大脑功能异常,会带来哪些疾病?

大脑功能异常,会带来哪些疾病?

出品:格致论道讲坛

以下内容为中国科学院深圳先进技术研究院研究员路中华演讲实录:

大家好,我是路中华,来自于中国科学院深圳先进技术研究院。今天我来跟大家聊一聊,我们头顶上的这个――脑子。

首先我想和大家一起回顾几个问题,我们为什么能够看到阳光?我们为什么能够闻到花香?我们为什么能够感受到清风拂过我们的脸庞?我们为什么能够走路?我们为什么会歌唱?我们为什么会学习?我们为什么能记忆?我们为什么会有喜怒哀乐?

所有这些关于我们自己的问题,都与我们头顶上、头骨下方这个一公斤多一点的灰白色的器官,有着直接的关系。

虽然我不能告诉大家大脑到底是什么,但我可以公平地说,它是我们人类,或者我们人类进行的科学试验所要研究的黑盒子之一,我们甚至可以把之一去掉。今天我会用20分钟左右的时间告诉大家How fascinating this black box is.

定义大脑:大脑中有1000亿个神经元

在讲之前,我们先回顾一下,我们是怎么定义大脑的。从结构的角度上讲,最简单的定义就是“大脑中有1000亿个神经元”。大家可以想象一下,整个地球上才不到100亿个人,大脑中却有1000亿个神经元!

我认为大脑之所以能够执行如此复杂的功能,引起我们无限的遐想,一个非常重要的原因,就在于它具有数目众多的神经元。

每一个神经元跟我们每一个人一样。我们认识不同的人,说着不同的语言,来自不同的地方,遇到不同事情的时候会有不同的反应,神经元也是如此。

正是因为具有这个由1000亿个神经元组成、被称之为Ensemble的巨大的集合,我们的大脑才拥有了无与伦比的功能。

大脑功能异常,会带来哪些疾病?

一百多年前,在西班牙有一个非常著名的神经解剖学家Ramón y Cajal,他发现大脑中的神经元有一个非常关键的特性,就是它们长得都不一样。它们在形态上的差别要远远大于我们每个人之间的差别,所以他就非常细致地把他在大脑皮层中看到这些神经元勾勒了下来。

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他当时发现了差不多几十种神经元,而我们现在所知道的大脑中所拥有的神经元的数量,要远远多于Ramón y Cajal先生在一百多年前发现的。

如今,随着分子生物学技术、光学技术的进步,我们可以更好的分辨大脑中到底有多少种不同的神经元。

了解大脑:它有什么功能?又是如何发挥作用的?

我们脑中有一个部分叫小脑,它负责控制运动的神经元,英文叫Purkinje Cell。运动神经元看起来像植物,但是自然界中没有任何一种植物长成这个样子。

大脑功能异常,会带来哪些疾病?

它上边这些像树杈一样的东西,我们把它称作树突,这是神经元一种非常基本的结构。除此之外,再靠下一点的地方有个圆圆的东西,我们管它叫胞体

如果把它想象成一个芯片,上面的树突就是用来收集信号,之后对信号进行处理,再通过下面这个小小的结构轴突(这里只显示了一部分),把它传递到与它连接在一起的神经元上。

这些控制运动的神经元排列在一起,就能形成互相之间传递和解算信息的有序结构,如下图。

大脑功能异常,会带来哪些疾病?

此外,一般来讲,我们都认为大脑是智力的源泉,是学习和记忆的基础。

在人的大脑中有一种结构叫海马,这里有很多控制记忆的神经元,我们用现代分子遗传学的方法,把不同种类神经元标记成不同颜色后,看起来就如下图。

大脑功能异常,会带来哪些疾病?

下面这张图看起来是不是非常像一棵一棵的树?这是控制睡眠的神经元

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大家可能觉得睡眠是一个非常简单的行为,困了自然就睡了。事实上睡眠是由大脑控制的一种非常精准的行为。

但上图的神经元并不是来自于哺乳动物的,也不是来自于人类的,他们实际上来自于小小的苍蝇,苍蝇大脑中控制睡眠的神经元就是这个样子。

刚才提到,大脑最根本的特性在于它有1000亿个形态和功能各不相同的神经元,那么大脑到底在做什么?我想大家每个人都知道一点。

一般当大家说到大脑的时候,都认为它是智力的源泉,但其实大脑同时还控制着我们的生理和运动功能,你正常的走路都是由大脑来控制的。如果你一侧的半规管出现问题,即它投向大脑的平衡信息出现问题的时候,我们就不能正常行走了。

大脑功能异常,会带来哪些疾病?

