2012年4月9日

复杂的大脑具有简单的网格结构

人脑的接线图显示了平行神经元纤维的2-D片以直角交叉路径的曲率。资料来源:医学博士Van Wedeen,马蒂诺斯中心和马萨诸塞州总医院放射线学系以及哈佛大学医学院。

一项具有里程碑意义的研究表明,大脑中的神经细胞形成了简单的棋盘格图案。这项新技术将帮助研究人员更好地了解大脑的发育,并可能提供对癫痫,自闭症和精神分裂症等疾病的见解。

一个名为connectomics的新研究领域旨在了解大脑中神经元(神经细胞)之间的联系。这种接线图可以提供有关健康和患病大脑的有用信息。但是,分析这些连接非常复杂且耗时。具有300个神经元的round虫大脑的接线图用了将近10年的时间完成。具有1000亿个神经元的人脑的绘制工作令人生畏。皮质(灰质)的高度折叠结构使跟随神经元及其连接变得困难。复杂性还增加了这样一个事实,即大脑的连接随着年龄的增长以及对环境和经验的响应而不断变化。

传统上,通过将染料注入神经纤维并追踪它们可以看到大脑的连接。但是,该技术无法提供非常详细的结构,并且在人体中使用是不安全的。为了解决这些问题,研究人员开发了一种称为扩散MRI的技术。扫描仪检测神经纤维内部水的运动,然后将其用于评估其位置。扩散MRI可以可视化纵横交错的纤维网络,其细节是传统MRI的10倍。扩散MRI也无害,因此可以在人类中使用。

在这项新研究中,由马萨诸塞州总医院和哈佛医学院的Van J. Wedeen博士领导的研究小组使用扩散MRI来获取详细的大脑接线图。他们研究了4种灵长类动物的死后大脑-恒河猴,猫头鹰猴,mar猴和加拉各斯(布什婴儿)-以及活着的人类。这项工作部分由美国国立卫生研究院国家心理健康研究所(NIMH)资助。

在2012年3月30日, 科学,科学家报告说,大脑的神经纤维不仅仅是纵横交错的电线。相反,它们形成了高度结构化的几何图案,看起来像弯曲的3D网格。神经通路相互平行并以直角交叉。

大脑的网格结构似乎可以引导连接性,例如高速公路上的车道标记,从而限制了神经纤维在发育过程中改变方向的选择。光纤不是在生长时随机更改路径,而是只有4种选择:上,下,左或右。研究人员说,这将为纤维找到合适的连接提供强制的更有效,有序的方式,并使结构通过进化来适应。

Wedeen说:“大脑的连接远不只是电线的缠结,而是更像带状电缆-折叠二维的平行神经元纤维的二维薄片,它们以直角交叉路径,就像织物的经纱和纬纱一样。” 。 “这种网格结构在人类和其他灵长类动物的各个尺度上都是连续且一致的。”

镍氢电池负责人Thomas R. Insel博士说:“获得大脑的高分辨率接线图是人类神经解剖学的一个里程碑。” “这项新技术可能揭示出大脑连接的个体差异,这有助于诊断和治疗脑部疾病。”

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参考文献: 科学。 2012年3月30日; 335(6076):1634-6。