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孩子越小,是博士生尬舞

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读了个博士,别人却总也搞不明白你成天到底在干啥?是时候跳支舞了!

神经刺激部分唤醒植物人 为脑损伤后意识恢复提供一条主要途径

上周的《生命密码》,小编为大家讲了一个“没有大脑”的男孩的故事。来自英国的雪莉在例行产检的时候,发现自己的儿子诺亚患有“脊柱裂”。医生判断,诺亚会有严重的脑损伤,而且很可能无法幸存。而当他出生的时候,他的大脑只有正常值的2%

Dance Your
PhD,这是一个神奇的舞蹈比赛,它由Science主办(对就是那个Science),专门面向那些搞科学的博士和博士生们。要求很简单:博士/博士生要用舞蹈演绎出自己的研究课题,而且还要亲自上阵表演。

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但是不知什么原因,诺亚却顺利地活了下来,还健康地长到了3岁。必发bifa88手机版,他的家人也一直在孜孜不倦地开发着诺亚的大脑,确保他能充分利用仅有的部分。随后,更令人困惑的事情发生了,扫描结果显示,诺亚的大脑长大了,从2%长到了接近80%!这让很多医生和专家们都难以置信。

今年2月15日,第11届PhD舞蹈大赛的获奖结果新鲜出炉。这一次,博士们又跳了些啥呢?

迷走神经刺激器为从脑干到身体不同部位的关键神经提供少量电流。图片来源:Science
Source

诺亚挑战了医学界的常识,这引导着科学家去探索,我们的大脑究竟是怎样工作的?越小的孩子,学起东西来会越快吗?本期《生命密码》,让我们和中科院生物物理研究所的赫荣乔教授一起,继续探讨大脑可塑性的问题。

照例,我会根据自己的喜好挑一个作品来重点介绍。今年我的选择是生物组的获奖作品(同时它也获得了最受观众喜爱奖),标题是《利用脑刺激测量严重脑损伤后的意识状态》。

本报讯
15年前,法国一名20岁的男子在车祸中遭受了脑损伤,并陷入了一种被称为植物人的昏迷状态。现在,一项新的研究表明,大脑中一种实验性的低强度神经刺激(现在已被批准用于治疗抑郁症和癫痫)能够成功地将一个人变成医生所说的“最低意识”状态。尽管这与全面苏醒的情况相去甚远,但研究报告的作者认为,这一发现暗示了在脑损伤后恢复意识的一条主要途径。

▲本期完整视频

嗯,一个救死扶伤的话题,但舞蹈的走向却总让人觉得有点谜之不对……

尽管如此,一些医生和脑损伤专家仍然对这种治疗是否真如所描述的那样有效表示怀疑。从事意识研究的美国波士顿市哈佛医学院神经学家Andrew
Cole说,植入电子刺激器的手术,频繁的行为观察,以及在大脑扫描仪中进进出出都可能有助于病人的病情改善。“我并不是说他们的说法是不真实的。”Cole说,“我只是说,根据所呈现的结果是很难解释的。”

本期嘉宾信息

视频一开场先介绍了两个主人公A和B,她俩原本是开心的一对儿:

目前有成千上万的人处于植物人状态。虽然他们不会对诸如触摸之类的刺激作出反应,但这些人的大脑并没有死亡。他们的大脑通常具有可识别的睡眠—苏醒周期,他们能够睁开眼睛,并且在进食时可以吞咽,许多人自发地呻吟、哭泣、微笑,并表现出具有部分意识的其他迹象。然而,大多数专家认为,任何超过12个月的植物人状态都是永久性的。

赫荣乔,教授,中国科学院生物物理研究所研究员。

但一场事故之后,她们双双因为严重的脑损伤住进了医院……

然而这一假设并没有让Angela
Sirigu感到满意,她是法国里昂市马克:让纳罗认知科学研究所的认知神经学家。

格雷戈.斯科特,英国伦敦帝国理工学院神经病学临床研究员。

过了一段时间,A和B都从昏迷中苏醒了过来。她们虽然睁开了眼睛,但对外界的刺激却毫无反应,这种情况被称为“无反应清醒综合征”(unresponsive
wakefulness syndrome)。

Sirigu在新一期美国《当代生物学》杂志上说:“通过刺激迷走神经,我们发现能够增强患者在这个世界的存在。”

解开谜题的钥匙:分流器

从外表看,这些无反应的患者病情是一样的,但事实并非如此。有些患者会慢慢恢复,但另外一些却长时间停留在无反应的状态毫无改善,甚至病重去世。

迷走神经连接着人脑与身体的许多其他部位,包括肠道。迷走神经对保持清醒、警觉性和许多其他基本功能具有重要作用。迷走神经刺激器是一种微型可植入式器件,此前已被用来辅助治疗药物难治性癫痫和抑郁症。