睡眠是由大脑精密控制的一种行为。当人的睡眠开始变得不好,比如每天早上5点钟就醒了,可能是脑衰退的一种体现。

人不同于很多其他的植物,他有非常复杂的社交行为。比方说猫咪在抱着你的腿撒娇的时候,实际上这是猫咪的一种需要,我们人也有非常强烈的社会交往需要,我们在后面还会讲到。

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人的学习和记忆,不止是在学校里读书学习课本上的知识。学习打牌,知道打牌输了的时候要往脸上贴纸条,这也是学习的一部分。

我们人还有一些非常特别的,经过自然选择保留下来的行为,比方说冒险的行为。大家觉得冒险非常简单,实际上一点都不简单,它是经过大脑非常复杂的计算,才能够执行的一个行为。

所以,大脑不光是智力的源泉,它也是情感的源泉。

总结一下大脑的功能,我认为可以分成四个部分。

第一是我们能够感知周围的环境。第二是运动控制,不止运动,包括我们的生理都是由大脑来控制的。第三是我们经常提到的学习和记忆,最后是情绪和情感。

对于大脑的结构来讲,其一个基本的特点就在于不同的大脑区域可以控制不同的功能。比方说你的前额叶皮层就是用来控制情感的,包括你的决策。

唐克扬老师说,他走到山上思考怎样建好建筑,思考如何进行抉择的时候,他的前额叶皮层应该是非常活跃的。

我们人有五种感知觉系统,你对外界的感受,都是由后边颞叶来控制的,小脑和大脑的一部分皮层是用来控制运动的。我们的呼吸、心跳,这些基本的功能是由脑干的一些非常重要的核团或者神经元控制的。不同的区域执行不同的功能,这是大脑在结构上的一个非常重要的特点。

大脑功能异常,会带来哪些疾病?

大脑不同于人体的任何一个器官,虽然从细胞数目上来说,它和身体的其他器官没有显著的区别,但是大脑之间的神经元是通过电信号相互传递信息的,这是大脑不同于身体里其他器官的原因,以下这段简单的视频可以给大家解释。

每一个细胞、每一个神经元都相当于一片芯片。这个芯片会受到两种信号的影响,一种是红色信号,用以激活它,另外一种是蓝色信号,用以抑制它。经过解算后,它会决定要不要发出这个信号。

它发出的信号是电信号,在神经科学领域被称作动作电位。值得注意的是,它有红色和蓝色的信号集合。当这个信号达到一定程度的时候,一个信号就会传递到下游的轴突上,就是一个动作电位。

当动作电位传递到下游,每一个神经元再跟下游的1000多个神经元发生信息交互。大脑中含有1000亿个神经元,它们信息交互的复杂程度远远超过了我们的想象。

我认为这在一定意义上是对还原论的终极挑战,因为在一定程度上,想要用还原论的方法来解答生物芯片是怎样工作的,我认为是不可能的事情。

为什么研究脑科学?

那么我们为什么关心大脑?为什么关心脑科学?我觉得除了它是我们人类认知终极挑战的目标之一,还有一个非常重要的原因,即大脑功能如果出现了异常,会带来非常多的疾病。

举个例子,比如大家都非常关心的老年痴呆症,下图左边是一个正常人的大脑形态,右边是得了老年痴呆症以后的大脑。

大脑功能异常,会带来哪些疾病?

可以看到上图右大脑皮层的厚度大大缩减了,我们用来处理学习、记忆、情感以及运动相关信息的神经元,有50%到60%以上都丧失了。

大脑丧失了这些非常核心的部分,也就导致我们丧失了学习和记忆的能力,你不知道你的家在哪了,你不认识你的女儿了。

下图中这位老人得了另外一种神经疾病,也是一种神经退行性疾病,叫帕金森病。可以看到他在静息态时,有非常严重的震颤。

大脑功能异常,会带来哪些疾病?

那么这个震颤是由什么产生的呢?在中脑里,有一些神经元叫多巴胺能神经元。随着人年龄的增长,这些多巴胺能神经元会逐渐死亡,当它死亡超过85%的时候,就会出现这位老人在静息态的震颤症状。

除此之外,还有一些其他疾病,比如睡眠方面的疾病。不止人会得这类病,狗也会得。

如下图里的这只狗就得了一种非常奇怪的睡眠症,叫发作性睡眠症。大家可以观察到,它刚才还玩得好好的,但是当控制睡眠的神经元出现问题的时候,它就会不由自主地睡过去。

大脑功能异常,会带来哪些疾病?

