神经外科医生论文题目

研究大脑的方法和技术有很多，想要在一篇专栏里全部囊括进来是不现实的。有专业需要的还是需要翻翻书。韩济生所编的《神经科学（第三版）》开头就是七个章节的方法介绍：形态学方法、生理药理学方法、电生理学方法、光学成像方法、脑功能成像方法、遗传学方法和行为学方法。 虽然内容不是很新，仍有可取之处。这篇文章仅浅显地做一次梳理，重点讲述成像技术。笔者也还是懵懂的学生，写这篇文章参考了老师的授课讲义、许多网络资料和书籍，但可能还是有错误的。如果发现有错，请指正。一、概述行为是大脑活动的外显，但我们无法仅从行为的衡量推测出大脑的活动规律。这不是在否定行为学研究，相反，行为学研究为脑机制研究提供了背景和指导。那么，当今我们有哪些手段能够将行为与脑关联起来？大体上可以分为三类：1. 观察（暂时性）损伤的影响a. 脑损伤b. 基因修饰c. 失活钝化作用（inactivation）2. 观察（干扰性）刺激的影响a. 药物b. TMS，tDCS，DBSc. 训练（training）3. 在行为过程中衡量脑部活动a. 电生理学b. EEG/MEGc. PET/MRIi. 结构性ii. 功能性这些技术手段要解决的问题主要有三个：第一，我们如何同时测量多个区域的活动？有些任务可能同时涉及多个脑区，比如空间知觉、记忆和计划。第二，如何衡量单一运动模式或感觉成分的影响？第三，如何找出脑区之间存在连接的证据？二、脑与认知的关联1. 脑损伤探究认知的神经基础，其主要目标之一，是建立不同脑区与神经活动和认知功能（或认知加工）之间的联系。回答这个问题的方法有很多，其中之一是对脑损伤（brain lesion）病人进行研究，找出脑区与认知加工的关联性（association）和无关联性（dissociation）。Purve's, Cognitive Neuroscience, Chapter 3假设有一组病人的脑区1（图中Region 1）受损，其在进行任务A（Task A，红色柱）时表现出明显缺陷，但在进行任务B（Task B，蓝色柱）时与常人无异，那么说明脑区1与任务A的神经活动之间有关联性，而脑区1与任务B的神经活动之间无关联性。如果能找到另一组脑区2（图中Region 2）受损的病人，他们的任务A表现与常人无异，而任务B明显有缺陷，那么从以上两个结果就可以作为以下结论的强证据：这两个脑区与这两个任务之间存在双重无关联性（double dissociation）。双重无关联性比单一的关联性和无关联性更能说明特定脑区与特定任务神经活动之间的关系，因为单一的无关联性可能是由某个一般因素（general factor）引起的，比如说任务的难度。但是，如果另一种损伤能够提供正好相反的结果，那么就更能说明两个脑区的功能独立性。不过，一般来说，被检验的脑区通常是部分无关联的，但这也能给我们提供很多信息了。这种关联性和无关联性也能从功能性核磁共振成像（fMRI）实验中得到（右图），但不限于脑损伤病人被试，也可以用健康人做被试。后面再讲fMRI的细节。另外，某些脑区损伤、脑部肿瘤或疾病也会导致行为异常，从而揭示该脑区的功能。比较著名的例子是两种失语症（Aphasia），即言语障碍。其一，是因威尔尼克区（Wernicke's area，顶枕颞联合处）受损而出现的言语理解障碍（fluent aphasia）。患者的听力没有问题，但是他们无法理解别人所说的话，自己说的话语法正确但同样欠缺意义。如果你问他们，hey bro，你刚才拿着iPad干嘛呢？他们可能会微笑着“回答”说，“现在他们没有在织什么（right at the moment they don't show a darn thing）。”有兴趣的可以看看这个视频：b站无字幕版：失语症Wernicke's Area受损 YouTube有字幕版：失语症Wernicke‘s area）。某一瞬间，你可能觉得你们处于两个平行时空，正在平行游戏（just kidding）。