只剩一半大脑会怎样?6个罕见病例首次揭示:半个大脑也能“全职”工作

生物医学
只剩一半大脑会怎样?6个罕见病例首次揭示:半个大脑也能“全职”工作
麻省理工科技评论 2019-11-30

2019-11-30

半个大脑也能“全职”工作?
技术 大脑 人工智能
半个大脑也能“全职”工作?

一个人如果只有半个大脑会怎样?

答案不可思议,只有半个大脑的人仍然能够像正常人一样,拥有基本的生活和认知能力。

近日,美国加州理工学院的研究人员对 6 名只有半个大脑的成年人进行了深入研究。这 6 名研究对象在童年时期因癫痫治疗而切除了一侧大脑半球,通过对这些看似正常人的患者进行脑部磁共振(MRI)扫描成像,结果发现切除了半个大脑的患者之所以能够维持正常的生活能力,是因为这些人的大脑剩余部分能够进行自适应调整,在不同功能的神经网络之间形成了异常强烈的神经连接。

也就是说,这些只有半个大脑的人,进行自我调整后有着更强的神经网络连接,仅用半个大脑就可以实现完整大脑的基本功能,从而保障了这些患者的正常生活能力,包括完整或基本的语言、视觉、运动、情绪和认知等功能。

只剩一半大脑会怎样?6个病例揭示:半个大脑也能“全职”工作

图 | 大脑半球切除术患者 MRI 扫描图像(来源:Caltech Brain Imaging Center)

完整研究结果于 2019 年 11 月 19 日发表在《细胞报告》(Cell Reports)杂志上。

加州理工学院博士后、研究论文第一作者 Dorit Kliemann 说,“我们研究的大脑半球切除术患者,他们的大脑都保持着的令人惊讶的‘高’功能,他们拥有完整的语言技能,当我把他们放进 MRI 扫描仪时,我们还进行了简短的交谈,就像我扫描过的其他正常人一样。当你第一次见到他们时,你也几乎不会意识他们的真实情况。但当我坐在电脑前,看到这些 MRI 图像显示出他们只拥有半个大脑时,还是让我感到不可思议,无法想象这些半脑图像就来自我刚才看到的能够正常说话和走路的那个人。”

美国卡内基梅隆大学 (Carnegie Mellon University) 的认知神经学家 Marlene Behrmann 评价道,“这就像你需要乐队里所有不同的成员一起演奏,才能演奏出同步、连贯的音乐。而现在就像是大脑中原本专门负责吹小号的部分,与乐队的其他成员进行了交流,并承担了演奏打击乐器的额外责任。这些人的大脑网络似乎是多任务的。”

只有半个大脑的人

大脑半球切除术(Hemispherectomy)是一种主要适用于儿童顽固性癫痫的外科手术,涉及全部或部分切除患病的大脑半球或使患病的大脑半球与未患病侧断开连接。

1928 年,世界上首例大脑半球切除由 Walter Dandy 为治疗恶性脑瘤而完成;后来,科学家们发现大脑半球切除术在患有大脑畸形、顽固性癫痫或只对一半大脑造成损害的疾病的儿童身上也能够适用,1938 年 Mckenzie 报道了首例切除大脑半球来治疗婴儿偏瘫伴顽固性癫痫,术后癫痫发作停止,行为改善,偏瘫未加重。

让人惊讶的是,许多接受了大脑半球切除术的孩子,不仅恶性疾病得到了治疗,而且能够恢复正常走路、说话、阅读等大脑功能,具备日常工作和生活能力。

据 2013 年的一项研究,通过回顾性研究 1997 年至 2009 年之间进行过半球切除术的 186 名儿童历史数据和分析这些儿童长期功能结局,发现 83%的患者术后能够独立行走,70%的患者拥有令人满意的口语能力,而且大约有 20% 的患者在成年后找到了有收入的工作。

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图 | 大脑半球切除术(来源:clevelandclinic.org)

“有时候一个非常小的大脑损伤,比如中风、自行车事故或脑瘤手术这样的创伤性脑损伤,都会产生毁灭性的影响。但值得注意的是,有些人即使只有半个大脑也能存活。”Kliemann 说,“大脑的可塑性非常强。它可以弥补大脑结构的巨大损失,在某些情况下,剩下的神经网络可以支持几乎常规的认知功能。”

在最新的加州理工学院大脑半球切除术研究项目,研究人员试图理解大脑神奇“重组”的原理,以期望找到更加针对性的干预策略,来帮助更多的脑损伤患者。

在该研究中,所有 6 名参与者都是 20 多岁和 30 岁出头的成年人,但他们接受大脑半球切除术手术的年龄范围很广,从 3 个月到 11 岁不等,这也让研究人员得以深入研究不同受伤时期的大脑是如何自我重组的。

除了 6 名接受过大脑半球切除手术的成年人外,该研究参与者还包括 6 名对照组成员,他们被要求躺在磁共振扫描仪中,保持放松,但尽量不要睡着,并跟踪他们的大脑活动。

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图 | 6 名接受过大脑半球切除术的患者大脑 MRI 图像(来源:Cell Reports)

