被切除一塊大腦之後，男孩眼中的世界
圖源：Dr. Greg Dunn
利維坦按：儘管人類科學已經發展到了能把我們送上太空的地步，但我們對自己的大腦依舊所知甚少。就目前所言，我們發現大腦並非一個死板的思考器官——在某些特殊情況下，大腦所謂的功能分區並非不可改變，而是像一塊橡皮泥一樣，能夠自我調節、變更分區功能以滿足需求。
打個比方，當說到椅子時我們的第一反應都會是「一個用來坐的器具」，但在需要椅子承載其他功能——比如說放置一本書、一碗面而非一隻屁股的時候，椅子就會「變成桌子」。在本文所介紹的案例中，神秘的大腦功能分區亦是如此。
文/Andrew Zaleski
譯/名越進
校對/何里活
原文/onezero.medium.com/the-brain-that-remade-itself-bcc7b3a43cff
本文基於創作共同協議（BY-NC），由名越進在利維坦發布
文章僅為作者觀點，未必代表利維坦立場
我把手放在主教的棋子上，斜著走了幾格，又放回原處。「我是不是應該換一步棋？」我不禁疑惑著自問。
「如果你拿起了那個棋子，那你就必須走，」我的對手輕輕一笑說道。
好吧。我還是移動了主教。但我已經很清楚地意識到，這盤棋我馬上就要輸給一位12歲的孩子了。
我的對手名叫坦納·柯林斯（Tanner Collins），一位在匹茲堡郊區長大的七年級學生。除了下棋，柯林斯還喜歡玩樂高。他做了一個哈利·波特系列中霍格沃茲學校的樂高模型，那一組模型就放在他家餐廳的一個展示櫃里。他指著模型，要指給我看一個設計缺陷：城堡模型的後側並不是閉合的。他說，「如果你把模型轉過來，背面完全是敞開的。這看起來很蠢。」
無論外表還是言行，坦納·柯林斯都是個隨處可見的男孩。圖源：Courtesy of Nicole Collins
雖然柯林斯似乎和同齡的孩子沒什麼不同，但是他有一點還是和全美國幾乎所有12歲孩子——甚至是全世界的孩子截然不同：他少了六分之一的大腦。
在柯林斯還差3個月滿7歲的時候，外科醫生為他做了開顱手術，並且切除了他大腦右半球三分之一的組織。在這次手術前的2年中，一個良性腫瘤在他的大腦後半區不斷長大，最終達到了一顆高爾夫球的大小。腫瘤造成了一系列嚴重的癲癇發作，這不僅給他帶來了劇烈的偏頭疼，還讓他因此退學。藥物治療並沒能起到什麼作用，而且還讓柯林斯總是嗜睡。到了他進手術室的階段，柯林斯當時每天都會癲癇發作，而且嚴重程度愈演愈烈。柯林斯說，當時他每天都可能崩潰、失禁，有時還會嘔吐。
當神經科醫師告訴柯林斯的父母，尼克爾（Nicole）和卡爾（Carl），他們可能會切除那孩子大腦中與癲癇有關聯的腦區，這對夫妻同意了。「當時無論給孩子換哪種葯，他的神經科醫生都無法控制那個腫瘤，」尼克爾說，「在那個時刻我們是很絕望的……但考慮到他的生活質量，我們認為這手術的益處超過了其風險。」
外科醫生從柯林斯的大腦里切除了全部的右側枕葉（Occipital Lobe），一半的顳葉（Temporal Lobe）。在處理眼球視神經傳來的那些信息時，這些腦葉起到非常關鍵的作用，就是它們讓我們能看到事物。同時，這些區域還有其它的關鍵作用，比如識別面部特徵，識別物品，以及把人或事物的名字一一對上號。在手術前，沒有任何方式能預測術後柯林斯還能不能再看到東西，還能不能認識自己的父母，或者還能不能在術後正常地成長發育。
但神奇的事情發生了：儘管失去了超過15%的腦組織，柯林斯似乎並無大礙。
「我們所觀察到的是，大腦的全部功能從一個半區向另一個半區投射重建（remapping）。」
