本文來自 Quanta magazine 翻譯 楊艷
附帶的是英文的語音，有興趣的童鞋可以先聽英文，之后再看中文的翻譯稿
生命的最初，大腦究竟是像一塊空白的石板呢，還是在出生之后就與這個世界連接，可以理解這個世界了？一項把嬰兒放進一個核磁共振儀中以顯示類似于成年人的神經(jīng)組織的雄心勃勃的新研究欲探索此奧秘。
Rebecca Saxe的長子，Arthur, 第一次用核磁共振儀掃描他的大腦時，他才1個月大。Saxe是美國麻省理工學(xué)院的一位研究認知功能的科學(xué)家，她把小Arthur頭朝下的抱著，當(dāng)探針在他們周圍旋轉(zhuǎn)掃描時，Saxe撫摸安撫著小Arthur，而Arthur就仿佛不受影響似的，立即睡著了。
所有的父母都好奇他們小寶貝的小腦袋中正在發(fā)生什么事情；但是很少有人能有辦法去探索。但是當(dāng)Saxe懷孕后，她就與多年的同事一起努力設(shè)計了可以記錄小寶寶腦活動圖像的裝置。由于她的預(yù)產(chǎn)期在2013年9月，這激勵她早日把一切都準備好。
在過去的幾十年里，像Saxe一樣的研究者們已經(jīng)利用功能核磁共振成像去研究了成年人和小孩們的腦活動。但是功能核磁共振成像就像19世紀早期的銀版照像，它要求被觀察者一動不動的躺著，以免圖像變得模糊不清。小寶寶們醒著的時候就像一個不停抖動的包裹，想通過說服或者賄賂讓他們一動不動那是不可能做到的事情。因此，少量的關(guān)于小寶寶的功能核磁共振成像的研究，大多是在他們睡著的時候播放聲音給他們聽。
而Saxe想要理解當(dāng)小寶寶們醒著的時候他們是怎么看待這個世界的；她想把記錄下當(dāng)Arthur看視頻時大腦的圖片，這種研究當(dāng)研究對象是成人時很容易完成。這是一種進一步探索一個更大的問題的研究方法：小寶寶的大腦是像迷你版的成人大腦一樣工作呢，還是完全與成人大腦的工作方式不同？Saxe說：“我很好奇大腦時如何發(fā)育的而且我孕育著一個正在發(fā)育的大腦，這兩件目前我生命中最重要的事情現(xiàn)在集中的融合到了一臺核磁共振儀中?！?/span>
Saxe和 Arthur 在這臺機器中度過了產(chǎn)假。Saxe說：“有些時候，他不愿意和這臺儀器待在一起，或者他睡著了，或者他很緊張，或者他拉粑粑了，要得到關(guān)于嬰兒大腦的好數(shù)據(jù)是一個非常偶然的事件?！痹谶@些環(huán)節(jié)中，Saxe和她的同事們關(guān)注著他們的數(shù)據(jù)，調(diào)整著他們的實驗，尋找更好的觀察 Arthur 大腦活動的部分。當(dāng)他們得到第一批有效的數(shù)據(jù)時 Arthur 已經(jīng)4個月大了。Saxe說：“我當(dāng)時太激動了?！?/span>
今天一篇發(fā)表在Nature Communications上的論文是這兩年多關(guān)于圖像記錄Arthur以及另外8個小寶寶們大腦活動工作的高潮。在論文中寫道，Saxe的團隊發(fā)現(xiàn)了嬰兒和成人的大腦在對視覺信息作出反應(yīng)是大腦活動呈現(xiàn)出一些驚人的相似，當(dāng)然這其中也有一些有趣的差異。Saxe希望這項初步的研究將會為理解早期大腦形成過程的作出努力。
從出生就構(gòu)建好了？
功能核磁共振成像可能是如今科學(xué)家擁有的除開顱外研究腦活動最有效的工具。它依賴于活躍的腦區(qū)域中血流的變化情況，這產(chǎn)生了一個核磁共振成像儀可檢測的信號。這項技術(shù)引來了一些爭議，因為它是間接的測量腦活動而且它提供的簡單的圖像是依賴于后期的統(tǒng)計學(xué)處理。盡管如此，功能核磁共振成像也開啟了Saxe這些科學(xué)家所稱的“人類大腦的移動地圖”的這種全新的研究途徑。它揭示了當(dāng)一個人在做事情或者在感知，思考時大腦活躍的不同部分的細節(jié)。
