這位神經科學家用自己做實驗，首次量化了人類大腦
羅素·波特拉克教授（Russell A. Poldrack）並不完完全全是一個普通人。他同樣要每天吃早飯、喝咖啡、上班，看起來跟普通人沒什麼兩樣。但是，在很長的一段時間裡，他都會花很大功夫仔仔細細地記錄他平凡而日復一日的生活。
像很多人一樣，他會留心自己每天吃什麼，但是他會記錄下自己吃的任何東西。像很多人一樣，他的情緒也會有高有低，但是他每天都會多次通過回答問卷的形式，嚴格記錄下這些情緒。
還有一點他和大多數人不同，那就是：在過去的一年半里，每周二和周四，他都會接受一次核磁共振掃描。
作為神經科學家的波特拉克教授，既是這項全程量化的「自我實驗」（self study）的首席實驗人員，也是唯一的實驗對象。近日，國際頂尖期刊《自然通訊》(Nature Communications)發表了波特拉克教授教授為這項實驗撰寫的題為《對同一實驗對象長期神經學及生理學表現的研究》（Long-term neural and physiological phenotyping of a single human）的論文。
回復15，可下載論文
論文標題中提到的「同一實驗對象」，就是波特拉克教授本人。雖然波特拉克教授也許並不能代表最普通的人，但是他希望自己足夠普通，因為這樣的話，這項主要試圖分析他本人大腦活動的研究，也許會有助於引導未來的研究者更好地從事相關研究。
羅素·波特拉克教授的大腦
隨著人們不斷改變，大腦會跟著變化嗎？
基於勞里·弗里克多年睡眠腦電圖製作的雕塑
現供職於斯坦福大學的波特拉克教授，曾任德克薩斯大學影像研究中心主任。當時住校藝術家勞里·弗里克（Laurie Frick） 的作品，是波特拉克教授開始這項研究的靈感之一。勞里·弗里克是一名「數據藝術家」（data artist），她將自己的睡眠和運動記錄用激光切割的紙和木頭表現出來，呈現出一幅幅多彩的畫面。在她名為「瞥見藝術作品裡隱藏的語言」（Seeing the hidden language in art）的TED演講中，她這樣解釋道：
「我選擇直接記錄數據。我用Fitbit智能手環記錄步數，用Wi-Fi智能體重秤每天記錄體重，吐痰在試管中以方便提取DNA片段，用數據收集軟體ManicTime記錄我的筆記本電腦上的所有行為。同時，我還用手機記錄我去的任何地方，用電子郵箱記錄我在互聯網上的交易情況，記錄我吃的任何東西，以及胃的舒適程度。」
「諸如此類，」勞里羞澀地說，把觀眾都逗樂了，「但我就不一一列舉了，免得讓你們覺得我過於瘋狂了。」
在同一個TED演講中，弗里克還提到對她作品的研究，甚至幫助一些和她共事的科學家拓寬了研究視野與邊界。例如，她提到了一位神經科學家曾非常有針對性地問她：「勞里，你身上真的有那麼多數據嗎？」
波特拉克教授對待弗里克的藝術作品的態度截然不同。他在和弗里克交流過後，對記錄他自己身上的數據更加感興趣了，而且他的記錄方法更為嚴密、精確。
但要說明的是，波特拉克教授絕不是（或者起碼絕不僅僅是）由於自戀才進行這項研究計劃。雖然包括弗里克在內的很多人都曾記錄過他們的行為、情緒、脈搏和飲食，但還從來沒有人記錄他們自己或者其他人的腦部的變化。
波特拉克教授真正想要記錄的，其實是「神經連接組」（connectome）的變化。神經連接組連接著神經元，而神經連接組和神經元的關係，就如同基因組和基因之間的關係一樣。連接組決定著生物體的神經結構，類似於所有生物神經系統的「通訊組織」。神經連接組裡包含著大量決定我們是誰，我們為什麼有這樣那樣的情緒以及我們為什麼如此行動的原因，就像基因組一樣。
