


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鲍伯·鲁斯,上世纪80、90年代美国公共广播电视节目《欢乐画室》的主持人,鲁斯去世后,其节目录像在Youtube平台颇具人气。读者为了理解上文中的比喻,可以从图中看到鲁斯最具其特点的技法和风格,其画作中大量出现浪花、倒影、晨雾、光晕等内容。图源:Giphy


今天,在人类大脑变化的相关研究中,柯林斯就像一块关键的拼图,他可以起到至关重要的作用。因为柯林斯的大脑做到了一个堪称奇迹的事情:从严重缺损的大脑右侧半球那里,左侧半球承担了整个大脑的责任与任务。


我们所观察到的是,大脑的全部功能从一个半区向另一个半区投射、重建。”来自卡耐基梅隆大学的认知神经科学家玛琳·贝尔曼(Marlene Behrmann)如是说,她已经连续5年多持续检查柯林斯的大脑了。


而柯林斯正在经历的情况,可以说是神经可塑性(Neuroplasticity)的一个卓越案例:也就是大脑重组的能力,或者说建立新的连接,甚至在受伤后自愈的能力。神经的可塑性可以加强或者重建脑细胞之间的连接——是这些连接帮助我们学会一门外语,或者学会如何骑车。


大脑具备强大的改变自身的能力,这并不是什么新发现,人们真正知之甚少的是,大脑到底是如何做到的?贝尔曼就是在这一点上对柯林斯展开研究的。她的研究要解决两重问题:其一,柯林斯剩余的这部分大脑能在多大程度上替代被移除那部分大脑的功能?其二,以目前的科学水平,是否能精确到细胞层面描述大脑是如何进行这些变化的?


在此之前,神经可塑性研究已经透彻分析了大脑在记忆、运用语言,或者习得其他能力的时候,是如何形成建立新的神经元连接的(时下一些流行的提高短期记忆能力的大脑训练游戏,其实就是以这些研究成果为基础的)。但是与以往研究不同的是,贝尔曼的研究是一项追踪研究,而且这是首次对大脑切除手术之后(或脑损伤后)的大脑视觉变化进行了研究。


她说:“这种脑手术后,视觉系统到底会发生什么改变,对此我们几乎一无所知,我认为目前的情况就像只看到了冰山一角。”


目前为止,贝尔曼的研究已经颠覆了不少医学领域的教条。他们建议那些患有癫痫的儿童进行脑外科手术,而不是像柯林斯一家那样把脑外科手术当作最后的选择。柯林斯接受的这种手术在当时成功率就已经接近70%,然而直到今天这也是一种很罕见的手术,换句话说,很多遭受相似脑瘤病痛的病人,也许正在忍受着不必要的痛苦。而贝尔曼的研究发现将帮助我们进一步了解大脑的恢复能力,也许比人类在此前积累的所有相关知识都要多。


柯林斯第一次因为癫痫发作而崩溃的时候,他当时只有4岁,由一名保姆看护着。随着时间推移,他的症状越来越复杂,也越来越严重。他说:“发病时就好像我的大脑突然冻结了,我变得非常迷惑,而且非常恶心,会呕吐,接着不知为什么,我突然就恢复正常了。”


柯林斯的日常是:上学,癫痫发作,崩溃,最后回家。虽然这的确很痛苦,但是在某种程度上,柯林斯的癫痫是因祸得福:借此医生得以发现柯林斯的脑瘤正在非常缓慢地包裹住他的一部分大脑。


来自匹兹堡儿童医院的医学博士克里斯蒂娜·帕特森(Christina Patterson)是一名儿科癫痫神经科医生,她参与了柯林斯在这家医院接受手术的术前准备医疗小组,她说:“我们发现,在所有儿童肿瘤中,这一类肿瘤是最常见的,肿瘤切除基本上是唯一的治疗手段。”


然而柯林斯患有的这一类肿瘤,还有更深层的危险——比柯林斯所经历的那些恶心、头疼、迷惑更危险——这些肿瘤导致的癫痫有可能破坏大脑中的生物电信号网络。


帕特森医生说:“我们已经知道儿童的大脑具有一定可塑性,因此我们也在一直尝试着在癫痫患者的大脑中设定新的程序,来维持他们的正常生活。但是当癫痫发作的时候,癫痫破坏掉的任何生物电信号网络,其实都是正在重建中而且至关重要的大脑活动。”


