数字大脑图书馆:最宏伟的开源人脑研究项目

标签:开源人脑研究

访客:20699  发表于:2015-03-26 08:22:22

【导读】作为普通人的我们,无法接触到隐匿在实验室里的大脑标本,又该如何去满足自身的好奇心呢?为此,神经解剖学专家Jacopo Annese提出了一种虚拟化大脑的计划——Digital Brain Library。

数字大脑图书馆:最宏伟的开源人脑研究项目

大脑一直以来都是神经科学领域最热门的学科,以前我们好奇大脑的结构,现在我们好奇大脑的工作原理。但作为普通人的我们,无法接触到隐匿在实验室里的大脑标本,又该如何去满足自身的好奇心呢?为此,神经解剖学专家Jacopo Annese提出了一种虚拟化大脑的计划——Digital Brain Library。

当我走进Brain Observatory时,我所看见的与我对大脑仓库所设想的情景完全不一样。当然,大脑仓库里肯定会有一个别致的室内空间以及一个装载了塑料包层大脑的冰箱。但是这个大脑仓库里满是艺术的气息,时尚的沙发等等,给人的第一感觉更像是一家夜总会而不是我们平常所见的无菌实验室的样子。

确实,这里并不是传统意义上的大脑仓库。和传统意义上的大脑仓库里布满标本和巨大冰柜的景象不一样的是,这个大脑仓库将大脑虚拟化存储在网络空间里,这一切都是神经解剖学专家Jacopo Annese博士的主意。他把这一切称之为Digital Brain Library(数字大脑图书馆),这也标志着我们在存储和分析从大脑中获得的消息方面有了一个重大的转变。

300多年前,解剖学家就已经开始收集和保存人体软组织了。这种行为起源于我们渴望了解我们的身体运作机制,而现在也存在一种更低级的动力——在黑市上售卖器官。

由于大脑的果冻质感,科学家们一直很难处理大脑标本。但是经过大量的试验和失败,科学家们终于找到了很好的保存大脑的方法,以便对其进行检查、解剖和研究。

现今,大多数大脑仓库所扮演的是储存者和分配者的角色。一旦大脑被保存为标本后,各个部分会被分配给相应的研究者,这些研究者通常对某个区域或者某种疾病进行特异性调查。而剩余的部分则会一直被放置在冰箱里冷藏直至有需求出现。这是一个实用的系统,但却没有考虑到整体的连接性问题,即大脑里各个区域是如何作为一个整体协作分工的,这个问题到目前为止都没有得到很好的解决。

连接性是神经解剖学研究的圣殿,它也是数字大脑图书馆的建立指导原则。和传统的分块方法不同的是,Brain Observatory旨在让所有对大脑感兴趣的人可以了解整个大脑。

总而言之,这个计划可以被称之为神经科学领域的谷歌地球项目。

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什么是大脑图书馆?

Annese和我们平常所见的科学家不太一样,他身着紫色的衬衫和洁净的深灰色西装,这样的打扮让人感觉就像在夜总会或者在家里一样悠闲,完全没有沉闷的感觉。由于来的有点迟,Annese迈着大步快速走来,在刚接触的这段时间里,他的健谈和意大利口音让我印象深刻。

Annese的实验室位于加利福尼亚大学圣迭戈校区里一个低矮的很不起眼的建筑里,但是目前他正在着手把Brain Observatory搬到大脑和社会研究所(猎云网编辑君注:Annese于2013年建立了该非盈利组织)里。

一番介绍后,我们开始坐下来在电脑上摸索数字大脑图书馆。无需太多时间,像我这样的外行人都被其优势所吸引了。

几十年来,核磁共振成像帮助我们观察我们自己的身体,而如今,这项技术仍然是我们观察了解大脑的最佳方式。但是在经历了一番阵痛之后,我们逐渐实现了数字化,例如我们所讨论的Brain Observatory。它所提供的大脑成像带来了前所未有的视觉效果,你甚至可以观察到细胞核和轴突。

Annese一边指着核磁共振成像上的点一边说道:“在观察MRI图像时,有时候,我们完全不知道这个像素点上是什么。而当我们放大图像时,却只能看到一片模糊。”

他继续说道:“但是当你真的能看清这些像素时,你就能够找到你想要的东西了。”他一边说着一边给我们展示了已经被图书馆数字化的大脑切片。整张切片呈现漂亮的蓝色花边,里面的神经纤维虽然只有2-3微米宽,但是看起来却很清楚。要知道这是很了不起的,因为人的头发宽度大约在75微米,而单个红细胞一般只有5微米宽。

Brain Observatory前程序员Hauke Bartsch解释道:“这就是我们谈论到大脑结构时所对应的分辨率水平,就好比物理学家谈论单原子一样。我们所能看到结构是很清晰的,而这在核磁共振成像时是无法做到的。”

这种高分辨率的图像技术已经引起了科学医学界的注意,这种技术可以用于针对大脑的治疗和预防等方面的研究。但是这并不意味着普通人就无法访问这个图书馆,对于Brain Observatory来说,公共访问才是其建立的基础和本意。