另一种，是因布洛卡区（Broca‘s area，左脑半球额叶下回）受损而导致的言语表达障碍（expressive aphasia）。患者能够理解你跟他们说的话，但是他们自己没有办法连贯地说一句话，就像牙牙学语的宝宝一样。比如，在解释自己去医院看牙医时，他们会说：“是...阿...星期一...阿...父亲和Peter H(他的姓名)...， 及父亲....阿...医院...及阿...星期三...星期三九点...以及 ，喔...星期二...十点， 阿，医生...两个...医生...及阿...牙齿...对的。”言语障碍还有很多，我记得高中生物书也提到过的，有兴趣的可以查阅一下相关资料。最近在英剧《慈悲街》里也看到有医生提及Paul Broca其人。故事背景刚好发生在Broca的时代吧，挺有意思的（但我还是弃剧了_(:3∠)_）。2. 药物毕竟，脑内涉及相当多的神经化学物质，使用药物进行研究也是一种手段。以人为被试的实验，我了解得不多，只听过用多巴胺做实验的。曾经有段时间（可能现在也仍旧在进行），北师大脑与认知研究所（现在并入心理学部啦）在研究多巴胺对学习的影响（不过这可能只是cover story，谁知道搞心理的心里在想什么，嗯？），给的钱还挺多（见下图招募广告）。药物对行为影响的研究被试招募广告不过，大多数此类实验还是在动物身上进行的。下图是蜘蛛被给予某种药物前后所结的网。猜猜是什么药物？提示：基本上是科研人员、程序员每日必备。答案在评论。蜘蛛被给予某种药物前后所结的网3. 脑深部电刺激术（Deep Brain Stimulation, DBS）目前，脑深部电刺激术已经应用于临床了。它发展于上世纪80年代，是治疗运动性神经系统疾病的新方法，主要运用于帕金森病（Parkinson's Disease，PD）等。它由体内刺激脉冲发放器和体外控制器组成。你可以把它看作脑起搏器，跟心起搏器的不同在于，你可以控制它的开关（心脏不行啊，停了就完蛋了）。以帕金森病的治疗为例，立体定位手术将脉冲发放器植入锁骨皮下，发放刺激的微电极定位于黑质（Substantia Nigra）。患者打开开关，就能给予黑质额外刺激，使其产生多巴胺，从而改善震颤症状。当然，微电极的植入部位视病情而定，也有放在苍白球内核的（关于帕金森病的致病机制此不赘述）。DBS治疗仪器原理示意图我看过患者自录的视频，效果还是很明显的。当开启脑起搏器后，患者的各种动作都很正常，拿东西、做手势都很平稳，然而一旦关闭开关，马上就出现双手震颤等症状了。4. 经颅磁刺激（Transcranial Magnetic Stimulation, TMS）脑功能成像的一般逻辑是：特定任务引发特定脑区激活。EEG和fMRI就是基于这条逻辑。不过，一个命题如果成立，那么它的逆否命题也成立。因此，上述逻辑的逆否命题也是成立的：当我们抑制某个脑区的活动性时，某种任务无法完成。损伤或捣毁某个脑区、给药、利用基因编辑技术抑制或消除特定脑区的活动性，再看行为认知表现，就是基于这一点。不过以人为被试的话，这三种手段是无法通过伦理审查的。而经颅磁刺激（TMS）技术为研究者们提供了一种适用于人的、无创的、干扰特定脑区活动的方法。在特定时刻，特定皮层对应的头皮位置，施加具有一定强度和持续时间的单个或多个磁脉冲，在脑内产生反向感应电流就能暂时地干扰该皮层的功能活动，就能检验该脑区的活动对某个实验任务的完成是否必要。经颅磁刺激有单脉冲（single-pulse）和多脉冲（repetitive）两种模式。由于脉冲作用时间段，一般是不会给被试带来伤害的。我在一次workshop中“玩”过一下TMS，脉冲发放器有点像小樱的魔法棒，拿起来挺重的。这玩意你说不危险吧，其实也有风险的。发放脉冲的时候手一定要拿稳了，不然，万一手一滑，结果抑制了脑干的活动性，出人命了是要赔光经费的。这也是TMS较少用于小脑功能研究的一个原因。TMS的缺点是很明显的。第一，它精度不高。其空间分辨率为厘米量级，不如fMRI；时间分辨率为几十毫秒，不如EEG/MEG。