在我们的大脑中有1000亿个神经元,这些神经元细胞之间可以建立成千上万种连接,通过把生物电信号转化成化学神经递质,脑细胞之间就可以实现信息交流。当我们习得新的技能时,大脑的神经元细胞建立起新的连接,同时也巩固已有的连接,这些都有助于我们对于信息的习得。


大脑的运作方式并不是让彼此分离的区域各自担负特定任务,相反地,大脑依靠的是多重神经元网络在多个脑区之间架起信息交流的桥梁(贝尔曼说,一个神经元细胞可以与50000个神经元细胞交流信息)。一旦这个信息网络被摧毁,脑细胞将无法有效地进行信息交流。


拿出一幅美国手机信号公司全美LTE信号地图,那些信号在地图上纵横交错的样子,大致就近似脑细胞互相协作的样子。如果沿用这一比喻,柯林斯的医生们要做的事,就好像是在重新架起脑细胞的信号塔。


在切除肿瘤的手术之前,柯林斯的医生们先是在他的大脑表面以及视觉皮层(Visual Cortex)中放置了电极。在接下来的7天中,柯林斯一直躺在医院里,电极则绘制了他大脑活动的生物电信号地图,这张图向医生大致标注了癫痫发病源于哪个区域,哪部分脑区可能需要被切除。


虽然柯林斯在术后仍然认得出自己的父母,但是他无法把父母的名字和他们的脸孔对上号。这个问题在几天后自愈了,这一小插曲还是让尼克尔和卡尔很担心:失去了一部分脑区之后,儿子的大脑还能正常运转吗?


不妨先来想象一下,翻开一本《寻找沃尔多(Where’s Waldo?)》的书,当你的视线专注于那些人潮拥挤的图像,事实上你只从书中得到了两个实际的信号:投射到视网膜上的光线,以及光线所呈现的颜色。“这就是你的眼睛所能捕捉到的全部,”贝尔曼说,“但不知什么原因,几乎是在一瞬间,你就是能解释看到的图像。


介绍柯林斯一家与贝尔曼认识的,正是帕特森医生,而贝尔曼当时正在卡内基梅隆大学的实验室中研究神经可塑性与视觉的关系,而柯林斯正是贝尔曼研究的最完美人选。


儿童的大脑很年轻,而且仍然处在发育期,因此其神经可塑性潜力也很大。因为柯林斯的肿瘤位置正好是大脑中关键的视觉处理位置,因此,贝尔曼可以在长时间内追踪观察他的情况,持续监测他理解图像的能力是否留下了缺陷。在接受手术时柯林斯还很小,他的大脑正处在学习认知面孔能力的关键时期,而这一能力最终会在我们的青少年时期经过一些微调后成型。


多伦多大学精神病学家诺尔曼·道伊奇(Norman Doidge)在其2007年出版的著作《自我改变的大脑(The Brain That Changes Itself)》中写道,大脑发育存在一个关键期,这一学说是神经可塑性研究领域最重要的发现之一,对于这个发现我们还要感谢曾经参与研究的小猫。


根据道伊奇在书中的描述,在上世纪60年代,两位科学家大卫·休伯尔(David Hubel)和托斯坦·威泽尔(Torsten Wiesel)记录并绘制了小猫的视觉皮层电信号地图——其研究方法,就像柯林斯的外科手术团队绘制他的大脑电信号地图时用到的方法——借此了解视觉是如何产生的。


在研究中有一个被公认是非常可怕的实验过程,科学家缝合了一只小猫的眼睑。重新打开眼睑后,他们发现这只眼睛相对应的图像处理脑区并没有发育,因此造成小猫的这一只眼睛失明,然而这只眼睛本身并没有其他生物学上的问题。后续的研究发现,为了让小猫的大脑相应区域正常发育,它们必须在出生后第3至第8周之间看到这个世界。