大腦皮層的某些區(qū)域似乎也是功能特異的。Nancy Kanwisher,是麻省理工學(xué)院的神經(jīng)科學(xué)家，Saxe的前導(dǎo)師，她因發(fā)現(xiàn)了梭狀回面孔區(qū)而成名。梭狀回面孔區(qū)不止響應(yīng)其他視覺圖像的輸入，而且也響應(yīng)面部圖像。她的實驗室也帶領(lǐng)了旁海馬區(qū)域的發(fā)現(xiàn)，這個區(qū)域傾向于響應(yīng)描繪地理位置的場景。當(dāng)她還是Kanwisher實驗室的一名研究生時，Saxe發(fā)現(xiàn)了大腦中一片與思維理論也就是主管思考關(guān)于其他人正在想什么時候相關(guān)的區(qū)域。在那之后，還有一些實驗室已經(jīng)確認了大腦中參與社交判斷和做決策的區(qū)域。
說話速度飛快以及知識淵博的Saxe對關(guān)于大腦的哲學(xué)的和深度的探索基礎(chǔ)類的問題十分感興趣。對她來說，接下來擺在眼前的問題就是：大腦的組織是怎么產(chǎn)生的？她說：'從成人的大腦中看到大腦擁有的這些非常豐富和抽象的功能--道德，思維-你只是提出了這個問題，但是這個問題是如何產(chǎn)生的呢？”
Saxe說：“我們的大腦是否已經(jīng)進化出了某些與我們的生存的關(guān)系重大的一些特殊區(qū)域？又或者，還是我們生下來就伴隨了一個令人咋舌的多功能學(xué)習(xí)的機制，利用這個機制可以學(xué)到存活在這個世界當(dāng)中你需要的任何東西？當(dāng)我們來到這個世界時，我們的大腦是像一張白紙一樣，據(jù)我們遇到的事情來演化特定的功能呢？比如像我們出生幾個月后，發(fā)現(xiàn)身邊圍繞了如此多的人，因此，我們的大腦才特異的發(fā)育出了一定的區(qū)域來實現(xiàn)此功能？如果是這樣的話，那么每個人類大腦的基本結(jié)構(gòu)都是相似的，因為這個世界對于每個人來說都是差不多的，還是從出生的時候大腦的基礎(chǔ)機構(gòu)已經(jīng)構(gòu)建好了。
A Place for Faces
Riley LeBlanc 吐出奶嘴，然后開始哭泣。她是一個5個月大的，有著一頭像拖把一樣卷曲的棕色頭發(fā)的小寶寶。襁褓中的她此刻哭泣僅僅因為Heather Kosakowski，Saxe的實驗室經(jīng)理站在笨重的核磁共振儀旁邊，抱著她上下活動。Heather Kosakowski就住在在麻省理工學(xué)院腦與認知科學(xué)大樓底樓。Lori Fauci是小Riley 的媽媽，此時正坐在掃描床上，從她的口袋又拿了一個奶嘴給Riley 。這里所做的一切事情都為安撫小Riley 。你看，這個房間是微微透著亮光，揚聲器中播放著叮鈴的玩具鋼琴演奏的流行歌曲作為搖籃曲。掃描床上放著一個特別設(shè)計的高頻線圈--其實就是斜躺的椅子和嬰兒大小的頭盔--來作為掃描時的無線電信號接收天線。核磁共振儀編程特定的程序用來產(chǎn)生的噪音比平時少的噪音，以避免傷害嬰兒敏銳的聽覺。
開始是想讓Riley乖乖躺在高頻線圈里可不容易。她的媽媽得把Riley放在她的胃的那個部位，且得臉和手挨著Riley，這樣才能安撫這個小寶寶。Kosakowski使媽媽和小寶寶一起滑進掃描儀中然后在移動到檢查室。 而這時，實驗室的另一名成員Lyneé Herrera則繼續(xù)待在核磁共振儀房間里，通過手勢告訴Kosakowski是否Riley的眼睛睜開了，并且正在看她頭頂?shù)溺R子，這鏡子可以反射出投影在機器背面的圖像。