第二，它刺激的部位不够深，只能作用于皮层。虽然大部分神经元位于皮层灰质，但脑中还是有一些深部核团的，而TMS无法影响到它们。第三，运用于小脑研究时有局限。这一点我比较在意，因为我是搞小脑的。小脑的蚓体部分你不敢用TMS抑制啊，人家就在脑干之上。当然，我们基本也不用TMS研究小脑。5. 经颅直流电刺激（Transcranial Direct Current Stimulation, tDCS）tDCS 由阳极和阴极两个表面电极组成（不会插进脑子里的），可以用外部软件控制刺激输出类型，以微弱极化的直流电作用于大脑皮层。tDCS不是通过阈上刺激引起神经元放电，而是通过调节神经网络的活性而发挥作用。它改变的是影响神经元去极化和超极化的膜静息电位，从而改变神经元的兴奋性。阳极刺激引起膜静息电位去极化，从而提高神经元兴奋性，也使它们更容易发生同步放电；阴极刺激引起膜静息电位超极化，降低神经元兴奋性，减少同步放电。这个技术最初是用于治疗抑郁症和其他脑损伤疾病的，后来也用于帕金森病、阿尔茨海默病和精神分裂等。现在，研究发现，tDCS能通过表观遗传学（epigenetic）机制影响海马内脑源性神经营养因子（BDNF）的表达，改变细胞水平的突触可塑性，从而改善了学习和记忆（Podda, 2016）。不过这研究很新，还是在小鼠上做的，还需要更多论证，能不能适用于人的情况也不好说，就算能那啥时候能开发出保健性产品就更难说了，我劝读者淡定。关于涉及脑刺激的实验，研究者应该设置三种实验条件：1）实验刺激条件；2）控制刺激条件；3）无刺激条件（sham condition）。而实际上，许多研究中都缺少了第二或第三种条件。像我这么勇于探索的人，自然也是体验过这个技术的。我参加的那个实验是研究平衡觉的，详细内容就不说了，毕竟人家还没把文章写出来。实验中，他们需要在耳后乳突处安放电极，刺激前庭，使被试产生旋转或平移的感觉。这种流电前庭刺激（Galvanic vastibular stimulation）属于tDCS的一种变式。我参加的时候还不知道啊，做完这个实验后还跟主试小姐姐说，好好玩哦和你呆了一下午真开心呐。第二天小姐姐的师妹来问我要不要参加tDCS的一个实验呀，我查了查翻译，说“哎呀那个听起来太刺激了呀我就不去了”……感觉伤害了小姐姐的师妹。好了，回到主题上来，主试施加电流的时候，我听得见“哒”的一声“电的声音”，然后口腔内有些难以言说的奇妙感觉，然后就感觉到自己在旋转或平移——但实际上并没有，因为我的身体被固定住了。由于涉及前庭，有些人会觉得很难受，有恶心、呕吐等情况，但我觉得一切OK。三、衡量脑部活动性1. 直接的电生理记录 （Direct electrophysiological recording）电生理手段记录的是单个神经元的放电活动，可以进行胞外或胞内记录。膜片钳是一种很重要的电生理记录方式，具体的原理和方法可以写出一本书来。活体（in vivo）记录只在动物身上进行，体外（in vitro）是可以用人类的脑组织碎片的。在脑部肿瘤相关研究中，研究者们可以与医院神经外科合作，让医生们在切除脑部肿瘤的时候通知他们去取新鲜的肿瘤组织，然后尽快用人造脑脊液（artificial cerebrospinal fluid, ACSF）在适宜条件下培养，并进行电生理记录。这些切除下来的肿瘤组织往往还带有一些周边的健康脑组织，后者就成了肿瘤组织的“健康”对照。有些神经元很好记录，比如浦肯野细胞，还有些神经元的记录难于上青天，分分钟令研究者怀疑人生。最近，我的督导在进行小脑深部核团神经元的patching，一整个下午patch不到一个细胞的情况也是有的。刚来实验室的时候，我去观摩他patching，观摩了两小时。督导等到下午五点，仿佛大赦，慈眉善目地催我赶紧回家看书预习第二天功课。出门后，师兄跟我说，你督导为了顾及男人的面子，实在不想让你看他重复失败了，其实他等你一走，就会骂屎摔桌关仪器走人了，毕竟我也这样。但后来我发现，我督导真的很拼命，有时挣命patching到午夜。