大脑也有指纹?

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本文来自微信公众号:原理(ID:principia1687),作者:小雨,头图来自:unsplash



17世纪,意大利生物学家马尔切罗·马尔比基(Marcello Malpighi)观察到每个人的指尖上,都存在着独特的脊纹和汗腺。自那之后,指纹就成了一项用于识别个人的技术。直到现在,这项技术仍被大量使用,并且指纹识别的概念已经扩展到其他生物特征领域,比如声音记录和视网膜扫描等。


就在几年前,耶鲁大学的神经科学家发现,每个人的大脑都有各自独特的大脑“指纹”。他们发现能够通过对比受试者的相隔几天的核磁共振成像扫描图像,以接近95%的正确率识别出给定受试者的两次扫描。换句话说,他们可以根据大脑指纹准确地识别一个人。


但是,不同于指纹的是,大脑指纹会随着时间而变化,而对于这种可识别性的时间尺度,在很大程度上仍未被探索。在一项新发表于《科学进展》的研究中,研究人员发现,只需100秒,就能识别出大脑的独特指纹。



现在,从人脑连接组数据中提取“指纹”,已成为神经科学的新前沿。Enrico Amico是洛桑联邦理工学院(EPFL)的一名计算神经科学家,在获悉了耶鲁大学研究人员的发现后,他大受震撼,并决定将这一发现向前推进一步。


在之前的研究中,神经科学家已经实现了通过在相当长一段时间内进行的两次核磁共振扫描来确定大脑指纹。但是Amico想知道,这些指纹是否有可能其实在五秒钟后就出现了?又或者不同大脑区域的指纹出现在不同的时间点?


没有人知道这些问题的答案。所以,Amico团队决定测试不同的时间尺度,看看会发生什么。


在新研究中,他们检查了大脑内部的网络和连接,特别是不同区域之间的连接。他们主要使用核磁共振成像扫描来测量特定时间段内的大脑活动,然后对扫描结果进行处理,生成以彩色矩阵的形式呈现的图表,这些图表总结了受试者的大脑活动。科学家需要的所有信息,都藏在这些图表中,它们通常被称为“功能性大脑连接组”。


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 一个功能性大脑连接组。|图片来源:Enrico Amico


这种类型的建模技术在科学界被称为网络神经科学或大脑连接组学。连接组是神经网络的映射,在本质上,它们只是一系列相关的数值。从这些连接组中,科学家可以知道受试者在进行核磁共振扫描时在做什么,例如他们是否在休息,或是在执行什么其他任务。


在新研究中,连接组数据会根据正在进行的活动,以及大脑的哪个部分正在被使用而改变。Amico说:“我们意识到,展开一个大脑指纹所需的信息可以在很短的时间内获得。”研究结果表明,虽然几秒钟的时长尚不足以探测到有用的数据,但大约1分40秒就足以获取到这些大脑指纹。


此外,他们还发现连接组指纹的不同部分具有不同的时间尺度。最快的大脑指纹开始出现在大脑的感觉区域,尤其是与眼部运动、视觉感知和视觉注意力有关的区域。随着时间的推移,与更复杂的认知功能相关的额叶皮层区域也开始向展示独特的信息。



接下来,研究人员会比较健康人和患有阿尔茨海默病的患者的大脑指纹。根据初步分析,研究人员目前发现大脑指纹的独特特征似乎会随着疾病的发展而稳步消失,根据人们的连接组来识别他们也会变得越来越难。这仿佛意味着,患有阿尔茨海默氏症的人失去了他们的大脑指纹。


可以说,这项研究帮助我们朝着理解人类大脑的独特性又前进了一小步,而且研究人员相信这种进步有望创造出无限的机会。研究人员表示,这项发现的潜在的应用可能包括对大脑指纹消失的神经疾病的早期检测,这或许将可以帮助治疗自闭症患者、中风患者,甚至是有毒瘾的患者。


参考来源:

https://www.eurekalert.org/news-releases/930528

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abj0751


本文来自微信公众号:原理(ID:principia1687),作者:小雨

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