诺亚的父母竭尽所能地引导、帮助他的大脑发育。雪莉认为,诺亚的大脑里其实还有一些空间,她希望有朝一日,它会被完全填满。雪莉、罗布、诺亚和他的姐姐斯蒂芬离开了他们在坎布里亚郡的家,前往伦敦,拜访人类神经学研究员斯科特博士,去一探诺亚大脑里的奥秘。

而神经心理学博士Olivia
Gosseries的论文课题就是帮助医生更好地判断这些患者的脑损伤究竟有多重。具体方法是用“经颅磁刺激”来刺激患者的大脑,然后看看神经电活动有什么变化。

为检验迷走神经刺激器恢复意识的能力,研究人员希望寻找一个很难用巧合来解释被“唤醒”的植物人病例,最终找到了一个昏迷了十多年、没有苏醒迹象的车祸受害者。

帝国理工学院的斯科特博士研究创伤对大脑的影响,已经有好几年了。他认为,诺亚的大脑之所以发生如此巨大的变化,有一个至关重要的原因,那就是减轻大脑压力的分流器。诺亚出生时,他的医生尼克尔森博士决定将一个分流器植入到诺亚的颅骨深处,以排出液体,这给诺亚大脑提供了空间,使他的大脑能够膨胀和生长。还有一部分大脑,也已经重新生长了到正常尺寸。

在舞蹈中,A的大脑刺激之后是这样的:

研究结果显示,在开展迷走神经刺激一个月后,患者的注意力、动作和脑活动显著改善,能响应以前不响应的一些简单命令。例如,他的眼睛能跟着目标移动,并根据要求转头。他的母亲报告说,在听人给他读书时,他保持清醒的能力有提高。

分流的效果是很好的。这种压力的释放,意味着大脑里的许多部分已经比早期的扫描得到了恢复。其实,诺亚还有更多部分的脑被液体所占据,比想象中的要多,但是已经有了很大的改善,而且斯科特博士认为它还将继续改善。

神经元死气沉沉、反应缓慢。有的甚至还在躺尸:

此外,研究人员还观测到这名患者对“威胁”重新有了反应。例如,当医生的头突然靠近他的脸时,他会睁大眼睛,表现出惊讶。

诺亚的案例让很多人想不明白,尽管大脑受到了非常严重的伤害,但它怎么还能获得如此巨大的成就呢?斯科特博士说,诺亚大脑最初的损伤来自于液体的压力,通常来说,这种液体通常会损坏他的大脑,而且是无法修复的。而大脑的膨胀还是不能解释,为什么他能够做到如此多的事情。

而刺激了B的大脑之后,情况就完全不一样了,神经元纷纷活跃了起来:

研究人员认为,在多年处于植物人状态后,这名患者进入了“最低意识”状态。

诺亚的非凡变化

由此看来,B的病情比A可要乐观多了。

大脑活动记录也显示,这名患者脑中涉及运动、感觉和意识的区域活动明显增强,大脑功能连接性改善,脑皮层和下皮层的代谢活动也同样增加。

带着未解之谜,诺亚和一家人又回到了坎布里亚郡。在家里,家人们昼夜不停地照顾着诺亚。诺亚需要定期去医院做检查,看看他脑子里的分流器是否仍在起作用。他有两只瘫痪的腿需要支撑,他也需要睡在父母的旁边,这样晚上父母可以帮他翻身,防止长褥疮。诺亚的爸爸罗布表示,诺亚虽然有这么多的坎坷经历,但他总是快乐的。如果他能应对一切,并保持开心快乐,那么每天都是崭新的一天。

接下来的结局估计大家已经能猜到了。6个月后,B患者已经恢复了很多:

研究人员指出,这项工作表明,即使在病情最严重的临床病例中,正确的干预措施也可能带来意识变化的产生。Sirigu说:“哪怕希望看似已经消失,大脑仍有可能被修复。”

随着时间的推移,诺亚也渐渐成长起来。斯科特博士说,他的大脑皮层的很多组织似乎有了显著改进,这就是支持他的记忆力和集中注意力等功能的原因。而诺亚的父母一直在做的大脑训练,正是他的大脑需要采取的一种刺激措施。

而不幸的A患者嘛……她不仅死咗,而且还被安排了一段在自己坟头跳舞的戏份……

目前,研究人员正计划开展一项大型合作研究,以确认并进一步挖掘迷走神经刺激对处于植物人或最低意识状态患者的治疗潜力。

斯科特博士告诉我们,“可塑性”是神经科学真正令人兴奋的领域。大多数关于脑损伤影响的研究都是在成年人身上进行的,相反地,诺亚的案例告诉我们,我们应该更多地关注儿童,以及儿童的大脑是如何实现可塑性的——如果我们能深入了解它的恢复能力,那么也许可以改善成人和儿童的大脑损伤后的恢复情况。对于斯科特博士来说,诺亚是一个活生生的例子,可以向我们说明如何在大脑中形成新的通路,理解人类大脑中那些非凡的变化。

导演啊,这是不是有点过分了??

