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大脑部分缺失却不影响认知功能:揭示大脑惊人的可塑性与补偿机制

2023-07-16 09:30 综合报道 bioguider.com 阅读 0
核心摘要: 本文报道了两位女性大脑部分颞叶缺失但认知和语言功能正常的罕见案例,及麻省理工学院团队利用功能性核磁共振成像研究大脑如何通过功能重组和补偿机制适应结构损伤,揭示了大脑惊人的可塑性和多样化的适应策略,为脑损伤康复提供了新视角。

你绝对想不到 Elyse G. 的大脑里竟然有一块拳头大小的神经组织完全缺失。

在日常生活中遇见她,你很难察觉她的大脑存在如此巨大的异常。然而,脑部扫描显示,在她左耳附近的颞叶区域,存在一个宛如墨水泼洒般的黑洞,缺少白质、灰质及血管组织,完全被液体填充。

Elyse 直言:“你不必是神经外科医生,也能看出我大脑缺少了一个重要部分。”

科学家尚无法确定这一缺失的具体成因,推测可能是出生前后发生的中风导致该部分脑组织坏死并被液体替代。令人惊讶的是,Elyse 的妹妹 Martha M. 也有类似的颞叶缺失,但位于大脑的另一半球。两人均未表现出语言或认知障碍,生活行为完全正常。

59岁的 Martha 直到青少年时期才发现自己大脑异常,而61岁的 Elyse 则在研究生期间得知此事。麻省理工学院认知神经科学家 Evelina Fedorenko 团队首次接触到这对姐妹时深感震惊,并开始对她们进行深入研究。

一张 gif 图像,显示了 Elyse G. 的 MRI 扫描结果,以及她左侧大脑的一大块缺失。
Elyse G. 大脑的MRI切片堆叠图,左侧颞叶缺失形成明显黑洞。图由FEDORENKO实验室提供。

2016年,Elyse 主动联系 Fedorenko 实验室,表达了对自己大脑异常的研究兴趣。她的左颞叶缺失挑战了传统认知科学对语言功能定位的认知,因为左颞叶被认为是语言处理的关键区域。

Fedorenko 团队利用功能性核磁共振成像(fMRI)技术,观察 Elyse 在执行语言、推理及空间任务时大脑的活动分布。结果显示,Elyse 的语言功能主要转移至右半球,且左额叶虽完好但未表现出语言活动,提示语言区域的发育依赖于颞叶的完整性。

此外,Elyse 缺失了典型的阅读相关脑区,研究发现她通过视觉皮层的神经网络实现了阅读功能,显示大脑具备非典型的功能重组能力。

这一发现引发了广泛关注,促使更多拥有非典型大脑结构的人士参与“有趣的大脑项目”,该项目旨在通过扫描和行为测试,探究大脑如何适应不同类型的结构缺损。

截至目前,该项目已扫描30余名参与者,发现他们大脑存在不同程度的组织缺失或结构异常,包括囊肿、脑积水及胼胝体发育不全等。这些异常多源于围产期中风、先天发育异常或后天损伤。

玛莎·M. 大脑的核磁共振扫描,右侧有一个大的黑色部分。
玛莎·M. 大脑右侧颞叶大部分缺失,可能因子宫内中风所致。她在语言和认知测试中表现正常。由FEDORENKO实验室提供。

研究表明,大脑的可塑性使其能在结构受损后通过功能重组维持认知能力。例如,围产期中风儿童的语言功能往往转移至右半球相应区域,形成左半球语言区的镜像。

然而,大脑的恢复能力存在个体差异,部分患者可能仅表现轻微功能障碍,而另一些则可能终生残疾。科学家们正通过个性化神经影像学研究,探索针对不同大脑损伤的精准康复策略。

Fedorenko 团队希望通过持续扫描和行为评估,揭示大脑在面对空间和功能损失时的多样化应对机制,推动神经科学对大脑可塑性和认知重组的理解。

这项研究不仅挑战了传统对大脑功能定位的认识,也为脑损伤康复提供了新的科学依据,彰显了人类大脑惊人的适应与重塑能力。

正如 Elyse 所言:“我的大脑很特别、独特且有趣,我很高兴它能帮助科学家们更好地理解人类大脑的可塑性。”

“我希望他们明白,他们正在读的论文是关于这个人的,而不是一个没有实体的罐子里的大脑。”

—— Elyse G.

此外,研究团队还报道了其他参与者的非典型大脑影像,包括因囊肿、脑积水及胼胝体发育不全导致的结构异常,这些个案均表现出不同程度的功能补偿和认知正常。

  • ES 大脑的 MRI 扫描,大脑中部有一个大的和两个较小的黑斑。
    ES的大脑异常可能由蛛网膜囊肿、脑积水及胼胝体发育不全引起。ES为言语病理学教授和研究员。由FEDORENKO实验室提供。

研究团队指出,大脑的听觉系统存在一定冗余性,单侧听觉皮层缺失并不必然导致听觉功能障碍,这进一步证明了大脑功能的灵活重组能力。

尽管大脑具有惊人的可塑性,但其恢复能力并非无限,损伤的类型和时间点对功能恢复影响显著。未来,个性化神经影像学和针对性干预或将成为脑损伤康复的新方向。

Fedorenko 团队正积极推进该项目,计划在近期发表更多研究成果,期待为神经科学和临床康复提供重要理论依据。

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