这个量化大脑的第一人发现了些什么?

罗素·波特拉克教授(Russell A. Poldrack)并不完完全全是一个普通人。他同样要每天吃早饭、喝咖啡、上班,看起来跟普通人没什么两样。但是,在很长的一段时间里,他都会花很大功夫仔仔细细地记录他平凡而日复一日的生活。 像很多人一样,他会留心自己每天吃什么,但是他会记录下自己吃的任何东西。像很多人一样,他的情绪也会有高有低,但是他每天都会多次通过回答问卷的形式,严格记录下这些情绪。 还有一点他和大多数人不同,那就是:在过去的一年半里,每周二和周四,他都会接受一次核磁共振扫描。 作为神经科学家的波特拉克教授,既是这项全程量化的「自我实验」(self study)的首席实验人员,也是唯一的实验对象。近日,国际顶尖期刊《自然通讯》(Nature Communications)发表了波特拉克教授教授为这项实验撰写的题为《对同一实验对象长期神经学及生理学表现的研究》的论文。 论文标题中提到的「同一实验对象」,就是波特拉克教授本人。虽然波特拉克教授也许并不能代表最普通的人,但是他希望自己足够普通,因为这样的话,这项主要试图分析他本人大脑活动的研究,也许会有助于引导未来的研究者更好地从事相关研究。

随着人们不断改变,大脑会跟着变化吗?

2015-12-15

基于劳里·弗里克多年睡眠脑电图制作的雕塑/ ©_TEDx_

现供职于斯坦福大学的波特拉克教授,曾任德克萨斯大学影像研究中心主任。当时住校艺术家劳里·弗里克(Laurie Frick) 的作品,是波特拉克教授开始这项研究的灵感之一。劳里·弗里克是一名「数据艺术家」(data artist),她将自己的睡眠和运动记录用激光切割的纸和木头表现出来,呈现出一幅幅多彩的画面。在她名为「瞥见艺术作品里隐藏的语言」(Seeing the hidden language in art)的TED演讲中,她这样解释道:

「我选择直接记录数据。我用Fitbit智能手环记录步数,用Wi-Fi智能体重秤每天记录体重,吐痰在试管中以方便提取DNA片段,用数据收集软件ManicTime记录我的笔记本电脑上的所有行为。同时,我还用手机记录我去的任何地方,用电子邮箱记录我在互联网上的交易情况,记录我吃的任何东西,以及胃的舒适程度。」

「诸如此类,」劳里羞涩地说,把观众都逗乐了,「但我就不一一列举了,免得让你们觉得我过于疯狂了。」 在同一个TED演讲中,弗里克还提到对她作品的研究,甚至帮助一些和她共事的科学家拓宽了研究视野与边界。例如,她提到了一位神经科学家曾非常有针对性地问她:「劳里,你身上真的有那么多数据吗?」 波特拉克教授对待弗里克的艺术作品的态度截然不同。他在和弗里克交流过后,对记录他自己身上的数据更加感兴趣了,而且他的记录方法更为严密、精确。 但要说明的是,波特拉克教授绝不是(或者起码绝不仅仅是)由于自恋才进行这项研究计划。虽然包括弗里克在内的很多人都曾记录过他们的行为、情绪、脉搏和饮食,但还从来没有人记录他们自己或者其他人的脑部的变化。波特拉克教授真正想要记录的,其实是「神经连接组」(connectome)的变化。神经连接组连接着神经元,而神经连接组和神经元的关系,就如同基因组和基因之间的关系一样。连接组决定着生物体的神经结构,类似于所有生物神经系统的「通讯组织」。神经连接组里包含着大量决定我们是谁,我们为什么有这样那样的情绪以及我们为什么如此行动的原因,就像基因组一样。

