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不可思議的大腦-《知識大圖解》

現代神經科學家正努力解開人體最複雜器官之謎,並試著鉅細靡遺地重建腦部的種種細節。

人類大腦是已知宇宙中最複雜的結構,經歷了數億年演化才建構出現今樣貌,且在過去七百萬年間,增加了三倍大小。大腦的重量只有一公斤多,然而內部卻有860億個神經元以超過100兆條神經相連,形成的網絡比史上最先進的超級電腦還要強大。已知人腦最大的部分是前腦,和其他哺乳動物的腦一樣,前腦由名為大腦皮質的厚厚一層神經元所覆蓋。但是人類大腦的這層神經元已大大擴增,數量是小鼠的1000倍,且還未停止演化。

不可思議的大腦1

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皮質中最小的處理單位稱為新皮質單元(neocortical column),每個單元都包含數千種不同的神經連結。在演化過程中,這些新皮質單元被一次次複製,直到頭骨內的空間用盡。皮質為了在同一個狹小空間中擠進更多處理能力,而發展出深溝和皺褶,如果展開這些皺褶,其面積約可達兩平方公尺。構成大腦的神經元在一個巨大網絡中彼此交錯,每個細胞都有多達1萬個突觸連結,建構成史上最複雜的電路。

2013年,德國德勒斯登(Dresden)再生療法研究中心的一個團隊,藉由研究複製小鼠神經元連結的形成,想了解有多少大腦結構會受到生活經驗影響。由於這些複製小鼠的遺傳因子都相同,因此大腦如有任何差異,都是環境造成的。那些住在大籠子裡、有很多玩具和很多地方可探索的老鼠,腦部在短短幾個月後差異變得很明顯。最活潑、外向、好奇的老鼠比起較為懶散的同伴,有更多的新神經和神經連結。牠們的大腦隨著學習過程而調適改變。

雖然大腦的基本結構相同,但腦中的每個神經元都不同,並會基於經驗建立出自己獨特的路徑。

描繪人類大腦的神經連結是一項正在進行的艱鉅任務。2009年開始的「人類神經連結組計畫」( The Human Connectome Project)與「人類基因組計畫」(Human Genome Project)相似,目的都是為了描繪出人腦中所有神經元間錯綜複雜的連結。電腦設定後可掃描腦部影像,並追蹤神經元的路徑,但即使是最先進的機器也會犯錯,因此所有結果都必須由人力再次仔細檢查。

有些研究團隊正嘗試以一種新方法作為替代方案:利用志願者而非電腦來分析數據。 2011年,網路遊戲《Foldit》的玩家們因為解決了一個存在十數年之久的生物學難題而登上頭條新聞。研究人員在玩家的空間能力幫助下,破解了電腦難以完成的3D蛋白質拼圖。透過簡單的遊戲,數百人一同解開在猿猴體內引起類愛滋病症狀的類人猿逆轉錄病毒的蛋白質結構。這方法目前正擴展到神經科學領域,眾人之力也用於描繪眼睛後方神經元間的連結。追蹤腦內盤根錯結的神經元路徑對電腦來說是項艱鉅的任務,但是人類對找出圖型的模式則擅長多了。

EyeWire是一項描繪人類視網膜中神經連結的計畫。該遊戲給玩家半完成的神經元,請他們循著大腦切片將連結著色。每個立方體區域都由不同的人手動檢查多次,所以如果有人犯錯,將會因社群力量而修正。有經驗的玩家負責監督,如果他們覺得有必要還可進行更改。此方法讓描繪過程加快了數千倍。

儘管EyeWire這類計畫提供了詳盡而準確的人類大腦內部結構資訊,要利用這種方法重建整個腦部結構仍需好幾十年。另一種方法是模擬大腦,運用已知的資訊建構尚未研究的部分。科學家藉著不斷測試大腦模型並與真實數據比對,能檢測模擬結果是否正確。

日本的超級電腦「京」(K Computer)是全世界最快最強大的電腦之一。2014年研究員將京的8萬3000個處理器集合起來,模擬人腦一秒鐘的腦部活動,相當於1%的腦神經活動。這是個偉大的成就,但卻花了這部機器40分鐘才完成,且僅表現人腦能力的一小部分。

