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只靠半边大脑活着?这项发表在《细胞》上的研究揭秘大脑惊人“可塑性”

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 Evelyn Zhang • 2019-12-03 09:17:58 来源:前瞻网 E1855G1

一半的大脑被移除后,大脑还能正常运作吗?又如何重新自我连接?加州理工学院开展的一项新研究的扫描结果显示,儿童时期经历过大脑半球切除术的人,大脑是如何继续运作的。

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莫妮卡·琼斯的第一个儿子出生后不久,就被发现患有罕见的神经系统疾病,大脑一侧异常大。小亨利一开始不得不忍受每天数百次癫痫发作的痛楚。尽管接受了大剂量的药物治疗,他身体和心灵上的扭曲创伤却难以改变。大概15-16个月大时开始,小亨利就断断续续进行了几次手术,最终在3岁时完成了完整的解剖半脑切除术。

该种手术操作最早于1920年代开发,用于治疗恶性脑肿瘤。在20世纪,更是有100多人曾接受过这种切除术。但是,它在患有脑畸形,顽固性癫痫发作或疾病仅限于一半大脑的儿童中取得了成功,甚至令经验丰富的科学家都感到惊讶。

术后,许多孩子能够走路、说话、阅读和完成日常任务。大约有20%的接受该手术的患者在成年后找到了正常的带酬工作。

11月19日发表在《细胞报告》杂志(Cell Reports)上的研究表明,由于大脑其余一半的重组比较成功,一些人从手术中恢复得很好。

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(图源:Cell Reports)

科学家们发现了各种各样的网络,这些网络可以吸收被切除的松弛组织。加州理工学院的认知神经科学家,该研究第一作者多里特·克里曼(Dorit Kliemann)说:“大脑非常具有可塑性。”“它可以弥补大脑结构的急剧丧失,在某些情况下,其余的网络几乎可以支持典型的认知。”

这项研究部分由琼斯夫人和她的丈夫成立的非营利组织资助,该组织倡导帮助其他需要手术来阻止癫痫发作的人。这项研究的发现,可能会为那些在幼儿期以后进行半脑切除术的人提供鼓励。

当进行半球切除术的人进行大脑扫描以进行研究时,他们的行为就好像是其他通常成熟的成年人一样,握着克利曼博士的手,然后闲聊,完全和正常人没什么差异。通过脑功能磁共振成像(fMRI)图像,才发现这些人其实在童年时期大脑就被切除了一半。

加州理工学院认知神经科学家,研究的合著者拉尔夫·阿道夫斯(Ralph Adolphs)表示,每当他们研究这些大脑扫描图像时,就会被深深地震惊。

“如果您采用其他任何系统,例如心脏——并且将其分成两半,那么它将无法正常工作。拿起笔记本电脑将其摔成两半,也会无法使用。”

大多数大脑网络都使用两个半脑来运作。例如,面部识别涉及大脑皮层的两侧。其他技能(例如移动四肢的能力)由大脑的相对两侧处理。右半球控制身体左侧的运动,而左半球控制右臂和右腿。

卡内基梅隆大学的认知神经科学家Marlene Behrmann生动地描述称:“就像您需要一个乐队的所有不同成员一起演奏,才能获得同步且连贯的音乐。”

研究人员特意考察了大脑中负责视觉、运动、情绪和认知能力等日常功能的神经网络,然后将这些大脑扫描结果与数据库中的1500张大脑图像进行比较。

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(图源:Cell Reports)

结果发现,切除了一半大脑的受试者的脑功能与正常人无异。研究人员发现,尽管只有半个脑的人类个体,其大脑的连接类型保持不变,但负责处理感觉运动信息、视觉、注意力和社交线索的不同区域却得到了增强,与普通大脑相比,它们之间的交流更加频繁。切除一半大脑,可能并不会对他们的人格和记忆造成明显的影响,还反而能预防严重的发作性疾病。

该结果对于研究者和家庭试图了解大脑半球切除术后大脑如何适应和功能的研究结果是令人鼓舞的。此前,科学共识一直认为,半脑切除术最好在很小的年龄(4-5岁的孩子)之前进行——这样,随着年龄的增长,就更容易恢复正常的功能。虽然儿童早期的神经可塑性更强,但这项新的研究表明,在任意结束日期后都可以有手术成功的可能。参与此次研究的受试者年纪从20-30岁不等,均在童年时期因癫痫接受了大脑半球切除术。

克利夫兰诊所的儿科神经病学专家阿贾伊·古普塔(Ajay Gupta)博士说:“我认为越来越多的证据表明,大脑可塑性确实是一个长期存在的现象。”他在手术后随访了近200名儿童。

在患者预后中起更重要作用的一个因素是癫痫发作开始的年龄。手术仍然被认为是医疗后的最后手段。但是,如果可以限制癫痫发作的持续时间和由此导致的脑损伤,则患者可以恢复更多的功能。

加州理工学院的神经科学家,这项研究的合著者林恩·保罗(Lynn K. Paul)说:“另一半大脑不得不在患者接受治疗之前承担额外的责任。” “当您取出受损的半脑时,它将继续这样做。因此,我们真正想要的是保护正在发挥作用的半脑。”

八小时的手术还是风险很大的。古普塔博士说,必须一次一次地切除脑组织。如果甚至残留细小纤维,它最终也可能导致癫痫发作并影响大脑的健康一侧。还有持续头痛和大脑积水的风险。

手术后,儿童在手和手臂的控制上明显变弱。他们的视线在那一侧变得受阻,他们也可能会失去识别声音来源的能力。“有些事情肯定需要更高水平的康复和学习。例如,阅读、写作和数学。”然而,在许多情况下,这些技能已经被潜在疾病所损害。

事实上,以往的医学文献中可以找到许多有关大脑惊人适应能力的记录,例如,一个男孩在小时候做了右半脑摘除术,其中也包括负责视觉的脑区,但在手术几年后,神经科学家发现他的左半脑承担起了原本由右半脑承担的视觉功能,他的视觉也因而恢复如初。

而参与此次最新研究的科学家们希望能进一步理解大脑如何在受伤或中风后进行自我重组,以及部分脑区如何弥补受损或缺失部分的功能,利用这些研究结果,医生或可制定出针对性的干预策略,为更多大脑受损的患者提供帮助。

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