2015-12-15

神经细胞科学家所研究的神经连接组,是以费大力气精心搭建的、包含了大脑所有神经细胞的3D图谱的形式显示出来的。不出所料的是,世界上唯一拥有完整的神经连接组3D图谱的生物,是一种大脑极其小的秀丽隐杆线虫 可是,在波特拉克教授所擅长的人类神经科学中,神经连接组3D图谱并没有那么精确。「在现有的技术下,我们看不清活体人脑中那些微小的物质,」波特拉克教授解释道。作为替代,人类神经科学家普遍采用核磁共振技术,跟踪人脑各部位的血流量,以判断哪些部位处于活跃状态。「通过核磁共振技术跟踪血流量的过程中」,波特拉克教授说,「神经科学家们得以非常清晰地看到人脑的哪些部位运动是同步的,并且观察到各部位协同运动的模式。」根据这些观察,神经科学家就可以推断人脑的哪些部位是连通的。 虽然很多研究者都曾将神经连接组作为他们研究的对象,在波特拉克教授之前很少有人跟踪观察过神经连接组随时间变化的规律。而要想读懂神经成像数据,就必须首先解决这个问题。正如波特拉克教授研究项目的官方网站所指出的:「人们无时无刻不在变化着。当他们变化的时候,他们的大脑也在变化。」 但是,波特拉克教授告诉我们:「就我所知,除了零星几次核磁共振成像,没有人曾经对任何实验对象进行过更多的研究。」 美国国立卫生研究院赞助成立的神经精神病学及表型组学联盟主席罗伯特·比尔德(Robert Bilder)曾于2013年表示,波特拉克教授的研究将消除人脑研究学界的一个盲点:

「即使在以往神经科学家对同一大脑进行扫描次数最多的研究项目中,扫描间隔也多达数周、数月甚至数年。因此,我们完全不知道人脑日复一日的变化的规律。罗素的研究虽然不能告诉我们这一规律,因为他的研究对象只有一个人脑,但是我相信,他的研究一定会给出我们一个大概的脉络出来。未来我们定会更加清楚地观察到人脑日复一日的变化,得出其变化的规律。」

一台核磁共振仪

一台核磁共振仪

从一开始,波特拉克教授就知道他会独立完成这项实验,因为他深受现代科学悠久的自我实验者的传统影响。以自己为实验对象同样有其优点在:最主要的就是,波特拉克教授可以从自己身上采集到比从任何其他人身上更多的数据。 这么说的原因有很多,比如说:通过以自己为实验对象,波特拉克教授可以绕过伦理审查委员会关于不得采集无关数据的禁令。伦理审查委员会审查、监督并且规范着涉及人的科学实验。通过以自己为实验对象,波特拉克得以采集到一般而言被视为具有「侵犯性」的数据。这些数据大多可用于未来进一步研究,不受一个局限性的假设限制。 「如果我的实验对象太多,那我就必须花心思去解释我所做的事情的原因,」 波特拉克教授解释道,「以自己为实验对象使得我有充分的自由去尝试做我认为将会有用的事情。」 同时,波特拉克教授深知他所希望采集数据的总量将会非常之大,但他应该是地球上最有动力的实验对象了。「我知道我肯定会比任何其他的实验对象更加严谨认真,」波特拉克教授说,「我必须非常努力,采集到我想要采集的数据,这样才能证不负众望。」 他补充说:「事实上,通过这项实验,我认识到,如果实验对象不像我这么投入的话,将会很难进行下去。」 波特拉克教授将他的实验命名为「我的神经连接组」,部分原因是他希望人们不要再称之为「男孩儿」和「女孩儿」。(the 「Russome」 and the 「Poldrome」) [caption id="attachment_8571" align="aligncenter" width="750"]