唯一的壞消息是，他失去了左眼的周邊視覺（Peripheral Vision，即通稱的「餘光」）。這意味著柯林斯永遠得不到駕照了，不過日常中他找到了一個解決餘光盲區的辦法，轉動頭部一點一點掃視房間，這樣就能建立一個全局的視覺圖像。在我一個月前第一次造訪的時候，柯林斯告訴我，「餘光的盲區是並不是模糊的，也不是乾脆一片漆黑，應該說，那部分的景象看起來是完全攪渾在一起的。那就像鮑伯·魯斯（Bob Ross）畫出來的畫。」
鮑伯·魯斯，上世紀80、90年代美國公共廣播電視節目《歡樂畫室》的主持人，魯斯去世後，其節目錄像在Youtube平台頗具人氣。讀者為了理解上文中的比喻，可以從圖中看到魯斯最具其特點的技法和風格，其畫作中大量出現浪花、倒影、晨霧、光暈等內容。圖源：Giphy
今天，在人類大腦變化的相關研究中，柯林斯就像一塊關鍵的拼圖，他可以起到至關重要的作用。因為柯林斯的大腦做到了一個堪稱奇蹟的事情：從嚴重缺損的大腦右側半球那裡，左側半球承擔了整個大腦的責任與任務。
「我們所觀察到的是，大腦的全部功能從一個半區向另一個半區投射、重建。」來自卡耐基梅隆大學的認知神經科學家瑪琳·貝爾曼（Marlene Behrmann）如是說，她已經連續5年多持續檢查柯林斯的大腦了。
而柯林斯正在經歷的情況，可以說是神經可塑性（Neuroplasticity）的一個卓越案例：也就是大腦重組的能力，或者說建立新的連接，甚至在受傷後自愈的能力。神經的可塑性可以加強或者重建腦細胞之間的連接——是這些連接幫助我們學會一門外語，或者學會如何騎車。
大腦具備強大的改變自身的能力，這並不是什麼新發現，人們真正知之甚少的是，大腦到底是如何做到的？貝爾曼就是在這一點上對柯林斯展開研究的。她的研究要解決兩重問題：其一，柯林斯剩餘的這部分大腦能在多大程度上替代被移除那部分大腦的功能？其二，以目前的科學水平，是否能精確到細胞層面描述大腦是如何進行這些變化的？
在此之前，神經可塑性研究已經透徹分析了大腦在記憶、運用語言，或者習得其他能力的時候，是如何形成建立新的神經元連接的（時下一些流行的提高短期記憶能力的大腦訓練遊戲，其實就是以這些研究成果為基礎的）。但是與以往研究不同的是，貝爾曼的研究是一項追蹤研究，而且這是首次對大腦切除手術之後（或腦損傷後）的大腦視覺變化進行了研究。
她說：「這種腦手術後，視覺系統到底會發生什麼改變，對此我們幾乎一無所知，我認為目前的情況就像只看到了冰山一角。」
目前為止，貝爾曼的研究已經顛覆了不少醫學領域的教條。他們建議那些患有癲癇的兒童進行腦外科手術，而不是像柯林斯一家那樣把腦外科手術當作最後的選擇。柯林斯接受的這種手術在當時成功率就已經接近70%，然而直到今天這也是一種很罕見的手術，換句話說，很多遭受相似腦瘤病痛的病人，也許正在忍受著不必要的痛苦。而貝爾曼的研究發現將幫助我們進一步了解大腦的恢復能力，也許比人類在此前積累的所有相關知識都要多。
柯林斯第一次因為癲癇發作而崩潰的時候，他當時只有4歲，由一名保姆看護著。隨著時間推移，他的癥狀越來越複雜，也越來越嚴重。他說：「發病時就好像我的大腦突然凍結了，我變得非常迷惑，而且非常噁心，會嘔吐，接著不知為什麼，我突然就恢復正常了。」
柯林斯的日常是：上學，癲癇發作，崩潰，最後回家。雖然這的確很痛苦，但是在某種程度上，柯林斯的癲癇是因禍得福：藉此醫生得以發現柯林斯的腦瘤正在非常緩慢地包裹住他的一部分大腦。
來自匹茲堡兒童醫院的醫學博士克里斯蒂娜·帕特森（Christina Patterson）是一名兒科癲癇神經科醫生，她參與了柯林斯在這家醫院接受手術的術前準備醫療小組，她說：「我們發現，在所有兒童腫瘤中，這一類腫瘤是最常見的，腫瘤切除基本上是唯一的治療手段。」
然而柯林斯患有的這一類腫瘤，還有更深層的危險——比柯林斯所經歷的那些噁心、頭疼、迷惑更危險——這些腫瘤導致的癲癇有可能破壞大腦中的生物電信號網路。