2. 脑电图（Electro-encephalography, EEG）脑电技术可以写若干本书出来。在此只是蜻蜓点水，拣我知道的说一说。脑电图应该是比较常见的脑部成像技术了。记录脑电信号的时候，要在头皮上安放多个电极，以收集该电极位置下随时间变化的多个皮层神经元同步放电的信号。毕竟电极那么大，只有当它底下的神经元同步放电时才能收集到电信号，不然，单个神经元的电信号就相互抵消掉了。这也得感谢我们的皮层神经元是按照同向柱状结构排列的，不然横七竖八什么也记录不到的。电极的数量有单导、8导、32导、64导，甚至还有256导。这么常用的脑研究手段，我当然也体验过啦。五年前的被试价格大概是每小时50～60元，一般一次俩小时。要洗头，去掉影响导电性的头皮屑，然后戴帽子打电极膏（edible）降电阻。期间可以出现各种各样的情况（帽子坏啦软件崩啦电阻降不下来啦），十分磨练研究者的耐心和意志。做被试的时候，打电极这一步是非常好的睡觉的时机，戏精一点的人可能会觉得自己在做头部SPA（I‘m kidding）。记录时可选择耳后电极作为参考，也可以选择用平均参考电极作为参考。眼睛上下方的电极用于记录眨眼，以消除伪迹。一般来说，主试一般都会要求被试在静息时不要想任何事情，尽量放空。说实话，有时候这对被试来说很难。因为有些被试闭上眼睛就想睡觉，比如我，所以后来我基本也不去当脑电被试了，以免干扰人家的数据，阻碍了人家发paper赢奖金走上人生巅峰的路。这也勉强还好，说想睡觉其实也不会睡着的。但有一天，我听一个朋友倾诉，他那天去做脑电被试赚零嘴钱，一进门就被主试小哥帅气的脸深深吸引，静息的时候脑子里全都是乱七八糟不堪入目的画面，完全没法克制。为小哥的数据点蜡，同时提醒各位，选主试要慎重。言归正传（我跑题了吗？挠头）。EEG的电极所记录到的信号包含了多种频率的脑电波，进行功率谱密度（Power Spectral Density, PSD）分析，可得到不通频率的波的能量分布。这是一种传统的频域分析方法。某些脑区可能低频波更大更多，某些脑区可能主要是高频波。低频波往往意味着缺乏意识（比如睡眠阶段），高频波一般意味着高活动性。功率谱密度分析利用小波分析（wavelet decomposition）或滤波器（filter）可以获得EEG节律波，可粗略将其划分为五个波段（wave bands）：活动或唤醒时候出现的Gamma波，频率于30Hz，比如说，现在正在看这篇文章的你，脑子里应该是这样的波；当然了，如果没有那么高的活动性，或者比较冷静，那么应该是Beta波，频率在16～30Hz之间；放松状态下为alpha波，频率在8～15Hz之间；困倦状态下为theta波，频率在4～7Hz之间，比如，上课听不懂的时候，满脑子都是这种波；深度睡眠（非快速眼动阶段）的时候为Delta波，频率小于4Hz，本科的形政课上，我脑内基本都是这种波。我在高三期间接受过心理放松疗法，当时咨询师会在念指导语时播放所谓的alpha波音乐，来帮助我达到一种放松的状态。至于究竟有没有效果，我说不好，因为……当时没有戴EEG的帽子哈哈哈哈。另外，有研究报告说，在冥想时，与普通人相比，佛教和尚更容易出现高度清醒的Gamma波（Davidson et al., 2008）。可以说很有意思了。大概冥想是真的有用吧，但是需要坚持练习才有效果。经过包括滤波、矫正、平均叠加在内的大概10个步骤，最后可以得到不同刺激条件对应的事件相关电位（Event-related potential, ERP），从而建立刺激与应答之间的关联（stimulus response association）。一个ERP波形由一系列峰谷组成，这些电压波动反映的是若干基础或潜在独立的成分之和。如何设计ERP实验，使这些潜在独立成分能够被测量出来，是实验成功的关键。一般，在呈现视觉刺激后，首先会出现早期视觉成分C1；其次出现P1族，它具有注意效应，但受到刺激对比度的影响，而N180成分一般与错误加工有关；后面出现的P3族成分最为关键，它是内源性成分，受注意的影响。