神經細胞科學家所研究的神經連接組，是以費大力氣精心搭建的、包含了大腦所有神經細胞的3D圖譜的形式顯示出來的。不出所料的是，世界上唯一擁有完整的神經連接組3D圖譜的生物，是一種大腦極其小的秀麗隱桿線蟲
可是，在波特拉克教授所擅長的人類神經科學中，神經連接組3D圖譜並沒有那麼精確。「在現有的技術下，我們看不清活體人腦中那些微小的物質，」波特拉克教授解釋道。作為替代，人類神經科學家普遍採用核磁共振技術，跟蹤人腦各部位的血流量，以判斷哪些部位處於活躍狀態。「通過核磁共振技術跟蹤血流量的過程中」，波特拉克教授說，「神經科學家們得以非常清晰地看到人腦的哪些部位運動是同步的，並且觀察到各部位協同運動的模式。」根據這些觀察，神經科學家就可以推斷人腦的哪些部位是連通的。
雖然很多研究者都曾將神經連接組作為他們研究的對象，在波特拉克教授之前很少有人跟蹤觀察過神經連接組隨時間變化的規律。而要想讀懂神經成像數據，就必須首先解決這個問題。正如波特拉克教授研究項目的官方網站所指出的：「人們無時無刻不在變化著。當他們變化的時候，他們的大腦也在變化。」
但是，波特拉克教授告訴我們：「就我所知，除了零星幾次核磁共振成像，沒有人曾經對任何實驗對象進行過更多的研究。」
美國國立衛生研究院贊助成立的神經精神病學及表型組學聯盟主席羅伯特·比爾德（Robert Bilder）曾於2013年表示，波特拉克教授的研究將消除人腦研究學界的一個盲點：
「即使在以往神經科學家對同一大腦進行掃描次數最多的研究項目中，掃描間隔也多達數周、數月甚至數年。因此，我們完全不知道人腦日復一日的變化的規律。羅素的研究雖然不能告訴我們這一規律，因為他的研究對象只有一個人腦，但是我相信，他的研究一定會給出我們一個大概的脈絡出來。未來我們定會更加清楚地觀察到人腦日復一日的變化，得出其變化的規律。」
「我的神經連接組」
一台核磁共振儀
從一開始，波特拉克教授就知道他會獨立完成這項實驗，因為他深受現代科學悠久的自我實驗者的傳統影響。以自己為實驗對象同樣有其優點在：最主要的就是，波特拉克教授可以從自己身上採集到比從任何其他人身上更多的數據。
這麼說的原因有很多，比如說：通過以自己為實驗對象，波特拉克教授可以繞過倫理審查委員會關於不得採集無關數據的禁令。倫理審查委員會審查、監督並且規範著涉及人的科學實驗。通過以自己為實驗對象，波特拉克得以採集到一般而言被視為具有「侵犯性」的數據。這些數據大多可用於未來進一步研究，不受一個局限性的假設限制。
「如果我的實驗對象太多，那我就必須花心思去解釋我所做的事情的原因，」 波特拉克教授解釋道，「以自己為實驗對象使得我有充分的自由去嘗試做我認為將會有用的事情。」
同時，波特拉克教授深知他所希望採集數據的總量將會非常之大，但他應該是地球上最有動力的實驗對象了。「我知道我肯定會比任何其他的實驗對象更加嚴謹認真，」波特拉克教授說，「我必須非常努力，採集到我想要採集的數據，這樣才能證不負眾望。」
他補充說：「事實上，通過這項實驗，我認識到，如果實驗對象不像我這麼投入的話，將會很難進行下去。」
波特拉克教授將他的實驗命名為「我的神經連接組」，部分原因是他希望人們不要再稱之為「羅組·波特拉克組」。
一幅為方便科學分析而被分成不同「部分」的人腦圖示
波特拉克教授是從2012年秋天開始採集數據的，他採集的數據包括：情緒、機敏度、壓力水平、飲食狀況、酒精攝入量、睡眠狀況、脈搏、牛皮癬病情嚴重程度、肌肉疼痛程度等等。同時，他也會簡要地記錄每天發生的事情。