一幅为方便科学分析而被分成不同「部分」的人脑图示/ ©_Poldrack et. al._

一幅为方便科学分析而被分成不同「部分」的人脑图示/ ©_Poldrack et. al._

波特拉克教授是从2012年秋天开始采集数据的,他采集的数据包括:情绪、机敏度、压力水平、饮食状况、酒精摄入量、睡眠状况、脉搏、牛皮癣病情严重程度、肌肉疼痛程度等等。同时,他也会简要地记录每天发生的事情。 「我之所以选取这些数据,主要是因为我知道如何去记录、采集,或者是因为我凭直觉认为会有用的,」波特拉克教授说,「同时,我也要尽量限制数据的总量,以免过于庞大。可是慢慢地,我还是对这些事情失去了耐心。」 而且,他还会每两周接受两次核磁共振扫描。这个过程也很让他不舒服。虽然每一次扫描都只花10分钟,但单单是机器的噪音就让他够呛。到研究快结束前,他已经共计接受了104次扫描。每周二接受完核磁共振扫描后,他还会接受一次血液检查。检查的其中一个目的,是监测日复一日白细胞里基因表达的情况。「在经济情况允许的范围内,我们做尽了所能做的一切,」 波特拉克说。他们的研究得到了德克萨斯大学非限定用途基金的支持——波特拉克教授未能得到专项研究经费。「有一些数据采集虽然我们可以做,但因为太过昂贵还没有做。」 未能采集到更多的数据,也许竟是件好事。2014年春天,波特拉克教授终于采集完了足够的数据。接下来,他把精力投入到了整理和分析这些数据的工作上。「当我开始这项工作时,我没有想到数据分析会有多难,」波特拉克教授回忆说。

「概念验证」波特拉克神教授经连接组图示/©_Poldrack et. al.

波特拉克神教授经连接组图示/©_Poldrack et. al.

波特拉克教授发表于《自然通讯》的论文详细列出了他通过这些蔚为壮观的数据中得出的观察。其中最主要的发现是,一个人的神经网络似乎真的会随时间推移而改变。 「认知神经科学通常假定,对一个人大脑功能某时某刻的扫描、测量,可以代表这个人的整体情况。但是我们已经证明了大脑功能丰富的瞬时变化……这意味着大脑功能研究的范围应该扩展到个体大脑瞬时变化的研究中来。」 波特拉克教授强调说,他的研究对象只有一个,所以充其量只是「概念验证」(proof-of-concept),是对某些想法的一个不完整的实现。虽然波特拉克对神经连接组的研究中得出的任何相互关联都无法推而广之,但是某些特有的模式也许会在更加有针对性的研究中得到证实。 论文中强调了一个现象:神经连接组的形状和摄入咖啡因和早餐的情况有很大关联。 「最初,我并没有想打算做这方面的实验,」波特拉克教授说,「因为要抽血,我每周二都会禁食。但是因为我很喜欢吃早点、喝咖啡,所以其他时候不会禁食。随着时间推移,我发现这样的习惯对我的心理状况影响很大,而且这件事情研究起来会非常有意思。」

未摄入咖啡因和早点时与摄入咖啡因和早点后波特拉克教授的大脑/©_Poldrack et. al.

未摄入咖啡因和早点时与摄入咖啡因和早点后波特拉克教授的大脑/©_Poldrack et. al.

波特拉克教授的研究团队还发现了在某些大脑部位间的特定联系——尤其是在与运动和视力有关的组织之间。波特拉克教授很震惊地发现:「很有可能当人在疲惫时摄入咖啡因后,大脑的连接性会下降。」找到为什么会出现这样的关联的原因,也许会为未来的研究铺路。 研究团队在将波特拉克的核磁共振数据和血检数据匹配研究时,还得到了一个更加具有突破性的发现:基因表达和大脑功能性连接间有着非常强烈的关系。这个发现太振奋人心了,因为这也许会有助于我们理解神经组织与基因组织之间,以及神经连接组和基因组之间如何互动。他们之间的关联如此强烈、普遍,足以称得上是一个重大的发现了,虽然研究对象尚为有限。 「我认为,任何人在看到我的研究结果后,不会说:『哇哦,原来这个基因和这部分大脑组织之间有关系』,」波特拉克教授说,「相反,我的研究应该提供的是一种『概念验证』,提示着未来更多科学家去研究大脑连接性与基因表达间丰富的关联性。」 波特拉克教授补充说:「在神经科学里,我们没有任何办法去解释这些关联性,但是我相信我的发现中一定有一些不是漏判。」他计划研发一款专门的软件,继续在他所拥有的数据间寻找关联性。

