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用计算精神病学来研究大脑

领头图片©Ulia Koltyrina / Adobe Stock

一些额外的设备被推进了手术室,看起来就像ACL音乐节的巡回演出员滚进来的东西。这里的管理员是研究人员岸田健(Ken Kishida)和贾森·怀特(Jason White),他们等待着在计算精神病学这一前沿领域开展前所未有的工作。

这位患有帕金森氏症的病人来到贝勒医学院接受深度脑刺激——在他们的大脑内放置微型电极,帮助缓解他们的症状。

在手术室里,病人的头部被一个钢环牢牢地抓住,就像圣诞树支架一样。

医生用局部麻醉剂麻醉病人的头皮(讽刺的是,这是最疼的部分),当头皮充分麻木(手术过程中病人必须保持清醒,以防止脑损伤),皮肤被切掉,露出一部分头骨。

怀特不敢相信这个钻头看起来有这么大。

手术小组在颅骨上钻了一个镍大小的洞,然后切开下面的薄膜,露出大脑。在这里,一个机械装置将插入一根金属管,将微小的电极插入到位。

这是岸田文雄和怀特一直在等待的时刻。这就是事情…嗯,有意思。

他们动作迅速,调整电脑显示器,让病人可以玩游戏,同时外科团队将一个特殊的探针插入颅骨。探针产生可控电流,测量大脑化学反应,并将数据传回电脑。

经过分析,这些数据将首次揭示在清醒的、有意识的人类大脑中多巴胺的测量结果。

现在是2009年,神经科学和精神病学可能已经永远改变了。

计算精神病学:将思想转化为数字

瑞德·蒙塔古上过很多学校,其中三个上七年级——永远的新生。

其中一所学校给了蒙塔古一本小册子。漫画的正面,孩子们在思考复杂的问题:“我是谁?”我从哪里来?”终于!他想,他将有机会了解这些存在主义的问题,那些他一直在努力解决的问题。

他没有在乔治亚州的一所中学找到答案。

从那以后,他就一直在跟踪它们——这就是为什么岸田文雄和蒙塔古的研究团队怀特最终来到休斯顿的手术室。从那以后,他们已经收集了近100次,几乎是在神经冲动的时间尺度上,对大脑化学的观察,而神经科学已经逃避了这么长时间。

我们对大脑的某些方面了解得相当透彻——例如,区域边界和功能,或者神经元的结构,神经元携带电脉冲,就像电力线一样。我们知道神经元之间有突触,电流无法通过这些间隙。

相反,这些脉冲会触发某些被称为神经递质的大脑化学物质,从而在间隙中执行动作。我们了解它们在大脑中的跳跃,以及它们如何在大脑中被使用和丢弃。但我们对这些信息的表现形式和处理方式知之甚少;神经递质到底在做什么?

突触是小;它们的神秘之处是惊人的巨大。脑细胞之间的空隙就是我们知识上的空隙。

蒙塔古看起来是那种能引领你进入未知世界的人:低俗小说英雄的放荡魅力,无烟煤般飘拂的头发,以及在椅子上猛地向后一靠的那种自信延迟刹车赛车

他的人类神经成像实验室(HNL)坐落在弗吉尼亚州西南部的蓝岭山脉,在那里,小福特嘉年华加速斜坡,就像第一次约会一样紧张。在深秋,山峦之外仿佛没有别的世界,野鸡的色彩斑斓。在一颗明亮的星星下面是罗阿诺克岛,美国的故乡弗吉尼亚理工大学弗拉林生物医学研究所蒙塔古是那里的一名研究教授。

该实验室是计算精神病学领域的世界领导者,该领域将计算机科学原理应用于精神病学。

为了深入研究,计算精神病学试图将客观数据应用于主观感觉。HNL的科学家正在使用机器学习和大脑成像来创建疾病诊断模型、干预指南和成瘾训练工具

蒙塔古的团队正在测量大脑执行任务时,神经递质是如何实时变化的——增加、减少或原地不动。

我们对大脑的某些方面——区域边界和功能——了解得相当透彻。但我们对这些信息的表现形式和处理方式知之甚少;神经递质到底在做什么?

他们用令人称奇的“快速扫描循环伏安法”来测量这个。大脑化学物质在给定电压下有一个峰值反应点。当电流从探针发出时,化学测量就会产生独特的峰值——就像线形图上的尖峰——当它们到达这些反应点时。

问题是,不同化学物质的特征可能极其相似,基本上与人眼相同。用传统的方法——通过人类分析——来识别它们就变得主观了。

这就是机器学习的用武之地。通过用经过验证的数据训练机器学习算法(称为“地面真相”),研究小组可以准确地识别电化学特征。该算法也可以在相同的数据集中找到不同的神经递质。

幸运的是,HNL的高级研究员杰森·怀特(Jason White)说,这个团队不需要再做一次手术来寻找新的神经递质数据。已经收集的数据可以被算法扫描到新的东西。

2019年的一篇论文显示,首次测量血清素并不需要更多的手术。该团队训练算法搜索从2012年到2016年在他们的新外科合作伙伴维克森林浸信会医院收集的数据。

传统方法无法进行这些测量,这是阻碍蒙塔古研究的主要原因。团队承认这一点;用传统的方法,这是不可能的。

“通过对数据进行机器学习,我们能够做一些以前认为不可能的事情,”岸田健说。现在,沿着蜿蜒的维吉尼亚和北卡罗莱纳的边界走几个小时的维克森林,他仍在与蒙塔古合作。

脑化学的基础科学

机器学习告诉我们的是基础知识。多巴胺,血清素,去甲肾上腺素——我们知道大脑化学物质对我们的日常生活有巨大的影响。任何服用过百忧解的人都可以证明,旨在改变它们的药物会使我们的思想、感觉和身体产生巨大差异。