这种广泛的访问带来的一个好处就是可以提高项目的知名度,毕竟大脑研究再酷炫再科学,没有大众的支持也是无法继续下去的。同时,允许大众探索图书馆也增加了发现更多秘密的可能性。就以谷歌地球为例吧,一些业余爱好者利用这个项目来定位考古遗址,发现了北朝鲜的秘密,甚至还可以跟踪流星的轨迹。公民科学项目也允许业余爱好者可以发现那些被专业人士忽略的东西,比如被称为“绿豌豆”的整个星系。众多好奇的眼睛盯着一个足够大的数据,你永远不知道会发现什么新奇的东西。

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建立大脑的图书馆

为了能够得到整体研究,每一个大脑都必须保存完好。当捐赠者死亡后,一旦家属同意,就开始进行详细的核磁共振成像扫描。然后,大脑会被小心的从头上移除,这个过程被称为开窗。

最初的时候,大脑就像温黄油一样柔软,必须要将它浸泡在甲醛里,然后放置在实验室的冰箱里几个月,直到组织变硬。之后,再把大脑浸泡在蔗糖溶液里,这一次的浸泡会让糖分子取代水分子,这可以在冰冻切片时更好的保护脑组织。

真正困难的是切片过程。就单一大脑的切片过程就需要耗时好几天,总共会产生2000多片70微米厚的组织切片。虽然锋利的刀片会自动切割大脑,但是每切割600片就需要有人去更换并妥善保存好这些无价的切片。在一个视频里,你可以看到Annese非常巧妙的利用画笔刷刷过了H.M.大脑的每一部分,总共2401片。为了方便公众访问,整个长达53小时的切片过程都实况在线播出。

在切片过程中,实验室助理Colleen Shehe说:“在整个过程中,每个环节都悔出错。因为这实际上是手动操作的,每一次切片都是人为操控的。所以想要坐在实验室里进行切片大脑之前,必须要接受大量的训练。”而且在进行切片操作时会存在很大的压力,因为这不仅仅意味着让大脑捐赠者的行为真正有意义,也让项目的投资有所回报。

一旦切片装好后,会进行染色以便凸显大脑结构的细节(就我观察而言,轴突一般不会是蓝色的)。然后就是对切片进行数字化处理。一个接一个,每个切片都会以0.37微米像素(此分辨率比人类的头发还要小150倍)进行拍照。为了能足够精细且清晰的保存细节,每个切片图像都是由很多照片拼接而成。而要完成大脑最大部分的拍照和数字化过程需要超过24小时。

“数字大脑”标本收集

正如上面所提到的,能够被数字大脑图书馆收藏的都是一些在心理学上最著名的大脑。

Henry Molaison(猎云网编辑君注:即“H.M.”,在很多科学文献里都能看到这个名字)就是其中之一,轻微且频繁的癫痫一直伴随着他的生活。1953年,在一次实验手术过程中一名外科医生从H.M.大脑的每一侧都切除了部分颞叶,从而缓解了他的症状。但是这次手术也导致他几乎无法形成新的记忆。科学家对H.M.失忆症的研究一直持续了他的一生,在这一研究的基础上形成了我们今天所知道的关于记忆的理论。

2008年H.M.去世,Annese和他的同事们把这一宝贵的大脑进行数字化并上传至图书馆和网络上。现在,你可以上网请求访问此数字资源。到目前为止,包括数百名研究人员、学生、艺术家和很多好奇的人,只要有一个合理的访问理由,就可以通过浏览照片、数字切片、MRI图像、三维重建甚至个人资料以及家庭照片来研究H.M.的大脑。

但是光只有这一个特殊的大脑是远远不够的。为了能够填充在大脑生物学、大脑可塑性、大脑病理学等领域的研究资料,Annese需要很多大脑,至少需要1000个。他需要来自医生、音乐家的大脑,需要老年和青年的大脑,需要健康和患过疾病的大脑。到目前为止,该项目接到捐赠或承诺捐赠的大脑已经超过360个。

Annese说:“基本上,我们不得不去研究大量的大脑才能看到每个大脑的独特之处。”

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大脑图书馆的意义

当拥有足够的大脑资源之后,这些图书馆图像将可以成为医生和研究人员窥探病人大脑的虚拟代替物。很明显,医生无法把大脑从病人的头脑中取出来,相反,他们可以基于症状、病理学或者其他标准(比如像MRI这样的低分辨率成像信息)在图书馆里找到与病人相匹配的大脑进行研究分析。通过观察研究匹配大脑的高分辨率图像,医生或许可以找出病人大脑的病因,而如果他们无法访问图书馆,那么这些都是不可能实现的。

这种方法让研究的可能性大大延伸。我遇到过一个本科生,非常耐心的花费数个小时在H.M.大脑切片中精准确定了单核。虽然耗时长,但是图书馆的开放访问模式让这个学生不再那么痛苦。由于众包,世界各地的人们都可以帮助解决不同脑区的神经元计数工作。最终,这些数据将会帮助科学家们了解神经元的数目和密度是如何影响大脑功能的。