「我之所以選取這些數據，主要是因為我知道如何去記錄、採集，或者是因為我憑直覺認為會有用的，」波特拉克教授說，「同時，我也要盡量限制數據的總量，以免過於龐大。可是慢慢地，我還是對這些事情失去了耐心。」
而且，他還會每兩周接受兩次核磁共振掃描。這個過程也很讓他不舒服。雖然每一次掃描都只花10分鐘，但單單是機器的噪音就讓他夠嗆。到研究快結束前，他已經共計接受了104次掃描。每周二接受完核磁共振掃描後，他還會接受一次血液檢查。檢查的其中一個目的，是監測日復一日白細胞里基因表達的情況。「在經濟情況允許的範圍內，我們做盡了所能做的一切，」 波特拉克說。他們的研究得到了德克薩斯大學非限定用途基金的支持——波特拉克教授未能得到專項研究經費。「有一些數據採集雖然我們可以做，但因為太過昂貴還沒有做。」
未能採集到更多的數據，也許竟是件好事。2014年春天，波特拉克教授終於採集完了足夠的數據。接下來，他把精力投入到了整理和分析這些數據的工作上。「當我開始這項工作時，我沒有想到數據分析會有多難，」波特拉克教授回憶說。
概念驗證
波特拉克神教授經連接組圖示
波特拉克教授發表於《自然通訊》的論文詳細列出了他通過這些蔚為壯觀的數據中得出的觀察。其中最主要的發現是，一個人的神經網路似乎真的會隨時間推移而改變。
「認知神經科學通常假定，對一個人大腦功能某時某刻的掃描、測量，可以代表這個人的整體情況。但是我們已經證明了大腦功能豐富的瞬時變化……這意味著大腦功能研究的範圍應該擴展到個體大腦瞬時變化的研究中來。」
波特拉克教授強調說，他的研究對象只有一個，所以充其量只是「概念驗證」（proof-of-concept），是對某些想法的一個不完整的實現。雖然波特拉克對神經連接組的研究中得出的任何相互關聯都無法推而廣之，但是某些特有的模式也許會在更加有針對性的研究中得到證實。
論文中強調了一個現象：神經連接組的形狀和攝入咖啡因和早餐的情況有很大關聯。
「最初，我並沒有想打算做這方面的實驗，」波特拉克教授說，「因為要抽血，我每周二都會禁食。但是因為我很喜歡吃早點、喝咖啡，所以其他時候不會禁食。隨著時間推移，我發現這樣的習慣對我的心理狀況影響很大，而且這件事情研究起來會非常有意思。」
未攝入咖啡因和早點時與攝入咖啡因和早點後波特拉克教授的大腦
波特拉克教授的研究團隊還發現了在某些大腦部位間的特定聯繫——尤其是在與運動和視力有關的組織之間。波特拉克教授很震驚地發現：「很有可能當人在疲憊時攝入咖啡因後，大腦的連接性會下降。」找到為什麼會出現這樣的關聯的原因，也許會為未來的研究鋪路。
研究團隊在將波特拉克的核磁共振數據和血檢數據匹配研究時，還得到了一個更加具有突破性的發現：基因表達和大腦功能性連接間有著非常強烈的關係。這個發現太振奮人心了，因為這也許會有助於我們理解神經組織與基因組織之間，以及神經連接組和基因組之間如何互動。他們之間的關聯如此強烈、普遍，足以稱得上是一個重大的發現了，雖然研究對象尚為有限。
「我認為，任何人在看到我的研究結果後，不會說：『哇哦，原來這個基因和這部分大腦組織之間有關係』，」波特拉克教授說，「相反，我的研究應該提供的是一種『概念驗證』，提示著未來更多科學家去研究大腦連接性與基因表達間豐富的關聯性。」
波特拉克教授補充說：「在神經科學裡，我們沒有任何辦法去解釋這些關聯性，但是我相信我的發現中一定有一些不是漏判。」他計劃研發一款專門的軟體，繼續在他所擁有的數據間尋找關聯性。
公開的人類神經連接組數據
羅素·波特拉克的另外一面：從外面看
在他的研究結束後，波特拉克教授的生活終於可以過得不那麼嚴格了。他已經停止記錄每天生活的細節，停止每周二周四的核磁共振掃描。他將同我們的會面訪談的時間定在了周二一節瑜伽課後。