大家可以想象,如果人得了这样的疾病,还能开车吗?还能骑自行车吗?很显然是不能的,甚至连走路都不行,你走着路也可能会睡着。

但很快会再醒过来,因为这些神经元有一些监护性的机制,如果发现你在不应该睡觉的时候睡着了,就会把你叫醒。

大脑真的非常复杂,很多事情看起来容易,但其实每一件事情都是精密调控的,哪怕出现一点问题,都会给你的生活带来很大的困扰。

回到我们的主题,恐惧和焦虑。其实这只是一个引子,我会利用恐惧和焦虑两个例子,具体解释大脑各部分可以执行不同的功能。我最后的结论是,恐惧是由大脑中不同区域来执行的。

我们刚才提到的内容是用还原论的方法来拆分大脑,但实际上,我们在分析大脑功能的时候会遇到很多困难。

所谓恐惧,就是当你在树林里见到一只大老虎以50公里的速度朝你冲过来,你所有的生理和心理反应的集合就叫恐惧。

当你走在路上,离树林还有200公里远,你就担心遇到大老虎,这叫焦虑。

但是控制焦虑的脑区域为什么看起来跟控制恐惧的脑区是一样的?说实话,我也不明白。

大脑功能异常,会带来哪些疾病?

左:控制恐惧的脑区和神经环路

右:控制焦虑的脑区和神经环路

但有一些我是理解的,比如大脑中的一些特定结构,是跟恐惧和焦虑有着直接关系的。

大脑中有一个跟杏仁差不多大小、长得也像杏仁的结构,叫杏仁核,如果它的功能消失,人就完全没有恐惧了。他可以在大街上朝着汽车走过去,完全没有任何恐惧的感觉。

大脑功能异常,会带来哪些疾病?

在恐惧和焦虑出现异常的时候,会通过很多精神疾病反映出来。

比如有一类精神疾病叫情感障碍(affective disorder)它影响成年人更多一些,包括抑郁症、焦虑症、恐惧症、强迫症等,这些都和刚刚提到的那些神经元的功能失常有关系。

下面几张图是一位小朋友作的画,色彩非常斑斓。虽然我不太懂绘画,但我觉得挺好看的。

大脑功能异常,会带来哪些疾病?

这些画实际上是一个只有5岁的英国小姑娘Iris Grace画的。她在绘画方面有着不同寻常的天分,但与此同时,她也是一个患有自闭症的孩子。

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虽然这个孩子可以画出那样美轮美奂的图画,但是她一句话都不会说,她没有办法跟人进行正常的交流。很显然她的大脑在发育的过程中出现了一些异常。

那么出现这些异常的原因到底是什么?我们能不能找到异常在哪里,并且给予干预,让她有一个正常的生活,这就是我们正在研究的很关键的一个方面。

什么是自闭症?自闭症又叫做孤独症或者孤独性谱系障碍,是广泛性发育疾病的一种代表疾病。

根据统计数据,在中国约每100个孩子中就有1个孩子会得自闭症,美国的比例是1:68,韩国是1:33,不同的国家有不同的数据。此外,数据显示,我们0到14岁的患者超过200万,但98.7%没有得到治疗。

在这里强调一点,我们通常认为自闭症是孩子的疾病,实际上不是的。自闭症是一种完全失能的疾病,即得了自闭症的孩子,他一生都需要其他人的照顾。即使聋哑人也有工作和学习的能力,但是得了自闭症的孩子是完全失能的,会给家庭带来非常沉重的负担。

一般提起自闭症,大家都会想到《RAIN MAN》这部电影。达斯汀霍夫曼饰演的角色有着无与伦比的数学计算能力,但他完全没有办法跟人交流,没有社交能力,这也是自闭症名字的由来。

我们在科学上可以用比较准确的方法来鉴定自闭症,找出这些孩子到底有怎样的缺陷。下图的例子就是他们在视觉上的缺陷。

大脑功能异常,会带来哪些疾病?

我们将两幅图分别展示给患自闭症的孩子(图左)和正常孩子(图右),用仪器追踪他们目光停留的地方。可以发现,左边得了自闭症的孩子的目光一直停留在图画的中央,而右边正常的孩子就可以看到图画的不同部分。

在临床方面,AMERICAN PSYCHIATRIC ASSOCIATION 还出过一本非常厚的书来指导医师对自闭症进行诊断。

大脑功能异常,会带来哪些疾病?