蒙塔古说:“但我们唯一需要了解的(神经递质)是行为端点。”如果这是生物学的话,我们应该只研究甲虫的颜色和形状,而不是它们的DNA。我们关于脑化学的知识也同样广泛而粗糙。

蒙塔古和岸田文雄说,直接开始测量人类的大脑化学物质让一些科学家感到不舒服。为什么不先在啮齿动物身上做这些测量呢?蒙塔古有个简单的反驳——你为什么要这么做?

啮齿类动物的大脑与人类的大脑不同。他们相信,如果我们想要了解人脑是如何工作的,只有对人脑的测量才能做到。

弗吉尼亚理工大学的里德·蒙塔古是计算精神病学领域的领军人物,他现在正在钻研“侵入性精神病学”——在DBS手术中插入探针,以接近实时的方式测量多巴胺和血清素等神经递质,这是首次进行此类读数。图片由弗吉尼亚理工学院和州立大学提供。

弗吉尼亚理工大学的里德·蒙塔古是计算精神病学领域的领军人物,他现在正在钻研“侵入性精神病学”——在DBS手术中插入探针,以接近实时的方式测量多巴胺和血清素等神经递质,这是首次进行此类读数。图片由弗吉尼亚理工学院和州立大学提供。

岸田文雄说:“我们收到的反对意见是,‘哦,不,你不应该研究有大脑疾病的人。’”因为他们不同于神经正常的大脑;健康的啮齿动物或非人类灵长类动物会更好。“在我看来,从表面上看,这很荒谬。”

首先,像脑深部刺激这样的侵入性手术并不适用于完全健康的大脑——这将是多么勇敢的志愿者啊!-第二,有障碍的人类大脑仍然是人类的,而猴子或老鼠的大脑是……不是。(蒙太古和岸田文雄指出,人类也可以同意。)

杰森·怀特(Jason White)认为这一信息之所以重要,正是因为它来自人类患者。“这些是宝贵的数据集,”怀特说。“这是一些做过手术的最好的人捐赠的。”他,蒙塔古,岸田文雄,以及整个实验室的人都明白,这些病人为了脑科学的进一步发展,要花更多的时间让自己的大脑真正地暴露在这个世界上,所做出的牺牲。

对于蒙塔古和岸田文雄来说,这是理解大脑最基础的科学。我们大脑化学物质的工作方式本质上就是我们的工作方式。了解什么神经递质在什么浓度下是活跃的,以及它们如何相互作用,可以解开精神健康障碍和神经疾病背后的生物学。

“我们可以在你告诉我们之前,就通过这些调制器来破译你的感受。”

阅读蒙太古,博士。

西奈山伊坎医学院(Icahn School of Medicine at Mount Sinai)神经科学和精神病学教授海伦·梅伯格(Helen Mayberg)说:“如果你知道哪些细胞以特定的化学性质与其他细胞交流,你就可以从理论上理解疾病,设计出特异性更高的治疗方法。”

“这意味着你可以在短期内让人们感觉更好,并减少副作用。”或者,你可能会想出治疗人们的方法,因为你了解问题的根本本质。”

这可能会导致新的,更有针对性的药物。在许多情况下,精神病药物是偶然发现的,Mayberg说。医学被开发出来是为了别的东西,被发现对精神疾病有益,并被逆向工程找出它是如何工作的。蒙塔古的研究小组已经收集了服用ssri类药物的患者的数据,并与未服用ssri类药物的患者进行了对比。

蒙塔古描绘了在不久的将来,当思考不同的任务时,可以在大脑的多个位置测量各种神经递质。然后,科学家就能知道当你在做不同的事情时,比如改变情绪的行为,你的大脑里发生了什么。

蒙塔古说:“在你告诉我们之前,我们就可以通过这些调节器来解码你的感受。”

想象一下,一个多学科的团队——比如,一个物理学家、一个心理学家、一个精神病学家和一个哲学家——对数据进行思考和解释。

蒙塔古说:“我们可以预测做这件事和做那件事时你的感受。”

训练算法从他们当前的数据中梳理出去甲肾上腺素的信号——蒙塔古称之为“三大”大脑化学物质中的最后一种。他们也在调整他们的测量技术,这样已经用于脑深部刺激的探针就可以同时做两项工作并进行测量。让手术团队更容易地进行测量是至关重要的:要建立准确的图像需要大量的数据。

岸田文雄最初进入神经科学领域,是因为他看到一个朋友在与精神健康问题作斗争。他想要了解更多关于意识和自由意志的知识,但发现哲学有缺陷。在神经科学领域,他希望解开造成如此多痛苦的现象。

岸田文雄说:“我对这些化学系统如何促进我们的意识和主观体验很感兴趣。”

这项研究甚至可以为蒙塔古中学小册子中的深层次问题提供答案。

他的终极目标是非常雄心勃勃的东西,计算精神病学的终极梦想。他想发表一篇像《DNA的形状》一样震撼世界的论文。

他说:“我希望能够记录下来——理解分解某人的思想意味着什么。”

“思想是这样的。”

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