对有需要的读者，推荐几本入门读物，这里不展开了：研究及实验逻辑、基础：Steven J. Luck写的《事件相关电位基础》，目前华东师大出版社已经出版了范思陆、丁玉珑、曲折和傅世敏合译的译本；入门：赵仑写的《ERPs实验教程》；数据分析方面：魏景汉和罗跃嘉写的《事件相关电位原理与技术》。如果把每个电极/线圈随位置上的波形信息综合到一起就可以绘制出头皮表面电/磁场强度随时间变化的地形图。那我们能不能根据这些信号计算出它们的“源”空间分布？这就是脑电的“逆向问题（Inverse problem）”。很难，它的解其实有无穷多个。根据"源"分析中事先所设定的边界条件多少，我们通常可以在研究论文中看到“偶极子定位（dipole localization）”和“电流密度分布(current density distribution)”两种“源”分析模型。后者更适合研究大脑高级认知加工过程。但这种源分析得到的空间分布精度很低，远比不上fMRI。EEG厉害的地方在于时间精度，为毫秒量级。3. 核磁共振成像（Magnetic Rsonance Imaging, MRI）-原理- （以下部分译自Principles of neural science, 5th edition, chapter 20）我们知道，原子核有自旋（spin）运动，而自旋在外加磁场中会发生磁化（nuclear magnetic resonance）。1949年，Erwin Hahn发现，核磁共振的消退随该物体的化学组成而变化，这是fMRI的原理基础。MRI扫描仪由几个部分组成：1）能产生巨大磁场的超导磁体。身体里的每一个水质子都会绕轴旋转，就像一个小小的条形磁铁一样。一般来说，水质子的旋转方向都是散乱无规律的，所以身体组织的净磁场为零。但是，如果施加一个磁场，那么质子的自旋方向就对齐了。2）高频线圈（radio frequency coil，RF coil），一种设计独特的线圈，环绕着被试。根据安培定律（Ampere's law）RF线圈中短暂、快速变化的电流信号会产生一个快速变化的磁场。这第二个磁场与扫描仪中的主磁场叠加。RF线圈发出的电流称RF脉冲（RF pulse）。由RF脉冲产生的磁场使质子发生进动（precession）运动，即其自旋轴也在绕另一个轴旋转。将个体体内所有水质子活动叠加，其进动运动会产生一个随时间而变化的旋转磁场。依据法拉第定律（Faraday's law），这会在RF线圈内产生一个变化的电流。而MRI测量的就是这个电流。3）磁梯度线圈（magnetic gradient coils）。这个线圈是为了3D成像而加的。具体不赘述了。-fMRI-功能性核磁共振（functional Magnetic Resonance Imaging, fMRI）主要衡量的是每个体素（voxel）内脱氧血红蛋白（deoxyhemoglobin）的相对含量。当神经元处于激活状态时，该区域的含氧血供应增加。由于某种未知原因，供应的含氧血红蛋白量比局域耗氧量要多，因而导致该区域的含氧血红蛋白与脱氧血红蛋白的比值升高。含氧血红蛋白和脱氧血红蛋白有着不通的磁特性。当氧分子从血红蛋白上脱落时，血红蛋白中的铁离子暴露出来。因此，脱氧血红蛋白会在周围产生一个不均匀的磁场。所以靠近这些脱氧血红蛋白的水分子所处的磁场就与别个不同了。而，磁场越不均匀，质子的横向磁化强度衰减时间（T2）越短。如果某个脑区的血氧含量较高，那么该处磁场更均匀，T2更长，成像的光点更亮。写累了，扯一扯闲话。话说，一台核磁共振仪价值几百上千万人民币，占用场地的钱还得另算。平时看到医院的大烟囱冒出白雾，就是在冷却核磁共振仪。2013年那会儿，使用两小时fMRI就得花掉2000元经费，被试费的价格是300元俩小时。实验要求被试身上不得含有金属仪器，什么镶金牙、起搏器等等的就不要想了，会出事的。毕竟磁场那么大。