其中的問題在於,大多數現代電腦的結構與人腦完全不同。大腦是由能專注進行高度特定性任務的處理核心構成。這些核心不太精確,卻有更多的靈活性與最重要的學習能力。記憶並不是儲存在某個特定的地方,而是分佈於腦中網路。相較之下,現代電腦以程式來決定該怎麼做,並且將元件儲存在分級的記憶體當中。

不可思議的大腦2

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2013年,歐洲委員會贊助「人類大腦計畫」(Human Brain Project)13億美元。這項計畫旨在開發尖端的電腦,幫助人類了解大腦功能,匯集來自不同學科的資訊以提供一張史無前例的人腦活動圖像。「人類大腦計畫」希望利用這些資訊建造一台能夠模擬人類大腦網路結構的超級電腦。該計畫估計,模擬一個神經元的活動就需一台筆記型電腦,所以正與IBM合作,開發功能強大的神經形態超級電腦。

神經形態晶片(neuromorphic chip)是模仿人類大腦結構的電腦晶片。IBM在2014年發表了一款模仿人類大腦的晶片,名為SyNAPSE(突觸)。它擁有由2.56億個「突觸」連起來的100萬個「神經元」。這些神經元被設定為4096個功能互異的「突觸核心」,就像大腦中的處理核心一樣。如同大腦,這些核心依指令運作,並能在其他核心失去功能時補救。

科學家在電腦中輸入模仿生物信號的訊息,讓電腦檢驗電流活動,觀察訊息在何處處理及儲存。此計畫有24個國家、超過100個機構參與合作。

新技術是模擬人腦複雜結構的關鍵,而其他國際力量也適時提供了新技術。2013年,美國總統歐巴馬宣布推動「使用先進革新型神經技術的人腦研究」(Brain Research through Advancing Innovative Neurotechnologies,簡稱BRAIN)。美國國立衛生研究院2014年投入4000萬美元開發新技術,欲找出了解大腦的最佳方式。為了解構大腦並準確將其重建,此計畫將結合矽基技術(silicon-based technique)以及在幹細胞生物學、腦部影像與醫藥開發上的進展。

這種未來技術的實際應用確實驚人,然而目前連結大腦的方式之多,已是前所未有。例如醫療人員在盲人體內植入光敏感視網膜,並從中發送電子信號到視神經,恢復盲人的視力;又或者在重度耳聾患者體內植入聽覺腦幹,直接向大腦傳達聲音信號。

然而,所有科技進展中最令人難以置信的是大腦之門(BrainGate)系統。該系統發表於2006年,目前正在進行臨床試驗。這項技術在大腦運動皮質(motor cortex)植入感應器,接收患者想移動肢體時產生的電子信號。這些信號會由電腦程式進行解碼並傳送到義肢上。透過精心訓練過的程式識別特定信號,患者便能夠單用腦力來活動機械手掌。

聖地牙哥加州大學將電子大腦介面(electrical brain interface)向前更推進一步,研究人員正嘗試利用電力來選擇性刪除記憶。他們已經能夠使用特定頻率的電脈衝在大鼠腦部的神經細胞中造成變化,使大鼠忘記過去的創傷經歷。

隨著我們越來越了解大腦連結,與大腦互動的可能性只會變得更多。神經科學領域正以史無前例的高速向前邁進,而「人類大腦計畫」和「使用先進革新型神經技術的人腦研究」等的大型國際合作計畫,正將大量的研究數據結合在一起,創造出能徹底革新神經科學領域的資源。

人類大腦之謎已經困擾科學家、醫生和哲學家數千年之久,理解大腦如何運作也許是科學史上最具挑戰性的問題。然而,結合強大新科技與國際合作,科學家已開始釐清這龐大數量神經元的複雜性。我們甚至很快就將能從細節開始鉅細靡遺地重建可運作的數位大腦。

 

本文節錄自《How It Works知識大圖解 國際中文版》第08期(2015年5月號)

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