导语：大脑各部分之间的连接四通八达，就像复杂的高速公路网一样。近来，科学家绘出了整个大脑中的神经网络地图，这对于我们研究大脑的功能有何意义？
关键词：大脑、白质通道、神经疾病、连接组学
这是一幅大脑顶部白质通道的“交通地图”，它从整体上展现了各个灰质区域之间错综复杂的联系。图片来源：南加州大学神经影像学和信息学研究所(USC Institute for
Neuroimagingand Informatics)
大脑中各部分之间的连接及其复杂，如同高速公路网络一般。近来，神经学家们第一次详细描绘了这些连接的路线图。
这张白质图不仅描绘出了神经“高速公路”的地理图，同时还揭示了哪些通路与其他通路的互相作用最多，它们对于大脑核心功能的运转起到了最关键的作用。白质图同时还能揭示哪些通道被破坏后最有可能引起大脑的长期损伤。
南加州大学的神经科学家约翰·达雷尔·范霍恩(John Darrell Van Horn)说：“特定的脑损伤会有如何严重的后果？这张图将使我们对这个问题有更深刻的认识，并且更准确地预测病人经历脑损伤后的恢复能力。”
通道之谜
大脑中的硬件主要有两大类：负责绝大部分信息处理的灰质和连接不同的灰质区，使它们互相交流的白质。一条没建设好的高速公路匝道可以让一大片小镇的交通陷入瘫痪，同样地，一条损坏的白质通道会使很多灰质枢纽的意识、情感功能停止运作。
实际上，如果一个患者有很严重的灰质损伤，他还是很可能恢复正常生活。但即使只有少量的白质损伤，患者都有可能被严重的大脑缺陷长期折磨。范霍恩说：“这两者的差异很自然地引出了一些问题，比如大脑中哪些连接对损伤最为敏感？”
大脑中的信息流
为了找到这些问题的答案，范霍恩和他的团队在110名志愿者身上采集了数据。他们使用的技术叫做扩散张量成像技术(Diffusion tensor imaging，简称DTI)。尽管前人已经用DTI绘制过大脑的白质通道，也得到了一些五颜六色的美丽图片，堪称连接组学的艺术品，但这一次，范霍恩和他的团队有一些更明确的目标需要实现。
“我们想要做的，并不只是画出漂亮的示踪图片，”范霍恩解释说，“我们想利用图论作为工具，对大量被试的大脑连接模式进行描述。我们还希望理解在这些连接中，哪些是大脑中信息传递的主要通道。”
图论这个数学领域可以被应用到很多方面。举例来说，脸书(Facebook)用这个数学工具根据用户的好友来推荐用户可能认识的人。你车上的导航也用图论来计算两地之间的最短路径。
在这个项目中，范霍恩和他的团队根据他们从志愿者身上收集到的大脑成像数据，用图论建立关于白质连接的预测模型。然后，他们将计算机模型在各种模拟环境下进行测试。范霍恩解释说：“我们将所有被试的大尺度神经网络都进行建模，然后我们有计划地破坏某些白质连接，研究整个大脑网络会受到怎样的影响。”
尽管这些计算机模型远远无法达到模拟单个神经元活动的精度，在一个大的尺度上进行模拟还是足够的。正如你的GPS软件并不需要知道每一辆车的具体位置，也可以准确显示高速公路的堵塞位置一样。
观察症状
在对模拟大脑进行破坏白质连接的实验时，范霍恩和他的团队主要模拟阿尔茨海默症、多发性硬化症等疾病造成的损伤，这些疾病都会损伤大脑中的主要白质通道。范霍恩说：“尽管我们对于这些疾病的症状已经比较了解，但我们仍然不明确，白质受到的损伤如何影响了大脑神经网络的整体行为。”
尽管他们的发现意义重大，但这只是这个研究项目长期应用的一个开端。范霍恩说：“我们注意到，那些连接了很多大脑区域的白质通道也倾向于互相连接。”他表示，这意味着即使这些繁忙的神经通道只受到了很小的伤害，也会对全局造成很大问题，甚至会比在连接较少的区域发生更大面积的病变更严重。打个比方，如果在普通道路上发生了三车连环相撞事故，可能会使小镇的局部交通受到影响，但在州际高速公路上，可能一次车祸就足以影响全国多个州之间的交通。
更广阔的应用方向
这张大脑神经道路图能给我们许多启示，这个发现只是其中之一，研究人员还将从这张图中挖掘出更多的信息。有了这张详尽的交通图，也许医生们将能够更快、更准确地诊断阿尔茨海默症等脑部疾病，从而制定更好的治疗方案。
对于人类连接组计划(Human Connectome Project, HCP)等长期的大脑测绘工程来说，这张图还有着显而易见的应用价值。“HCP，奥巴马总统批准的BRAIN Initiative项目，以及欧洲一些同类项目都收集了很多神经成像的数据，”范霍恩说，“随着这些数据被提供给越来越多的人，我们将有能力用它来构造全新的、更加细致的大脑功能模型。”许多这一类的研究都很有可能使用范霍恩的团队所采用的研究方法：处理数据，建立模型，然后有计划地破坏大脑模型，观察结果。
关于作者：本·托马斯(BenThomas)是一名作家、新闻记者、发明家以及研究大脑意识的独立研究员。怀着对一切神秘和未知事物的热爱，他将科学前沿编织成视频、播客和独一无二的多媒体内容。访问http://the-connectome.com，了解他更多的工作。欢迎关注他的推特@theconnectome。
本文仅代表作者观点，不代表《科学美国人》。
（译者：斑马线；审校：戚译引）
原文链接[科学美国人博客]：
http://blogs.scientificamerican.com/mind-guest-blog/2014/02/20/brain-wide-map-of-neural-highways-is-first-of-its-kind/
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