「某些時候，撰寫這篇論文非常振奮人心，」波特拉克教授說，「但也有時候，他會覺得非常沮喪。我仍然覺得這篇論文沒有達到我的預期。這是我的科學研究生涯裡頭一次覺得這麼沮喪。」
波特拉克教授感到沮喪的部分原因與科學研究並無關係。波特拉克教授最初設想，除了得出一些有科學突破性的發現外，他還可以解除關於他生活習慣的一些困惑——比如，攝入哪種食物後，他的牛皮癬病情會加重。作為科學史上最具個人色彩的研究之一的唯一研究對象，他有這樣的預期非常合理。但是，他並沒有那麼走運。
「這項研究最有趣的地方就在於，我的生活並沒有因為我的研究有任何改變，」 波特拉克教授說。
波特拉克教授失敗的原因在於他在採集大量數據前沒有設定一個適當的假設，這對於所有試圖「量化自我」的人來說都是一個教訓。他最初設計這項名為「我的神經連接組」的實驗時，目的是採集越多數據越好，以便後期加以研究。雖然他在研究過程中有過一些假設，但他沒能有效地把採集而來的數據整理、歸納，以回答他的那些困惑。所以，當他試圖用數據去解決這些困惑時，他完全不知從何處下手。
當然還有其他讓他感到沮喪的地方。波特拉克教授說雖然他的論文已經發表了，但是還應該對他採集來的數據做更多的分析。他希望自己不是唯一一個在做相關研究的神經科學家。他已經將他手機來的幾乎全部數據都公諸於眾了——他的每周血檢結果、飲食狀況、情緒狀況以及大腦圖示等等。
「我曾與我的同事討論過是否要把這些數據公諸於眾，」波特拉克教授說，「尤其是涉及到基因信息的數據。但在最後，我決定我值得這麼做。」
「的確存在風險，也許會有人利用我的基因信息然後合成我的DNA，然後陷害我，」波特拉克教授說，「但另一方面，也有人可以利用我的數據進行研究，並且找到我說，「嗨，我們發現了你的牛皮癬受哪些因素影響了。你需要改變你的飲食習慣了。」此外還會有人受激發開展自己的相關研究：越多人看到我的數據，他們有發現的可能性就越大。像弗里克一樣的藝術家甚至還會用我公開的數據製作出一件感人、美妙的作品來呢。
儘管如此，他還是保留了一些數據的——比如他的日記並沒有公開。還有一些數據他最初在記錄、採集時就認為過於私自了。「我公開的數據以及非常之多了」，波特拉克教授說，「我相信我有權利拒絕回答別人關於我性生活情況的問題。」
關於他所公開的數據，波特拉克教授還指出，作為一個終身教授，他的地位頗為特殊。但他並不擔心這些數據中的任何一項，據她了解會影響他工作的安全性以及他的健康保險。
「如果有人敢公開這些信息，那我也敢，」他說：「衷心希望我這樣做會有好的結果，我的示範作用，會帶動更多人這樣做。」
如果其他人願意像波特拉克教授一樣為自己的神經連接組繪製圖像，那麼波特拉克教授的數據就發揮其作用了。雖然波特拉克教授的神經連接組隨時間推移變化並不明顯（他自己也承認自己是一個性格、生活比較穩定的人），但他相信那些經歷更為廣泛、情緒更為豐富的人的神經連接組隨時間推移變化一定相當明顯。
同時，波特拉克也早考慮恢復記錄、採集數據，以掌握「一些健康問題的答案」。其實，他比較關注的是營養問題。波特拉克說他現在終於知道需要採集哪些數據，以及探究飲食習慣對牛皮癬病情的是否影響以及如何影響的辦法了。但是，在經歷了那麼長時間的自我數據記錄、採集，這位「完全量化自身的科學家」說他還是需要鼓足勇氣。正如他說的，「我必須想清楚，再決定是否再經歷一次『量化自身』。」
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