然而这项研究的另一个发现更重要——休伯尔和威泽尔也因此获得了诺贝尔奖。“那只小猫的视觉脑区虽然被剥夺了外界信息,但这部分脑区并没有因此沉寂,”道伊奇在书中写道,“这部分脑区开始处理来自那只睁着的眼睛的视觉信号,仿佛大脑不想浪费任何一块‘皮质层社区的房产’,并且找到了某种方式重新运作起来。


在柯林斯的案例中,问题变成了他的大脑左半球是否能担负右半球被切除的那三分之一脑区的功能,特别是面部识别能力,这通常是由右半球完成的。


“柯林斯的左脑,无论看起来还是其功能都是左脑应有的样子,不仅如此,通过扫描发现,其左脑与其他孩子的右脑也几乎一样。”


从柯林斯快满7岁时开始,持续了大约3年的时间,贝尔曼大约每半年就要进行一系列测试。在其中一项测试中,柯林斯大约每隔30秒看到一张正脸照片,如果他对这张面孔有印象,他将按照要求按下按钮。另一项相似的测试中,研究人员使用了房子的照片,如果柯林斯发现一张照片重复出现了,他就按照要求按下按钮。这两项实验都是在一台核磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging)仪器中进行的,这样贝尔曼可以监控大脑中不同区域的血流与氧气含量。脑区越活跃,其所处位置的血流就越强。


在上述实验中,贝尔曼还找到了与柯林斯同岁但大脑没有异常的儿童进行比较研究。2018年8月,她将研究成果发表于美国《细胞报告(Cell Reports)》杂志,这些研究成果非常惊人:从神经学角度看,他的大脑功能“完全正常”,在实验中他并没有出现微小的时间差,也没有任何判断偏差。


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上图展示了对照组中儿童的大脑扫描成像图,对照组中的儿童年龄都与坦纳·柯林斯相仿。图片显示的是没有受到脑损伤的正常儿童的大脑在不同年龄段的成长状况。图源:Liu et al., 2018, Cell Reports


在匹兹堡,我和贝尔曼在她家的厨房里一边喝咖啡,她一边给我展示了连续几年来对柯林斯大脑的扫描结果,并说明了实验。“当他8岁的时候,你可以看到他大脑的面部识别能力出现了一点曙光,”她说,“到了10岁的时候,你已经可以看到他的大脑左半球与对比研究组中那些孩子的大脑右半球已经非常相似了。”


柯林斯的左脑,无论看起来还是其功能都是左脑应有的样子,不仅如此,通过扫描发现,其左脑与其他孩子的右脑也几乎一样。由于右脑被切除了三分之一,相应的视觉皮质也被切除——也就是失去了看到物体并能理解它们是什么的能力,以及辨认面孔的能力——而这些能力完全被左脑承担了。不仅如此,让贝尔曼着迷的是,左脑能同时平衡两种能力:识别面孔与识别单词,后者是左脑原本就承担的功能。左脑不仅继续完成原本的职责,还能正常进行来自右脑的新增加的活动,这的确令人惊讶。


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上图展示了坦纳·柯林斯的大脑。图中左侧半脑成功地担负了右侧半脑的责任,并显现了右侧半脑的模样,其特征与同龄儿童的大脑右侧半区几乎相同。唯一的不同之处,就是那些原本是右脑的责任完全转移到柯林斯的左侧半脑了。图源:Liu et al., 2018, Cell Reports


换句话说,贝尔曼的研究证明了柯林斯的大脑完成了自动重组,就像休伯尔和威泽尔发现小猫的大脑也做到了类似的事情。


然而大脑到底是如何完成这一壮举的,这还是一个悬而未解的关键问题。通过一种名为弥散张量成像(Diffusion Tensor Imaging)的技术,扫描大脑时可以看到水分是如何沿着大脑中的白质束运动的,贝尔曼发现,白质束中出现了一些隐约的闪光——那是多个神经区域之间进行交流的生物电信号网络——说明这个神经网络真的发生了变化以往并没有连接的区域之间出现了新的连接,这是一个神经可塑性支撑受损大脑继续运转的例子。可惜科学家仍然不知道到底是什么诱发白质中的细胞完成了这一举动。