團隊的目標是收集每個小寶寶盡量保持不動的觀看視頻的大約10分鐘的數(shù)據(jù)。為了實現(xiàn)這個目標，研究者們經(jīng)常需要平均來自多次多達兩個小時的視頻的數(shù)據(jù)。Kosakowski說 ：“小寶寶參與的次數(shù)越多，我們就越有可能收集到完整的10分鐘的數(shù)據(jù)?！边@是Riley第8次來啦。
當(dāng)Herrera提示 Riley已經(jīng)不再小睡時，Kosakowski啟動掃描儀，記錄了一系列視頻剪輯的提示，因為寶寶們更喜歡看動態(tài)的圖片而不是靜止的。過了一會兒，埃雷拉合起了她的手，這是小寶寶睡著的信號。'有時候我覺得，寶寶們可能在這里打的盹兒最香甜。'Kosakowski笑著說。
研究嬰兒這件事情總是需要新穎的技術(shù)。Charles Nelson，一名研究兒童發(fā)育的哈佛醫(yī)學(xué)院和波士頓兒童醫(yī)院的認知神經(jīng)科學(xué)家，說道：“這可是一個有趣的問題，因為你面對的是一個不會說話的，表達能力以及注意力有限的個體，你想試圖弄明白他們的腦袋里正在發(fā)生什么事情。”類似的技術(shù)通常用于研究寶寶和非人類的靈長類動物，以及那些喪失說話能力的殘疾兒童。Nelson說：“我們有一套神秘的測量方法能夠讓我們?nèi)ジQ探那些猴子，小寶寶，以及有障礙的孩子們?！?/span>
最簡單的方法就是觀察他們的行為和通過觀察他們或者使用眼部追蹤技術(shù)，看他們正在看哪里。另一種方法就是測量他們的腦活動。比如說，腦電圖(EEG)只需把一個可愛的連有電極和電線的小圓帽戴到嬰兒的頭部就可以檢測腦電波波動。一項近紅外光譜(NIRS)的新技術(shù)，可以發(fā)出的光線透過嬰兒又薄又軟的頭骨以檢測腦部血流的變化。
這兩種方法都實時監(jiān)控這腦部的活動，但是NIRS只能檢測到腦部的最外層，EEG也不能準確的顯示到底是腦部的那塊區(qū)域正處于活躍狀態(tài)。Ben Deen，自然通訊研究的第一作者，現(xiàn)如今是洛克菲勒大學(xué)的一名研究員，他說：“為了詳細的研究空間構(gòu)成和了解大腦更深的區(qū)域，你不得不選擇fMRI。”
使用其他的方法，研究者們發(fā)現(xiàn)了關(guān)于寶寶們對不同類別的視覺輸入，尤其是人臉的反應(yīng)不同的線索。 來自倫敦大學(xué)神經(jīng)發(fā)育學(xué)院的Michelle de Haan說：“臉部是環(huán)境中非常重要的一部分。”在生命的最初幾周，嬰兒的眼睛最高程度的聚焦半徑相當(dāng)于正在哺育他的母親的臉離他的距離。有些研究者相信寶寶們的大腦深處或許有一種天然的機制來指導(dǎo)他們看臉部。
已經(jīng)有證據(jù)表明嬰兒們會花費更多的時間來盯著臉看。一個小寶寶對臉部的反應(yīng)隨著時間和經(jīng)驗的增長也會變得專一。比如說，成年人很難辨別兩張顛倒的臉，而不到4個月大的寶寶們卻沒有這類偏向--他們區(qū)分兩張顛倒的臉就像區(qū)分兩張正常放置的臉一樣容易。但是，4個月后，寶寶們就會偏向于看正常放置的臉。大約到6個月大時，嬰兒們看到不同的臉的腦電圖活性特征就和成人的很相像啦。
但是盡管這項研究表明寶寶們的腦部可能在某些類別，像臉部的識別，有特異化。Deen說：“這些信號是從哪里產(chǎn)生的這些細節(jié)我們知道的很少?！?/span>
由目前的資料來看，Saxe和她的同事們獲得了掃描的17個寶寶中9個寶寶的數(shù)據(jù)了。雖然實驗室正越來越多地依靠招募實驗室成員以外的家庭來加入研究隊伍，然而幫助他們研究的有一連串的'實驗室嬰兒'，包括Arthur；Saxe的第二個兒子，Percy；她姐姐的兒子，一個博士后的兒子。他們展現(xiàn)了在各種情況時的嬰兒，觀察好多張臉的視頻時，自然景色時，人體和物體--玩具時以及互相爭奪的場景時，在互相爭奪的場景這種情況下，圖像的某些部分是混亂的。Saxe 說，他們集中與研究臉部與其他場景的對比，因為這兩種刺激在成年人的大腦中產(chǎn)生了非常大的差異，激活了大腦中非常不同的區(qū)域。
