我們的大腦也有一個(gè)“指紋”

2021-11-29 15:53

一位洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院的科學(xué)家確定了構(gòu)成我們大腦指紋的大腦活動(dòng)跡象,這與我們的常規(guī)指紋一樣是獨(dú)一無(wú)二的。

洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院官網(wǎng)10月18日消息

“我每天都在想它,晚上做夢(mèng)也夢(mèng)到它。我這樣的生活已經(jīng)有5年了,”Enrico Amico說(shuō),他是洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院(Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne ,EPFL)醫(yī)學(xué)圖像處理實(shí)驗(yàn)室和EPFL神經(jīng)修復(fù)中心的科學(xué)家和瑞士國(guó)家科學(xué)基金會(huì)(Swiss National Science Foundation ,SNSF) Ambizione 研究員。他說(shuō)的是他對(duì)人類大腦的研究,尤其是對(duì)大腦指紋的研究。他了解到,我們每個(gè)人的大腦都有一個(gè)“指紋”,而且這個(gè)“指紋”會(huì)隨著時(shí)間不斷變化。他的發(fā)現(xiàn)剛剛發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》(Science Advances)雜志上。

研究于2021年10月15日發(fā)表在《Science Advances》(最新影響因子:14．136)雜志上

Amico 說(shuō):“我的研究檢查了大腦內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)和連接,特別是不同區(qū)域之間的連接,以便更好地了解大腦是如何工作的。我們主要使用MRI掃描來(lái)測(cè)量給定時(shí)間段內(nèi)的大腦活動(dòng)。”

他的研究小組對(duì)掃描結(jié)果進(jìn)行處理,生成以彩色矩陣表示的圖表,這些圖表總結(jié)了受試者的大腦活動(dòng)。這種類型的建模技術(shù)在科學(xué)界被稱為網(wǎng)絡(luò)神經(jīng)科學(xué)或大腦連接組學(xué)。

我們需要的所有信息都在這些圖表中,它們通常被稱為“功能性大腦連接體”( functional brain connectomes)。連接體是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的映射。它們告訴我們受試者在MRI掃描時(shí)在做什么——例如,他們是否在休息或執(zhí)行其他任務(wù)。我們的連接體根據(jù)正在進(jìn)行的活動(dòng)和大腦的哪個(gè)部分正在被使用而改變,” Amico 說(shuō)。

Dimitri Van De Ville 和 Enrico Amico 博士

只需要兩次掃描

幾年前,耶魯大學(xué)(Yale University)的神經(jīng)科學(xué)家在研究這些連接體時(shí)發(fā)現(xiàn),我們每個(gè)人都有一個(gè)獨(dú)特的大腦指紋。對(duì)比同一受試者相隔幾天進(jìn)行的MRI掃描生成的圖像,他們能夠在近95%的情況下正確匹配給定受試者的兩次掃描。換句話說(shuō),他們可以根據(jù)大腦指紋準(zhǔn)確地識(shí)別一個(gè)人。Amico 說(shuō):“這真的令人印象深刻,因?yàn)樽R(shí)別只使用了功能連接體,本質(zhì)上是一系列相關(guān)分?jǐn)?shù)。”

他決定將這一發(fā)現(xiàn)向前推進(jìn)一步。在之前的研究中,大腦指紋是通過(guò)持續(xù)幾分鐘的MRI掃描來(lái)識(shí)別的。但他想知道,這些指紋是否能在幾秒鐘后被識(shí)別出來(lái),或者它們是否出現(xiàn)在某個(gè)特定的時(shí)間點(diǎn)——如果是的話,那一刻會(huì)持續(xù)多久?到目前為止,神經(jīng)科學(xué)家已經(jīng)通過(guò)相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)的兩次MRI掃描確定了大腦指紋。但是,指紋真的會(huì)在5秒鐘后出現(xiàn)嗎?還是需要更長(zhǎng)的時(shí)間?如果不同大腦區(qū)域的指紋出現(xiàn)在不同的時(shí)間點(diǎn)呢?沒(méi)有人知道答案。所以,我們測(cè)試了不同的時(shí)間尺度,看看會(huì)發(fā)生什么。”

功能性腦連接體圖

只需1分40秒就能拿到大腦指紋

他的研究小組發(fā)現(xiàn),7秒不足以探測(cè)到有用的數(shù)據(jù),但大約1分40秒就足夠了。Amico 說(shuō):“我們意識(shí)到,大腦指紋展開(kāi)所需的信息可以在很短的時(shí)間內(nèi)獲得。例如,不需要MRI來(lái)測(cè)量5分鐘內(nèi)的大腦活動(dòng)。更短的時(shí)間尺度也可以。”他的研究還表明,最快的大腦指紋開(kāi)始出現(xiàn)在大腦的感覺(jué)區(qū)域,特別是與眼球運(yùn)動(dòng)、視覺(jué)感知和視覺(jué)注意力相關(guān)的區(qū)域。隨著時(shí)間的推移,與更復(fù)雜的認(rèn)知功能相關(guān)的額葉皮層區(qū)域也開(kāi)始向我們展示每個(gè)人獨(dú)特的信息。

下一步將是比較健康患者和阿爾茨海默病患者的大腦指紋。Amico說(shuō):“根據(jù)我的初步發(fā)現(xiàn),隨著疾病的發(fā)展,使大腦指紋獨(dú)特的特征似乎在穩(wěn)步消失。根據(jù)人們的連接體來(lái)識(shí)別他們變得越來(lái)越難了。這就好像阿爾茨海默病患者失去了他們的大腦身份。”

沿著這條思路,潛在的應(yīng)用可能包括對(duì)大腦指紋消失的神經(jīng)疾病的早期檢測(cè)。Amico的技術(shù)可以用于自閉癥患者、卒中患者,甚至是有毒癮的患者。“這只是理解我們大腦獨(dú)特之處的又一小步,這種洞察力可能創(chuàng)造的機(jī)會(huì)是無(wú)限的。”

參考文獻(xiàn)

Source:Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne

Our brains have a 'fingerprint' too

Reference:

Dimitri Van De Ville, Younes Farouj, Maria Giulia Preti, Rapha?l Liégeois, Enrico Amico． When makes you unique: Temporality of the human brain fingerprint． Science Advances, 2021; 7 (42) DOI: 10．1126/sciadv．a(chǎn)bj0751

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