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这些人大脑只剩一半也能活,神经网络甚至比你还强

时间: 2019年11月22日 | 作者: 杨心舟 | 来源: 环球科学(huanqiukexue.com)
现实中真的存在这样的一批人,他们不得已切除了一侧的脑半球。许多儿童不仅健康地成长了,大脑活动和功能都与常人无异。


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只有半个大脑却能存活,这听起来非常不可思议。但现实中真的存在这样的一批人,他们因为癫痫等疾病而不得已切除了一侧的脑半球。许多在儿童时期进行手术的人,不仅健康地成长了,大脑活动和功能都与常人无异,而最新发表在《细胞报告》的研究还发现,这些人剩下的一侧大脑的神经网络连接要更活跃,更紧密。


撰文丨杨心舟



少了半个大脑的人


Elena Peral从外表看来与普通人并无两样,她看起来身材匀称,谈吐也非常自然,并且还经常展示她标准的露齿笑。她日常有着正常的社交,保持着积极的生活态度,甚至还在儿童肿瘤中心找到了一份工作。但当Elena进行核磁共振扫描时,扫描图像就能清晰地展示出她与常人的不同,扫描图中的她明显少了半个大脑。


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Elena Peral


这种脑半球缺失并不是天生的,而是医生为了规避一些极端大脑疾病风险,别无选择的办法。Elena还是婴儿的时候就展现出了不同于常人的表现,比如她只用左边的手臂撑着地板爬行,右边的手臂习惯性地放在胸前。等到她18个月大时,Elena就开始遭受严重的癫痫折磨,而这些病症随着年龄增长越来越严重,甚至转变成强直痉挛等可能致命的症状。


脑部检测结果显示,Elena的左侧大脑会持续地释放不正常的电信号,这种电信号会经常突然性地爆发,并且越过分隔左右半球的胼胝体,最终对正常的右侧大脑造成影响。在连续4年服用药物的保守治疗宣告失败后,Elena的主治医生和父母迫不得已选择了切除她的左侧大脑。


术后,Elana的各种病症立即得到了改善,再也不会产生癫痫和肢体不协调。有人也曾怀疑,她带着半个大脑是无法长大的。但Elena现在不仅已经成年,并且活得与正常人一样,如果不告诉对方,很难有人能想象到面对面交谈的人只拥有一半的大脑。


现实中,还有一些如同Elana的人,在别无选择地情况下放弃了自己的另一半大脑。而最早一批被执行大脑半球切除术(hemispherectomy,HS)的人在90年前就出现了,当时的神经外科医生Walter Dandy为5名患有脑胶质瘤的病人移除了长有肿瘤的半侧大脑。受到启发,到了上世纪30年代,医学界也开始将半脑切除术引入用于治疗半侧瘫痪和癫痫。


当时的技术还谈不上有多精湛,通常是觉得哪一侧大脑有问题就直接对其进行完全切除。因此,患者预后也参差不齐,比如Dandy执行手术的5名患者中,4名都没能活过3个月。但随着科学界对大脑生理结构的了解,以及核磁共振和脑电技术的发展,医生能够更精准地切除所需的部位,尽管名称仍沿用着大脑半球切除术,但手术中也并非一定要切除整个半脑。


现在,大多数进行该类手术的人群都是幼儿或者儿童。原因就在于儿童的大脑可塑性会更强,因此即使完成了切除术,剩下的一半大脑可以及时适应,重新发育并完成代偿功能。实例也证明,儿童执行大脑半球切除术后效果最好,在意大利神经外科医生F.Guzzetta进行的5例儿童HS手术中,4名都持久性地摆脱了癫痫的困扰。



神经网络更紧密的半脑


尽管现在大脑半球切除术已经有一定发展,但像Elana一样的患者,他们的大脑究竟发生了什么转变其实还并不清楚。这也是美国加州理工学院Dorit Kliemann一直在思考的问题。她以前观测到许多奇特的病人案例,比如有些人生下来就没有胼胝体,这意味着左右脑半球的阻隔天然地消失了,但这些人却仍能发展出正常的神经网络。