帕特森醫生說：「我們已經知道兒童的大腦具有一定可塑性，因此我們也在一直嘗試著在癲癇患者的大腦中設定新的程序，來維持他們的正常生活。但是當癲癇發作的時候，癲癇破壞掉的任何生物電信號網路，其實都是正在重建中而且至關重要的大腦活動。」
在我們的大腦中有1000億個神經元，這些神經元細胞之間可以建立成千上萬種連接，通過把生物電信號轉化成化學神經遞質，腦細胞之間就可以實現信息交流。當我們習得新的技能時，大腦的神經元細胞建立起新的連接，同時也鞏固已有的連接，這些都有助於我們對於信息的習得。
大腦的運作方式並不是讓彼此分離的區域各自擔負特定任務，相反地，大腦依靠的是多重神經元網路在多個腦區之間架起信息交流的橋樑（貝爾曼說，一個神經元細胞可以與50000個神經元細胞交流信息）。一旦這個信息網路被摧毀，腦細胞將無法有效地進行信息交流。
拿出一幅美國手機信號公司全美LTE信號地圖，那些信號在地圖上縱橫交錯的樣子，大致就近似腦細胞互相協作的樣子。如果沿用這一比喻，柯林斯的醫生們要做的事，就好像是在重新架起腦細胞的信號塔。
在切除腫瘤的手術之前，柯林斯的醫生們先是在他的大腦表面以及視覺皮層（Visual Cortex）中放置了電極。在接下來的7天中，柯林斯一直躺在醫院裡，電極則繪製了他大腦活動的生物電信號地圖，這張圖向醫生大致標註了癲癇發病源於哪個區域，哪部分腦區可能需要被切除。
雖然柯林斯在術後仍然認得出自己的父母，但是他無法把父母的名字和他們的臉孔對上號。這個問題在幾天後自愈了，這一小插曲還是讓尼克爾和卡爾很擔心：失去了一部分腦區之後，兒子的大腦還能正常運轉嗎？
不妨先來想像一下，翻開一本《尋找沃爾多（Where』s Waldo?）》的書，當你的視線專註於那些人潮擁擠的圖像，事實上你只從書中得到了兩個實際的信號：投射到視網膜上的光線，以及光線所呈現的顏色。「這就是你的眼睛所能捕捉到的全部，」貝爾曼說，「但不知什麼原因，幾乎是在一瞬間，你就是能解釋看到的圖像。」
介紹柯林斯一家與貝爾曼認識的，正是帕特森醫生，而貝爾曼當時正在卡內基梅隆大學的實驗室中研究神經可塑性與視覺的關係，而柯林斯正是貝爾曼研究的最完美人選。
兒童的大腦很年輕，而且仍然處在發育期，因此其神經可塑性潛力也很大。因為柯林斯的腫瘤位置正好是大腦中關鍵的視覺處理位置，因此，貝爾曼可以在長時間內追蹤觀察他的情況，持續監測他理解圖像的能力是否留下了缺陷。在接受手術時柯林斯還很小，他的大腦正處在學習認知面孔能力的關鍵時期，而這一能力最終會在我們的青少年時期經過一些微調後成型。
多倫多大學精神病學家諾爾曼·道伊奇（Norman Doidge）在其2007年出版的著作《自我改變的大腦（The Brain That Changes Itself）》中寫道，大腦發育存在一個關鍵期，這一學說是神經可塑性研究領域最重要的發現之一，對於這個發現我們還要感謝曾經參與研究的小貓。
根據道伊奇在書中的描述，在上世紀60年代，兩位科學家大衛·休伯爾（David Hubel）和托斯坦·威澤爾（Torsten Wiesel）記錄並繪製了小貓的視覺皮層電信號地圖——其研究方法，就像柯林斯的外科手術團隊繪製他的大腦電信號地圖時用到的方法——藉此了解視覺是如何產生的。
在研究中有一個被公認是非常可怕的實驗過程，科學家縫合了一隻小貓的眼瞼。重新打開眼瞼後，他們發現這隻眼睛相對應的圖像處理腦區並沒有發育，因此造成小貓的這一隻眼睛失明，然而這隻眼睛本身並沒有其他生物學上的問題。後續的研究發現，為了讓小貓的大腦相應區域正常發育，它們必須在出生後第3至第8周之間看到這個世界。
然而這項研究的另一個發現更重要——休伯爾和威澤爾也因此獲得了諾貝爾獎。「那隻小貓的視覺腦區雖然被剝奪了外界信息，但這部分腦區並沒有因此沉寂，」道伊奇在書中寫道，「這部分腦區開始處理來自那隻睜著的眼睛的視覺信號，彷彿大腦不想浪費任何一塊『皮質層社區的房產』，並且找到了某種方式重新運作起來。」