到了实验室之后，由主试带着一条一条询问、签署知情同意书，然后去试衣间脱下所有衣服（内裤大概是不用脱的），换上他们给的实验服（大概是病号服）。进入仪器房间前还要再用金属探测仪再检查一遍身体。呆在核磁共振仪里面，空间非常狭小，无法翻身，所以有幽闭恐惧症的也不能参加这种实验。实验中，机器的声音非常非常大，主试要给被试戴耳塞的。有一次，我的主试忘记给我耳塞了。我在实验开始前呼叫，但是主试好像并没有听到，于是我带着巨大的担忧和恐惧在进行各种认知任务。我每一秒都在担心下一秒是不是就聋了_(:3∠)_。在进行实验时，研究者至少要设计两个间隔进行条件（矩形设计），任务条件和控制条件，后者可以为静息态。然后将任务条件下的信号平均叠加，选择兴趣区（Region of interest, ROI）进行分析。另外，在呈现多种刺激时，可以使用事件相关设计，但是事件与事件之间的间隔应不少于5秒。因为fMRI的冲击响应方程提示我们，刺激之后的4～6秒，fMRI信号才达到峰值。-structural MRI-结构性核磁共振（Structural MRI）一般有两种应用。一种是基于体素的形态学分析（Voxel based morphometry, VBM），另一种是衡量连接性的弥散张量成像（diffusion tensor imaging, DTI）。VBM是一种以体素为单位的形态测量学方法，可以定量检测出脑组织各组分的密度和体积，从而能够检测出局部脑区的特征和脑组织成分的差异。它也可以得出某脑区体积与行为之间的关联性。我们可以举个论文题目当例子：《大脑局部灰质体积与戒烟结果的关系——基于体素的形态学分析》（钱微等，2014）。还有人研究了自由派和保守派的前扣带回和右侧杏仁核体积的对比（Kanai et al., 2011），还有显著呢，发在Cell子刊Current Biology（IF：）上，大家自己批判性看待结果吧。Kanai et al., 2011也有研究表明，网络成瘾越久，背外侧前额叶、腹侧前扣带回和辅助运动区皮层灰质体积就越小（Yuan et al., 2011）。Yuan et al., 2011几十年前，人们就发现MRI能够测量谁扩散程度上的差异。DTI就是在此基础上发展起来的，它能够描述脑内白质纤维束每一点的局域方向。这是因为白质由许多轴突组成，而水分子沿白质纤维束反向扩散的速度是垂直方向速度的3～6倍。4. 正电子发射断层成像（postron emission tomography, PET）PET是基于对放射性示踪原子核进行检测的成像技术。被试需要被给予一些能发射正电子的原子核标记物，也就是C、O、N等原子的同位素，比如C11葡萄糖溶液。放射出来的正电子与周围粒子碰撞失去动能之后将与物质中的自由电子结合发生堙灭过程，从而释放出一对反向的光子（gamma 射线) 。 这样的光子能够被周围含有闪烁晶体( scintillator ) 的 gamma射线探头所检测到。因为每个正电子堙灭产生两个光子 ，所以 PET 扫描仪中只采用两个同时探测到的gamma射线以确保只有同时产生的反向光子才被检测。相关的两个探头的连线确定了正电子所在的直线，以便用数学的方法来重构出断层图（韩济生，2006）。右图是PET成像图。基本上，PET的实验设计和fMRI的矩形设计是一样的。但是和MRI相比，它的时间分辨率比fMRI还要糟糕（最好的是EEG），空间分辨率比MRI差一点，但也还行了。而PET技术所需的放射活性标记物也带来了一些优缺点。优点是它能够标记不通的化合物，比如葡萄糖，或者氧分子。缺点在于它有放射活性。而且非常耗时，不能重复多个任务，或者说多个任务之间所需的间隔时间很长。四、结语下图是不同脑研究技术的时间精度和空间精度大致分布图。其实还有好些研究大脑的手段还没有提到。比如在动物身上做的各种免疫组化示踪等，透明脑成像图是非常酷炫的（发文章的话会很好看）。以后有机会可以再说。每种研究手段都有它的优缺点，至少目前还没有十全十美的技术手段。在解释用这些技术得到的结果时，要谨慎、批判地去看待那些数据。