“我认为等到坦纳·柯林斯到了20岁的时候,我们会对大脑的重组了解更多,”贝尔曼说,“精确到细胞层面,那些细胞到底是怎样发生改变的,也许这件事人类永远无法探明,我也不知道未来能用什么方法探明此事。”


每隔3到6个月,柯林斯会回到贝尔曼的实验室,接受一系列测试、实验,继续观察是或否存在视觉缺陷。贝尔曼希望追踪研究能带来更多具有决定性的答案,不只是探明他的视觉系统终于恢复工作了,而是搞清楚其恢复过程。她说:“我们还有很长的路要走,不过我认为这些工作非常令人兴奋。”


除了柯林斯,贝尔曼还对另外9名儿童进行着追踪调查——他们都缺失了左脑或右脑的一部分——其中有8名儿童,包括柯林斯在内,其视觉功能表现是正常的。而那2名视觉功能受阻的儿童,相比其他孩子,在动手术之前他们的大脑曾经遭受过更严重的癫痫伤害。


就像柯林斯曾经做过的选择那样,在那样的困境中,必须时刻衡量是否要进行脑组织切除手术。那么作为家长,面对癫痫伤害,孩子到底成长到几岁才应该同意这样的脑组织切除手术呢?要知道,有些时候接受这样的手术会让一个人无法理解并继续使用语言,或者像柯林斯的例子,留下一些视力障碍。


“只有当我们更确定切除大面积脑组织后到底会发生什么,我们才能更有效地劝说遭受病痛的家庭,”医学博士泰勒·阿贝尔(Taylor Abel)如是说,她也是一名儿科神经外科医生,去年夏天她来到匹兹堡儿童医院与贝尔曼展开合作。“最核心的目标应该是尽可能地组织癫痫发生,并且尽可能早地摆脱药物,越早越好。因为孩子越早停药,就能越早回到正常的成长发育轨道上来。”


阿贝尔和贝尔曼指出,甚至有一种可能,柯林斯的大脑在他进行预定的大脑切除术之前就开始重组了。贝尔曼并不能证明此事,因为她对柯林斯进行的所有研究都是在术后开展的。


阿贝尔说:“当你的大脑出现异常并导致癫痫发作的时候,这种异常可以在你接受手术之前就引发大脑重组,或者至少是开始重组。但也有一些情况下,癫痫影响了太多的大脑功能,而大脑无法展开重组。


贝尔曼说,她的研究目标之一是尽可能多地研究这些儿童,并最终确认是否存在一个接受手术并获得最佳恢复的理想年龄。贝尔曼说,如果成年人接受与柯林斯类似的手术,想获得柯林斯这样的恢复效果是不可能的,因为他们不具备儿童的那种神经可塑性。


对于尼克尔和卡尔来说,接受手术绝对是一个正确的决定。“手术之前发生的那些事情,实在是太可怕了,”尼克尔说,“手术之后,所有那些变化都是变得更好了。他的确留下了视觉缺陷,但所有其他的一切都是变得更好了。”


2017年底,在匹兹堡儿童医院进行的一次后续核磁共振检查发现,柯林斯的肿瘤复发了。不过这一次肿瘤只有豌豆大小。过了2个月,在2018年2月份,外科医生再一次对他做了开颅手术。柯林斯说第二次手术的前景并不会让他担心,他只是想让那个豌豆大小的肿瘤从自己脑袋里清理出去,这样就再也不用担心了。(这次手术很顺利,目前他仍然没有被检查出任何肿瘤。)


在我和柯林斯这一局象棋比赛的第24分钟,我把国王移动到棋盘的角落,相当确定自己这一局大势已去。柯林斯看了看自己所有的白色棋子,又看了看自己的国王所在的位置……


“将军,”他一边说,一边抬眼看我。


真没想到,是我被将军了。柯林斯开始分解他的所有招数,复盘自己走的每一步。他似乎忘了我还有个小卒子留在棋盘上。


“我喜欢输棋,”他说,“但很显然我也喜欢赢棋,不过能在输的时候学到一些东西。”


尽管失去了一部分大脑,但是柯林斯仍然在学习中,他的大脑仍然在发育中,并且不断自我适应——即使并不明显,它仍然在发生变化。









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