Sirigu说,即使是最低的意识也可能成为家庭庆祝的原因,尽管她意识到,把他们的亲人置于实验中可能是危险的。“我们非常感谢这个病人和他的家人。”她说,“他们展示了很多勇气。”

什么是“大脑可塑性”?

介绍完了这个作品,我们再来看看其他几个获奖舞蹈:

一些专家表示,这是一项令人激动的新发现,但由于很难从单一病例了解一个疗法的真正效果,需谨慎解读,这项研究的结果尚需在更多患者身上得到验证后,才能获推荐使用。

那么,斯科特博士所说的“大脑可塑性”具体应该怎么解释呢?赫荣乔教授告诉我们,大脑的可塑性包括两个方面:首先,从神经可塑性的角度来看,它指的是大脑神经元之间形成新的连接、新的功能的过程。而当大脑受到了损伤,连接受到了损害,神经元之间的这种通讯和信息加工就会切断,相关的大脑功能也会丧失。大脑可塑性还包括另外一个方面,那就是当脑受到了损伤之后,通过神经元的再连接,重新恢复功能的过程。

物理组冠军&总冠军

纽约市威尔:康奈尔医学院神经学家Nicholas
Schiff同意Cole的观点,即对一个病人的研究不足以对治疗作出全面的结论,但他对治疗的前景很乐观。他说,现在研究人员需要在多种刺激持续时间和强度下,对多名患者进行治疗,这是非常昂贵和耗时的。Schiff认为,保险公司将会覆盖康复护理,但让它们相信,植物人的状态可以恢复,或者是意识能够轻微改善,将是一场艰苦的战斗。

通俗地讲,我们如果把大脑想成一个很复杂的网络,而网络的某些地方断了,要怎样才能再连接呢?这个“可塑性”怎么才能产生呢?赫教授告诉我们,如果大脑受到损伤,越小的孩子恢复的可能性越大,可塑性越强。相反地,越是成年人或者年龄更大的老年人,脑损伤的恢复和他的可塑性越会显著地降低。

这个作品的主题是超导。在足够低的温度下,一些金属材料表现出超导的性质,此时其中的电子会结合在一起形成“库珀对”(Cooper
pair),图中抱在一起的舞者表现的就是库珀对。

Schiff说:“我的一位同事最近描述了植物人状态的困境,这是一个民权问题。”“我们需要让这一医疗领域看起来像其他地方一样。这里的科学进步远远领先于基础设施。”

那么,有哪些例子能体现我们大脑神奇的可塑性呢?赫教授说,这样的例子有很多,比如“学习记忆”也算是可塑性的一种。不会攀岩的人学会攀岩,不会游泳的人学会游泳,都可以看成可塑性的表现。又比如我们本来不认识的新单词,可以通过背诵,在大脑里形成新的连接、形成一个环路,就记在脑子里不会忘记了。这也是大脑可塑性的表现。

这段视频不仅有自编自演的舞蹈,还十分用心地配上了一首自己填词的歌曲来解释研究内容,不过11分钟的物理科普歌舞我感觉还是有点太长了……

《中国科学报》 (2017-09-27 第2版 国际)

但是,赫教授也向我们强调,如果成年人的脊髓受到损伤,就很难恢复了。目前脊髓的损伤与修复的相关问题,还是一个世界难题。而诺亚的大脑恢复显著,与他的父母给他的大脑不断的后天锻炼是分不开的。他的大脑的可塑性,不仅仅是一个学习记忆过程,还有脑的重新构建的过程。诺亚的奇迹,与有很多非常有能力的医生的参与,还有家人的呕心沥血、精心地呵护和耐心训练是分不开的。

化学组冠军

本期结语

这个作品表现的是如何改善塑料的导电性。塑料本身大多是绝缘体,图中和保鲜膜较劲的舞者就是在表现电子在塑料里没办法自由地运动。而如果在塑料中加入一些碳纳米管,那么它们的导电性就能大大改善。

听了赫教授的解释,小编才知道,很多人说孩子越小的时候学东西越快,原来真的是有一定道理的!因为孩子越小的时候,脑的可塑性就越强,而诺亚的奇迹就是强有力的医学证据。下期《生命密码》,小编将继续为大家讲述诺亚的故事,看看他将如何面对新的挑战。不要走开哦~

社会科学组冠军

必发bifa88手机版 2

这个作品大概是最直观好懂的一个,它探讨的是如何利用体育活动来改进物理学教育。例如图中的这段就是一边推墙一边感受牛顿第三定律。

在以下链接可以看到这些作品的完整视频,也可以更多了解这个神奇的比赛:

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