当然,还有一个问题一直困扰着科学家们:大脑到底是如何工作的。

长久以来,神经学家们的首要任务是分离和鉴定大脑中的不同结构。但是现在,我们不再局限于这个问题了。Annese说:“我们不再关注于常见的分类问题了,现在研究者们正在尝试去了解大脑是如何产生行为的。而这个图书馆就是研究此类问题的大型项目之一,它不仅非常强调连接性,也是人类在这个研究方向上迈出的一大步。”

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“人性化的神经科学”

但是图书馆所要力图说明的不仅仅只是复杂的结构性的大脑,还有关于每个大脑主人生平的详细信息。

捐赠者所提供给Annese计划的不仅仅是他们的大脑,也有他们的“传记”。在同意死后把大脑捐献给计划之后,他们会参与一系列的详细访谈,访谈内容包括他们的成长历史、病史、生活方式以及个性等等。

这样做的主要原因是为了保证科学的有效性,这些访谈文件里的细小差别在将来的某一天都有可能会帮助人类更好的了解神经系统疾病。信息越多,就意味着科学家会更有可能找出某些人的老年痴呆症的发展速度快于常人的原因,或者是ALS(猎云网编辑君注:肌萎缩性脊髓侧索硬化症)表现方式存在差别的原因。随着越来越多的大脑可以在线访问,医生可以更好的找出匹配病人的大脑从而进行观察研究。

但是这个项目里的个人元素很多,对此,Annese解释道:“由于公众的参与,我们希望这个网站不仅仅只是一些数据呈现,而是能有一些人性化。”总而言之,了解这些疾病背后的人可以让我们更好的了解疾病。

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由于这个项目是面向公众的,所以项目的捐赠者们已经同意放弃他们的匿名权。Annese会时不时的去了解这些“大使”,去了解他们的爱好、喜好或者特质。其中一个捐赠者非常喜欢小猫,一个捐赠者则非常受女性欢迎,而另一个男性捐助者已经97岁了。一位名叫Norman的ALS患者(他于2013年去世)经常出现在Annese的故事里。Annese笑着说道:“他来到实验室,想要一张他站在这些大脑图像前的照片,他想要把这张照片放在他的Facebook主页上,给他的新朋友们看看。”

虽然我平时性格冷峻,但是我不得不承认,当我翻看这些捐赠者的童年照片、看他们的访谈时,我会有很大的触动。而悬挂在Brain Observatory墙壁上的艺术品就是由承诺捐献大脑的画家和雕塑家们创作的。

Annese说:“这就是我所说的人性化的神经科学,我们所要记住的是这些捐赠者,而不是他们的大脑。”

当被问及过多了解这些人会不会影响他的客观性时,Annese指着Norman大脑的图片说:“不会,这个就是客观性的体现。”

大脑仓库的未来

除了大脑,Annese最喜欢的就是烹饪了,不难想象他在厨房里烹饪大餐的景象。他也是一个狂热的家伙,他的热情会让你措手不及,比如说,他会在解释MRI技术的时候停下来去探讨大脑的魅力。

对于项目,对于大脑,对于周遭的世界来说,Annese的激情所带动的不仅仅只是虚拟图书馆,还有宏大的远景。他想要最终创造一个可以结合神经科学的客观性和人为因素的力量的地方,来帮助人们了解和欣赏他们的大脑。为此,Annese已经能够建立了一个独立的非营利性组织——大脑和社会研究所。

我在效果图上看到的这个项目的新建筑是一个巨大的拥有玻璃外墙的滨水建筑,就像悉尼歌剧院一样。它的内部一部分是博物馆,一部分是公共图书馆、一部分是实验室。建筑建好后,访问者可以利用慵懒的下午时光在图书馆里阅览关于神经系统疾病的书籍,也可以观看大脑研究院在实验室里工作,也可以观看Charles(之前所提及的ALS患者,女性之友)的视频访谈。Annese说道:“我的想法是,大家也可以浏览Charles的大脑,不论数字化模式还是3D增塑模式。”

但是这个计划却还未在规划中。目前,由于监督职责从UCSD转移到了Annese的非营利性机构上,该项目遭遇到了不可避免的发展期问题。在UCSD,Brain Observatory的工作是由公共和私人机构共同资助的,包括美国国立卫生研究所和Dana基金会。这些资金主要支持短期的研究,所以它无法承受由于切片、数字化和公众宣传所带来的高昂价格成本。由于资金紧张,实验室现在只能一次关注一个案例。

当然,这种情况也并非只有这个项目遇到。从SETI到太阳能,很多大型研究项目都由于资金缺乏,走到了快要停止的地步。虽然有新的非营利性组织的保护,Annese还是需要筹集资金来为他的项目增加发展的可能性。

所以到目前为止,那些已经捐赠的大脑都在冷藏休眠中,耐心的等待分享故事的时刻。

(via 猎云网 编译:福尔摩望)

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