一位洛桑联邦理工学院的科学家确定了构成我们大脑指纹的大脑活动迹象,这与我们的常规指纹一样是独一无二的。

洛桑联邦理工学院官网10月18日消息

“我每天都在想它,晚上做梦也梦到它。我这样的生活已经有5年了,”Enrico Amico说,他是洛桑联邦理工学院(Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne ,EPFL)医学图像处理实验室和EPFL神经修复中心的科学家和瑞士国家科学基金会(Swiss National Science Foundation ,SNSF) Ambizione 研究员。他说的是他对人类大脑的研究,尤其是对大脑指纹的研究。他了解到,我们每个人的大脑都有一个“指纹”,而且这个“指纹”会随着时间不断变化。他的发现刚刚发表在《科学进展》(Science Advances)杂志上。

研究于2021年10月15日发表在《Science Advances》(最新影响因子:14．136)杂志上

Amico 说:“我的研究检查了大脑内部的网络和连接,特别是不同区域之间的连接,以便更好地了解大脑是如何工作的。我们主要使用MRI扫描来测量给定时间段内的大脑活动。”

他的研究小组对扫描结果进行处理,生成以彩色矩阵表示的图表,这些图表总结了受试者的大脑活动。这种类型的建模技术在科学界被称为网络神经科学或大脑连接组学。

我们需要的所有信息都在这些图表中,它们通常被称为“功能性大脑连接体”( functional brain connectomes)。连接体是神经网络的映射。它们告诉我们受试者在MRI扫描时在做什么——例如,他们是否在休息或执行其他任务。我们的连接体根据正在进行的活动和大脑的哪个部分正在被使用而改变,” Amico 说。

Dimitri Van De Ville 和 Enrico Amico 博士

只需要两次扫描

几年前,耶鲁大学(Yale University)的神经科学家在研究这些连接体时发现,我们每个人都有一个独特的大脑指纹。对比同一受试者相隔几天进行的MRI扫描生成的图像,他们能够在近95%的情况下正确匹配给定受试者的两次扫描。换句话说,他们可以根据大脑指纹准确地识别一个人。Amico 说:“这真的令人印象深刻,因为识别只使用了功能连接体,本质上是一系列相关分数。”

他决定将这一发现向前推进一步。在之前的研究中,大脑指纹是通过持续几分钟的MRI扫描来识别的。但他想知道,这些指纹是否能在几秒钟后被识别出来,或者它们是否出现在某个特定的时间点——如果是的话,那一刻会持续多久?到目前为止,神经科学家已经通过相当长一段时间内的两次MRI扫描确定了大脑指纹。但是,指纹真的会在5秒钟后出现吗?还是需要更长的时间?如果不同大脑区域的指纹出现在不同的时间点呢?没有人知道答案。所以,我们测试了不同的时间尺度,看看会发生什么。”

功能性脑连接体图

只需1分40秒就能拿到大脑指纹

他的研究小组发现,7秒不足以探测到有用的数据,但大约1分40秒就足够了。Amico 说:“我们意识到,大脑指纹展开所需的信息可以在很短的时间内获得。例如,不需要MRI来测量5分钟内的大脑活动。更短的时间尺度也可以。”他的研究还表明,最快的大脑指纹开始出现在大脑的感觉区域,特别是与眼球运动、视觉感知和视觉注意力相关的区域。随着时间的推移,与更复杂的认知功能相关的额叶皮层区域也开始向我们展示每个人独特的信息。

下一步将是比较健康患者和阿尔茨海默病患者的大脑指纹。Amico说:“根据我的初步发现,随着疾病的发展,使大脑指纹独特的特征似乎在稳步消失。根据人们的连接体来识别他们变得越来越难了。这就好像阿尔茨海默病患者失去了他们的大脑身份。”

沿着这条思路,潜在的应用可能包括对大脑指纹消失的神经疾病的早期检测。Amico的技术可以用于自闭症患者、卒中患者,甚至是有毒瘾的患者。“这只是理解我们大脑独特之处的又一小步,这种洞察力可能创造的机会是无限的。”

参考文献

Source:Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne

Our brains have a 'fingerprint' too

Reference:

Dimitri Van De Ville, Younes Farouj, Maria Giulia Preti, Rapha?l Liégeois, Enrico Amico． When makes you unique: Temporality of the human brain fingerprint． Science Advances, 2021; 7 (42) DOI: 10．1126/sciadv．abj0751

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