神经科学家修改MRI扫描仪以研究婴儿大脑的运作

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  神经科学家修改MRI扫描仪以研究婴儿大脑的运作

  2017年1月12日

  在成人中,大脑视觉皮层的某些区域优先响应特定类型的输入,例如面部或物体 - 但是这些偏好的出现方式和时间长期困扰着神经科学家。

  帮助回答这个问题的一种方法是研究非常年幼的婴儿的大脑,并将它们与成年大脑进行比较。然而,在MRI机器中扫描清醒婴儿的大脑已经证明是困难的。

  现在,麻省理工学院的神经科学家克服了这一障碍,调整了他们的MRI扫描仪,以便在婴儿观看具有不同类型视觉输入的电影时更容易扫描婴儿的大脑。使用这些数据,研究小组发现,在某些方面,婴儿大脑的组织与成人的组织惊人相似。具体而言,响应成人面部的大脑区域在婴儿中也是如此,对场景作出反应的区域也是如此。

  “这表明存在比我想到的特定皮层区域最终具有特定功能的更强的生物学倾向性,” Rebecca Saxe是大脑和认知科学教授,也是麻省理工学院麦戈文脑研究所的成员。

  Saxe是该研究的资深作者,该研究发表在1月10日出版的Nature Communications上。该论文的主要作者是前麻省理工学院的研究生Ben Deen,他现在是洛克菲勒大学的博士后。

  MRI适应

  功能磁共振成像(磁共振成像)是研究成人脑功能的首选技术。然而,很少有研究人员接受了试图扫描婴儿大脑的挑战,特别是当他们醒来时。

  “婴儿和MRI机器有非常不同的需求,”萨克斯指出。 “婴儿想要做两到三分钟的活动,然后继续前进。他们希望坐在一个舒适的位置,并负责他们正在看的东西。“

  另一方面,“MRI机器想要大声和黑暗,并且有人按时出现,一直保持静止,注意一件事两小时,并严格遵循指示”,她说。

  为了使婴儿的设置更加舒适,研究人员对MRI机器及其通常的实验方案进行了一些修改。首先,他们建造了一个特殊的线圈(MRI扫描仪的一部分,充当无线电天线),允许婴儿在类似汽车座椅的座椅上倾斜。

   婴儿脸部前面的镜子允许他或她观看视频,并且机器中有空间供父母或其中一个研究人员与婴儿坐在一起。

  研究人员还使扫描仪比典型的MRI机器噪音小得多。 “它比一个响亮的餐厅更安静,”萨克斯说。 “婴儿可以听到他们的父母通过扫描仪的声音说话。”

  一旦4到6个月大的婴儿进入扫描仪,研究人员就会在扫描婴儿的大脑时不断播放电影。但是,他们只使用了婴儿积极观看电影时的数据。从扫描17名婴儿26小时开始,研究人员从9名婴儿那里获得了4小时的可用数据。

  相关故事为什么大脑中的黑色素瘤可能更糟?研究人员创造了大脑自身免疫系统的新图谱哥伦比亚研究人员揭示了为什么一些胶质母细胞瘤对免疫治疗有反应这一数据让麻省理工学院的研究小组能够研究婴儿的大脑如何对特定类型的感觉输入作出反应,以及将他们的反应与成年人的反应进行比较。

  “重要的问题是,成年人的大脑是如何拥有你在成年期看到的结构和功能的?怎么会这样?“萨克斯说。 “这个问题的答案很多将取决于能够看到婴儿大脑在行动的工具。我们越能看到,我们就越能提出这样的问题。“

  不同的偏好

  研究人员展示了婴儿视频中的微笑儿童或室外场景,如从移动的汽车看到的郊区街道。区分社会场景和物质环境是我们的大脑在解释世界时所做的主要高级别划分之一。

  “我们提出的问题是关于你如何理解和组织你的世界,以视觉为主要方式,让你进入这些截然不同的心态,”萨克斯说。 “在成人中,有大脑区域更喜欢看面孔和社会相关的东西,以及大脑区域更喜欢看环境和物体。”

  扫描显示,婴儿视觉皮层的许多区域对成人大脑中的场景或面部表现出相同的偏好。这表明这些偏好在生命的最初几个月内形成,并驳斥了这样的假设,即需要多年的经验来解释世界,以便大脑发展它在成年期显示的反应。

  研究人员还发现婴儿大脑对视觉刺激的反应方式存在一些差异。一个是他们似乎没有在成人大脑中发现具有“高度选择性”的区域。这意味着这些区域更喜欢人脸等特征,而不是任何其他类型的输入,包括人体或其他动物的面部。当显示来自四个不同类别的例子时,婴儿的反应也显示出一些差异 - 不仅仅是面部和场景,还有身体和物体。

  “我们相信婴儿视觉皮层的类似成人的组织提供了一种支架,该支架通过经验引导随后的反应细化,最终导致在成人中观察到的强烈专业化的区域”。迪恩说。

  Saxe及其同事现在希望尝试扫描3到8个月之间的更多婴儿,这样他们就可以更好地了解这些视觉处理区域在生命的前几个月如何发生变化。他们还希望研究更年幼的婴儿,以帮助他们发现这些独特的大脑反应何时首次出现。

  资料来源:麻省理工学院