公开的人体神经连接组数据

罗素·波特拉克的另外一面:从外面看

罗素·波特拉克的另外一面:从外面看

在他的研究结束后,波特拉克教授的生活终于可以过得不那么严格了。他已经停止记录每天生活的细节,停止每周二周四的核磁共振扫描。他将同我们的会面访谈的时间定在了周二一节瑜伽课后。 「某些时候,撰写这篇论文非常振奋人心,」波特拉克教授说,「但也有时候,他会觉得非常沮丧。我仍然觉得这篇论文没有达到我的预期。这是我的科学研究生涯里头一次觉得这么沮丧。」 波特拉克教授感到沮丧的部分原因与科学研究并无关系。波特拉克教授最初设想,除了得出一些有科学突破性的发现外,他还可以解除关于他生活习惯的一些困惑——比如,摄入哪种食物后,他的牛皮癣病情会加重。

作为科学史上最具个人色彩的研究之一的唯一研究对象,他有这样的预期非常合理。但是,他并没有那么走运。 「这项研究最有趣的地方就在于,我的生活并没有因为我的研究有任何改变,」 波特拉克教授说。 波特拉克教授失败的原因在于他在采集大量数据前没有设定一个适当的假设,这对于所有试图「量化自我」的人来说都是一个教训。他最初设计这项名为「我的神经连接组」的实验时,目的是采集越多数据越好,以便后期加以研究。虽然他在研究过程中有过一些假设,但他没能有效地把采集而来的数据整理、归纳,以回答他的那些困惑。所以,当他试图用数据去解决这些困惑时,他完全不知从何处下手。 当然还有其他让他感到沮丧的地方。波特拉克教授说虽然他的论文已经发表了,但是还应该对他采集来的数据做更多的分析。他希望自己不是唯一一个在做相关研究的神经科学家。他已经将他手机来的几乎全部数据都公诸于众了——他的每周血检结果、饮食状况、情绪状况以及大脑图示等等。(点击这里,查看详细报告。) 

「我曾与我的同事讨论过是否要把这些数据公诸于众,」波特拉克教授说,「尤其是涉及到基因信息的数据。但在最后,我决定我值得这么做。」 「的确存在风险,也许会有人利用我的基因信息然后合成我的DNA,然后陷害我,」波特拉克教授说,「但另一方面,也有人可以利用我的数据进行研究,并且找到我说,「嗨,我们发现了你的牛皮癣受哪些因素影响了。你需要改变你的饮食习惯了。」此外还会有人受激发开展自己的相关研究:越多人看到我的数据,他们有发现的可能性就越大。像弗里克一样的艺术家甚至还会用我公开的数据制作出一件感人、美妙的作品来呢。 尽管如此,他还是保留了一些数据的——比如他的日记并没有公开。还有一些数据他最初在记录、采集时就认为过于私自了。「我公开的数据以及非常之多了」,波特拉克教授说,「我相信我有权利拒绝回答别人关于我性生活情况的问题。」 关于他所公开的数据,波特拉克教授还指出,作为一个终身教授,他的地位颇为特殊。但他并不担心这些数据中的任何一项,据她了解会影响他工作的安全性以及他的健康保险。 「如果有人敢公开这些信息,那我也敢,」他说:「衷心希望我这样做会有好的结果,我的示范作用,会带动更多人这样做。」 如果其他人愿意像波特拉克教授一样为自己的神经连接组绘制图像,那么波特拉克教授的数据就发挥其作用了。

虽然波特拉克教授的神经连接组随时间推移变化并不明显(他自己也承认自己是一个性格、生活比较稳定的人),但他相信那些经历更为广泛、情绪更为丰富的人的神经连接组随时间推移变化一定相当明显。 同时,波特拉克也早考虑恢复记录、采集数据,以掌握「一些健康问题的答案」。其实,他比较关注的是营养问题。波特拉克说他现在终于知道需要采集哪些数据,以及探究饮食习惯对牛皮癣病情的是否影响以及如何影响的办法了。但是,在经历了那么长时间的自我数据记录、采集,这位「完全量化自身的科学家」说他还是需要鼓足勇气。正如他说的,「我必须想清楚,再决定是否再经历一次『量化自身』。」

编译:冯率。

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