自闭症它不是一种的单一疾病,它是一种广泛性发育障碍,它包括非常多的亚型,其中一些我们到现在也没有办法准确界定。

在所谓的医师手册中,有一系列行为案例,比如说一共有15个不太正常的行为,如果孩子出现了上述行为中的五个,就可以认为他患有自闭症,如果他出现了十个,就可以认为他是非常典型的自闭症。

所谓的行为异常都有什么呢?包括缺乏展示,缺乏语言沟通和互动,缺乏兴趣和快乐分享,对名字缺乏反应,有重复动作等。大家可以看到这些都是对外在动作的判断,并不是非常准确的界定,我们对于它内在的本质还是缺乏了解的。

总结来说,什么叫自闭症?在临床上它可以用两句话来概括,就是他缺乏应有的行为,出现了异常的行为。但这是非常笼统的定义。连诊断都谈不上,更不要谈如何干预和治疗自闭症。

对于自闭症诊断还有一个非常重要的挑战。自闭症实际上是发育障碍的一种,在自闭症的孩子中有70%到80%会出现智力发展缺陷,它会出现合并症,这在自闭症的诊断中是一个非常重要的因素,而且难以剥离。

很多患者会有神经发育方面的疾病,比如ADHD(多动症),再如很多孩子有学习障碍、沟通障碍、脑瘫、癫痫之类的疾病,除此之外还会有并发。

因为大脑是非常复杂的器官,所以我们不应该只用其中一个作为核心症候,而将社会交往的行为缺陷单独剥离。

此外,自闭症与很多疾病的特点相似也是一个在诊断方面难以解决的问题,对此整个学术界,包括医疗界也还存在很大的争议。

那么自闭症的病因到底在哪里?它到底是由遗传因素决定,还是由环境因素决定的?

在这里需要先普及一个知识,即如果是同卵双胞胎,则意味着100%的遗传物质是一样的;如果是异卵双胞胎,就只有50%的遗传物质是一样的。

所以如果同卵双胞胎的患病几率远远高于异卵双胞胎,就证明遗传因素在其中有非常关键的作用。

大脑功能异常,会带来哪些疾病?

根据上图可以看到对于孤独性谱系(即自闭症),遗传因素是非常关键的。

同时,遗传因素也在精神分裂、情感障碍、多动症这些精神疾病的发病过程中起到了非常重要的作用。

另外我们还会关注环境因素,这里说的环境因素不是大家一般关心的环境因素,如水、空气、食物。我们关心的是胎儿在发育过程中,母体带给胎儿的环境,包括围产期缺氧、先兆性流产。这些事件对胎儿生长的环境来说是压力因素,会对胎儿患上自闭症起促进作用。

所以导致自闭症的原因,就是神经系统、神经元在发育过程中的异常,造成了神经环路结构和功能的缺陷。但这是一句非常含糊的话,到底是什么原因,我们还不是很清楚。

关于它的治疗,目前主要采取康复训练。实际上康复训练跟我们在家里训小狗是一样的。这也反映了我们在治疗自闭症过程中遇到的问题,因为我们根本不知道它的病因是什么,也就谈不上干预,所以目前是以这种比较低效的康复训练为主。

让科学照进现实

那么这些科学研究能如何促进解决神经疾病面临的问题?

这是我们实验室的小老鼠,下图是它癫痫发作的样子。它患有羊角疯,会不由自主的抽搐。如果测量它大脑内部的电活动,会发现它大脑内部的电活动是远高于平常水平的。我们可以看到它有四肢僵直的情况,这是非常痛苦的。

大脑功能异常,会带来哪些疾病?

再看下图,有一束蓝光进来了。这是我们用现代光遗传的手段,在给小老鼠大脑的神经元“踩刹车”,抑制住它不正常的电活动。当蓝光进来的时候,小老鼠很快就恢复正常了。

这说明,想要治疗神经系统疾病就必须找到它的发病原因,开发出新的技术手段对它进行干预。

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下面再讲一个帕金森病的例子。这个老人前面已经提到了,帕金森病是我们在神经系统中唯一一个非常清楚的病症,我们知道它是在哪个节点出现了问题,因此就在这个老人大脑中出现问题的区域植入了一个电极,当我们打开电极的时候,就可以抑制这个区域的非正常活动。

下图可以看到,电极开始放电抑制非正常区域的活性后,老人的震颤很快就消失了。

大脑功能异常,会带来哪些疾病?

而现在再让老人如下图去做一些精细的动作,就不像在激活电极之前一样,完全没有办法做任何动作了。

大脑功能异常,会带来哪些疾病?

我想科学研究的伟大意义就在这里,只有我们了解了这个疾病的本质,才能够开发出干预疾病的有效方法。希望未来有一天,我们也能够找到关于自闭症可靠的治疗方法,非常感谢大家,谢谢。

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