Cell最新:大脑“高效率”竟是精神疾病祸源?-集智俱乐部

参与特殊治疗的癫痫病人往往同时会参与神经科学的研究。 © BSIP/UIG via Getty

导语:

最新研究发现,人类大脑信号的同步能力还不如一只猕猴,但是造就人类“高智商”的是人类大脑相较于猴子大脑的“高效率”。在各自不同的生存道路上,不同物种甚至不同地区人之间的鲁棒性(robustness)效率(efficiency)又有不同。而过高的“效率”又是否成为人类精神疾病的祸源呢?

论文题目:

A tradeoff in the neural code across regions and species

论文地址:

https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0092867418316465

几十年来,神经科学家在人类和其他灵长类动物大脑的“硬件”——解剖结构上发现了诸多不同。随着神经学研究技术的发展,最新的一系列研究课题开始着眼于不同物种间大脑信号的差异,研究人员假设人类与其他物种大脑在信号处理上的差异可能有助于解释人类独特的智力,以及他们对精神疾病的易感性。其研究结果为揭示人类大脑的效率规律提供了一些启示,并于1月17日在Cell上发表。

Cell最新:大脑“高效率”竟是精神疾病祸源?-集智俱乐部

左:来自洛杉矶加利福尼亚大学的神经外科医生Itzhak Fried

右:来自以色列 Rehovot Weizmann 科学研究所的 Rony Paz

实验方法

Paz 研究了猕猴学习过程中神经回路的动力学,而 Fried 对药物治疗无反应的癫痫患者中使用了单神经元追踪技术,从而收集来自人与猴大脑深处单个神经元的活动信号。

Paz 想弄清楚猴子这些区域的神经元与人类的神经元是如何不同的,他的研究主要在大脑的两个不同区域。

一个是杏仁核,这是进化上的原始区域,存在于动物大脑中的时间更长,为基本生存本能的基础,例如遇到危险时,杏仁核就会被激活;另一个是扣带皮质,它是大脑皮层上,在进化角度讲更为年轻的部分,负责处理一些更复杂的认知行为,比如学习。

数据收集

本实验中人类的数据来自 Fried ,他使正在接受神经外科手术的癫痫患者接受一种治疗,即在他们的大脑中植入一系列的细电极来记录电活动,于是在癫痫病人发作的时候,可以确定他们癫痫活动来源的受损脑组织的位置,并通过手术移除这些受损的部分。

而在发病前,患者还需经常参加一些探索大脑功能的简单实验,本次研究中人类部分的信号数据就收集自这些病人发病前的脑活动。

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人类大脑的鲁棒性比猕猴的更弱但效率更高 ©doi: 10.1038/d41586-019-00198-7

大脑鲁棒性:人不如猴?

两个科学家分别从五只猴子和七个人类各自的杏仁核和扣带皮质近750个神经元中收集数据,对比分析了两个特征——鲁棒性robustness效率(efficiency)。他们发现在这两个物种中,杏仁体中的信号比扣带回皮层中的信号更具鲁棒性,但是扣带皮层更有效率。

他们将鲁棒性定义为临近神经元活动的同步程度,因为同步意味着信号被加强;而效率则被定义为神经元能够产生各种组合信号的能力。将人脑与猴脑对比发现,人类两个区域的鲁棒性都不如猴子,却比猴子有更高的效率。

假如大脑信号的鲁棒性越强,信号就越清晰稳定,比如在危险下杏仁核会发出明确的信号“快跑!”但是同理,在越复杂的环境下,简单粗暴的决策则更容易出错,灵长类动物大脑进化出了更加灵活的区域——皮层,也就是从那时起我们学会了“三思而后行”。

研究价值——

对精神治疗的启示

与其他灵长类动物相比,人类做出的决定更加理智。虽说我们的大脑能做更聪明的决策,但也同时更容易出问题。皮质较低的鲁棒性或许能解释精神疾病的原因。这项研究的结果与心理学上认为精神病或抑郁症可能与神经元信号的同步有关的理论不谋而合。

Paz目前研究中的长时间记录或许消除了思维状态的差异。新的研究将从神经元收集数据,让猴子和人类执行类似的任务,追踪特定的思维状态,如焦虑的心情等。

在此之前,大多数神经科学研究都是在动物身上进行的,而这些研究的前提是假设不同物种中神经活动的核心模式都是类似的,所以说这次的研究相当有价值。

更待探索

尽管如此,鲁棒性-效率的比较实验,仍需要更多的研究数据。因为在猴子和人类数据集之间的直接比较具有很大的难度,因为很难知道这两个物种的大脑数据是否是在可比较的精神状态下收集的。

我们目前对大脑的了解仍旧十分有限,数据的获取是另一个挑战,如果外科实验只在癫痫部位放置电极,就很难探索到更有意义的信息,好在大多数患者都愿意利用在医院的时间来了解自己的大脑,本研究给了研究者和病人们乐观的远景,对人脑的了解程度越深,我们所面临的精神治疗的选择就越多。

参考资料

Nature:Pioneering brain study reveals ‘software’ differences between humans and monkeys

地址:

https://www.nature.com/articles/d41586-019-00198-7

作者:洪烯智

审校:陈 曦

编辑:王怡蔺

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原文始发于微信公众号(集智俱乐部):集智