Kliemann经常会对大脑的高度可塑性感到非常惊讶,或者说非常痴迷。根据那些对大脑半球切除术后的长期跟踪研究,Kliemann更加确定了这一点,比如美国克利夫兰医学中心的Ahsan Moosa,他本身是一名癫痫手术医生,同时他也对115名进行了HS手术的儿童开展了长期跟踪调查,结果显示这些儿童基本都能够在术后恢复高度的认知和感觉运动功能。


还有一些患者在手术时可能会破坏一些与感觉或运动相关的脑区,但是在后续的恢复期,病人都能逐渐重新获得相应的能力。而语言主要相关的半球被切除后,患者一开始会丧失语言功能,但大多数人都能逐渐重拾语言表达能力。这意味着,大脑中控制不同功能的脑区之间的神经网络是能够重塑的。


在最新发表在《细胞报告》上的研究中,Kliemann招募了6名幼年接受过大脑半球切除术的成年人,对他们的大脑进行了核磁共振扫描,并重现了这些患者大脑的静息状态神经网络。


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L(左)和R(右)代表着病人被切除的是哪一侧大脑


这6名受试者与另外作为对照的6名正常人被要求以放松的姿态进入核磁共振仪器,因为静息状态下的大脑网络可以排除外界信息的干扰,能更好地展现出原始自发的脑神经网络。Kliemann根据经典的脑模块分类对不同的脑区进行了检测,包括视觉、运动、情感和认知等关键性模块。为了保证结果的准确性,她还用两种不同层级的模块分析方式对受试者大脑展开了研究。


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在实验开始前,Kliemann认为这些移除了半个大脑的人,各个模块之间的神经网络连接要更弱。但是结果却刚好相反,大脑有缺失的人不仅展现出了完整的神经网络联系,并且有些模块之间的联系甚至还要更紧密。从下面的图中可以看出,蓝色的点代表着正常人,而非蓝色的点分别代表了6名做过手术的人。其中大多数病人不同的脑区模块内部(within)的联系几乎与常人无异,而模块之间(between)展现出了比常人更强的神经网络联系。


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在对不同模块之间进行评估分析后,Kliemann发现与常人相比,有些模块之间的联系确实很强,比如病人大脑的运动控制模块和语言交流模块之间的联系要更加紧密。“看起来这些人的神经网络联系更加紧密了,” Kliemann表示,“这些病人的大脑不仅看起来很正常,6名患者的大脑中的神经联系都有所增长。”



可塑性的谜团


Kliemann的结果首次展示了大脑无与伦比的可塑性,即使大脑缺失了一部分,甚至缺失一半,它都能通过自我重塑来获得丢失的神经网络和特定功能。


尽管现在这一现象仍然难以解释,Kliemann也在论文中也提到了两种可能性,一种是这些病人中产生了一种新的联合通路。按照正常人的大脑来说,分隔左右大脑的胼胝体就是联合通路之一。而这些切除了一半大脑的人很有可能获得了另一种联合通路。而第二种解释就是病人剩下的大脑在半脑内部发展出了替代的神经回路,这一点听上去更加可信,因为它们剩下的大脑神经网络确实更发达了。


当然,无论是哪一种可能,有许多像Elana一样备受癫痫折磨的病人,都已经通过大脑半球切除术从无尽的痛苦中解脱出来。尽管他们付出了半个大脑的代价,但至少他们还活着,仍然能像健康人一样社交、运动和工作。而Kliemann的结果也显示他们剩下的大脑也在展现出了更强、更紧密的联系。


Elena曾表示“我并不觉得自己和别人有什么不一样,”现在看来,她还真有,不同之处就是那有着更强大神经网络的右脑。


原始论文:

Intrinsic Functional Connectivity of the Brain in Adults with a Single Cerebral Hemisphere

https://www.cell.com/cell-reports/fulltext/S2211-1247(19)31381-6