令人驚訝的是，Saxe說：“他們在嬰兒的腦中找到了類似的模式。我們知道的成人偏好識別臉或者場景的每個區(qū)域都在4-6個月大的嬰兒中找到了相同的區(qū)域。”這表明了大腦皮層已經(jīng)開始準備在功能方面開始偏好發(fā)育，而不是完全無差別的。
小孩子們是生來就有這種能力嗎？Deen說，嚴格的來講我們不能說什么事情是天生的，我們可以說它是很早就開始發(fā)育了。同時Saxe指出了那些超出了視覺大腦皮層（這是大腦直接負責(zé)視覺輸入的區(qū)域）的反應(yīng)。研究者們也發(fā)現(xiàn)了額葉皮層的差異，這個區(qū)域參與了情感，價值和自我表現(xiàn)這些功能。觀察嬰兒的額葉皮層參與的活動這件事真的非常令人激動，她說。這被認為是完全發(fā)育的最后一片區(qū)域之一。
然而，當(dāng) Saxe的團隊發(fā)現(xiàn)嬰兒和成人腦部活躍的區(qū)域是相同的，他們并沒有找到證據(jù)表明嬰兒有為比如說臉部或者場景的輸入等實現(xiàn)特定功能的區(qū)域。并沒有參與這項研究的Nelson說這表明嬰兒的大腦是多功能的，這指出了嬰兒和成人大腦基本的差異。
靈活的大腦
嬰兒的大腦可以像成人的那樣執(zhí)行功能這一點讓我們非常驚訝因為考慮到嬰兒與成人的大腦看起來是如此的不同。在MIT的核磁共振儀房間外的電腦屏幕上，我可以看到Riley大腦的解剖學(xué)的圖片，這圖片是趁她睡覺的時候拍的。相比于成人大腦的核磁共振掃描圖像，其中的不同時顯而易見的，Riley的大腦圖片看起來毛骨悚然的黑。
Kosakowski 說：“這看起來真是一張糟糕的圖片，不是么？”她解釋到這個階段的嬰兒叫做髓磷脂的周圍神經(jīng)的脂肪絕緣體還沒有完全發(fā)育，只能模糊的看見。
這個大小，嬰兒的腦部正在變大--在生下來的第一年里大腦中央皮層要膨脹88%。它的細胞也在識別它們自身并快速的在彼此間建立聯(lián)系，在孩提及青少年時期，許多神經(jīng)細胞將會被篩選。這個階段，大腦驚人的靈活：當(dāng)嬰兒中風(fēng)或癲癇發(fā)作，即使需要進行切除整個半球的大腦手術(shù)，他們也會恢復(fù)得非常好。但是這種靈活性也是有限制的；這個時期如果孩子經(jīng)歷了貧困或者虐待，他們將會遭遇終生的學(xué)習(xí)障礙。
研究人類的大腦如何能健康發(fā)育可以幫助科學(xué)家理解健康發(fā)育的這個過程為什么有時候會扭曲。目前已知的，舉個例子，許多有自閉癥的孩子和成人會有社交認知的障礙，比如識別臉。這些差異是在大腦發(fā)育的早期階段就已經(jīng)呈現(xiàn)出來了呢還是時由兒童缺乏集中注意力識別臉或者社交暗示這些經(jīng)歷導(dǎo)致的？
我們只是剛剛開始理解嬰兒的大腦是如何形成的；這將需要花費大量的時間來收集大量嬰兒的數(shù)據(jù)才能對他們的大腦的運行有整體的理解。 但Saxe 和她的同時已經(jīng)展示了這樣的研究是可以做的，這開啟了探索的新領(lǐng)域。Saxe說：“從醒著的寶寶身上得到一個好的功能核磁共振儀數(shù)據(jù)是有可能的--如果你非常的耐心的話，現(xiàn)在，然我們一起來弄清楚我們可以從中學(xué)到什么吧?！?/span>
原文鏈接：
https://www.quantamagazine.org/20170110-infant-brains-reveal-how-the-mind-gets-built/
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