研究人员还观察了大脑中控制视觉、运动、情绪和认知的区域神经网络,还将加州理工学院脑成像中心收集到的数据与大脑基因组学超级结构项目 (Brain Genomics Superstruct Project) 中约 1500 个典型大脑的数据库进行了比较。

研究人员表示,他们以为可能会发现只有一个大脑半球的人在特定的神经网络中连接会较弱,因为许多这样的神经网络通常涉及正常人的两个大脑半球。但没想到的是,他们发现了令人惊讶的正常的全脑连接,以及比不同区域网络之间的控制更强的神经连接。

研究结果显示,在接受过大脑半球切除手术的 6 名患者中,7 个大脑分系统似乎都工作正常,而且这些大脑系统之间的连接甚至比六个大脑完整的对照组受试者之间的连接还要强。例如,大脑中控制行走的部分似乎比功能正常的大脑更频繁地与控制说话的部分进行交流。

研究人员猜测,这种比正常情况下更强的神经连接,可能有助于解释这些术后大脑是如何弥补缺失部分的功能。

不可思议的大脑

加州理工学院认知神经学家、该研究的作者之一 Ralph Adolphs 说,“每当我们看到他们的脑部扫描图时,我们都会感叹,‘哇,这个大脑不应该能够工作。’如果一个系统,它有很多部分,它们的功能相互依赖,比如心脏,你把它分成两半,它就不会工作。你把我的笔记本电脑切成两半,它就坏了。”

大多数大脑神经网络使用两个半球来运作。例如,面部识别涉及大脑皮层的两侧,其它的技能,比如移动四肢的能力,则是由大脑的两边来处理的,右半球控制身体左侧的运动,而左半球控制右臂和右腿。

但是研究人员发现,虽然只有一个大脑半球的个体之间的神经连接类型保持不变,但负责处理感觉运动信息、视觉、注意力和社交暗示的不同区域加强了现有的联系,与普通大脑相比,它们之间的交流更加频繁。

Kliemann 表示,“尽管失去了整个大脑半球,但我们发现了与拥有两个半球的健康大脑相同的主要大脑网络。”这些患者的神经网络本身看起来没有异常,但所有 6 名患者的神经网络连接水平都有所提高,似乎这些神经网络正在进行更多的合作。

这一结果对研究人员来说都是鼓舞人心的,对于大脑在半球切除术后是如何适应和重组的了解,可能会带来让人们从常见的脑损伤中加速恢复的新方法。

接下来,研究人员希望复制和扩展这项研究,以便更好地了解大脑如何发展、如何组织自己,以及如何在具有广泛的大脑非典型性的个体中发挥作用。

当然,该研究对于许多仍在忍受癫痫折磨的儿童患者和家属来说,来也带来了巨大的希望和鼓励。

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图 | 只有一半大脑的患者,可以具备正常人的基本生活能力(来源:YouTube)

“我认为有越来越多的证据表明,大脑可塑性是一种持久的现象。”克利夫兰诊所 (Cleveland Clinic) 的儿科神经学家 Ajay Gupta 博士说。

一直以来,科学界的共识是大脑半球切除手术最好在儿童 4、5 岁之前进行。这样,随着年龄的增长他们可以恢复正常的功能。Gupta 表示,虽然神经可塑性在幼儿时期更强,但新的研究表明,治疗手术不应该被设置任何的截止日期。

“在患者接受治疗之前,另一个半球已经不得不承担额外的责任。”加州理工学院的神经学家、该研究的合著者 Lynn Paul 说,“当你取出受损的大脑半球时,它还会继续这样做。所以我们真正想要的是保护起作用的半球。”

当然,8 小时的手术并非没有风险。Gupta 表示,手术必须小心地切除脑组织,一次切一部分,即使只留下一小块组织,也可能最终导致癫痫再次发作,影响大脑的健康部分,还有持续头痛和脑部积液的风险。

手术后,这些儿童切除大脑半球对侧的手臂会明显变弱,手术侧的视觉会受到阻碍,也会失去一些识别声音来源的能力。“有些事情确实需要更高水平的恢复和学习。比如,阅读、写作和数学。”Gupta 博士说。

值得提到的是,这项研究的部分资金来自一个非盈利组织 (brain recovery project),该组织的创始人之一 Monika Jones 夫人,其第一个儿子 Henry 出生后不久患有一种罕见的神经疾病,使得他的大脑一侧异常巨大,每天要忍受数百次癫痫发作。Henry 从 3 个半月大的时候开始,就经历了几次手术,最终在 3 岁的时候,Henry 进行了半脑切除手术。

Monika Jones 夫人和她的丈夫建立这个组织,也是为了支持那些需要通过手术来阻止癫痫发作的人。而这项研究的发现,也有望为那些想要在儿童早期进行半脑切除术的人提供鼓励。

Jones 希望进一步的研究,以及随着时间的推移跟踪更多的病人,将有助于研究人员了解大脑如何发展和组织自己,这些信息也可以帮助为大范围的脑损伤和疾病患者提供有针对性的干预措施。

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