在柯林斯的案例中，問題變成了他的大腦左半球是否能擔負右半球被切除的那三分之一腦區的功能，特別是面部識別能力，這通常是由右半球完成的。
「柯林斯的左腦，無論看起來還是其功能都是左腦應有的樣子，不僅如此，通過掃描發現，其左腦與其他孩子的右腦也幾乎一樣。」
從柯林斯快滿7歲時開始，持續了大約3年的時間，貝爾曼大約每半年就要進行一系列測試。在其中一項測試中，柯林斯大約每隔30秒看到一張正臉照片，如果他對這張面孔有印象，他將按照要求按下按鈕。另一項相似的測試中，研究人員使用了房子的照片，如果柯林斯發現一張照片重複出現了，他就按照要求按下按鈕。這兩項實驗都是在一台核磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging）儀器中進行的，這樣貝爾曼可以監控大腦中不同區域的血流與氧氣含量。腦區越活躍，其所處位置的血流就越強。
在上述實驗中，貝爾曼還找到了與柯林斯同歲但大腦沒有異常的兒童進行比較研究。2018年8月，她將研究成果發表於美國《細胞報告（Cell Reports）》雜誌，這些研究成果非常驚人：從神經學角度看，他的大腦功能「完全正常」，在實驗中他並沒有出現微小的時間差，也沒有任何判斷偏差。
上圖展示了對照組中兒童的大腦掃描成像圖，對照組中的兒童年齡都與坦納·柯林斯相仿。圖片顯示的是沒有受到腦損傷的正常兒童的大腦在不同年齡段的成長狀況。圖源：Liu et al., 2018, Cell Reports
在匹茲堡，我和貝爾曼在她家的廚房裡一邊喝咖啡，她一邊給我展示了連續幾年來對柯林斯大腦的掃描結果，並說明了實驗。「當他8歲的時候，你可以看到他大腦的面部識別能力出現了一點曙光，」她說，「到了10歲的時候，你已經可以看到他的大腦左半球與對比研究組中那些孩子的大腦右半球已經非常相似了。」
柯林斯的左腦，無論看起來還是其功能都是左腦應有的樣子，不僅如此，通過掃描發現，其左腦與其他孩子的右腦也幾乎一樣。由於右腦被切除了三分之一，相應的視覺皮質也被切除——也就是失去了看到物體並能理解它們是什麼的能力，以及辨認面孔的能力——而這些能力完全被左腦承擔了。不僅如此，讓貝爾曼著迷的是，左腦能同時平衡兩種能力：識別面孔與識別單詞，後者是左腦原本就承擔的功能。左腦不僅繼續完成原本的職責，還能正常進行來自右腦的新增加的活動，這的確令人驚訝。
上圖展示了坦納·柯林斯的大腦。圖中左側半腦成功地擔負了右側半腦的責任，並顯現了右側半腦的模樣，其特徵與同齡兒童的大腦右側半區幾乎相同。唯一的不同之處，就是那些原本是右腦的責任完全轉移到柯林斯的左側半腦了。圖源：Liu et al., 2018, Cell Reports
換句話說，貝爾曼的研究證明了柯林斯的大腦完成了自動重組，就像休伯爾和威澤爾發現小貓的大腦也做到了類似的事情。
然而大腦到底是如何完成這一壯舉的，這還是一個懸而未解的關鍵問題。通過一種名為彌散張量成像（Diffusion Tensor Imaging）的技術，掃描大腦時可以看到水分是如何沿著大腦中的白質束運動的，貝爾曼發現，白質束中出現了一些隱約的閃光——那是多個神經區域之間進行交流的生物電信號網路——說明這個神經網路真的發生了變化。以往並沒有連接的區域之間出現了新的連接，這是一個神經可塑性支撐受損大腦繼續運轉的例子。可惜科學家仍然不知道到底是什麼誘發白質中的細胞完成了這一舉動。
「我認為等到坦納·柯林斯到了20歲的時候，我們會對大腦的重組了解更多，」貝爾曼說，「精確到細胞層面，那些細胞到底是怎樣發生改變的，也許這件事人類永遠無法探明，我也不知道未來能用什麼方法探明此事。」
每隔3到6個月，柯林斯會回到貝爾曼的實驗室，接受一系列測試、實驗，繼續觀察是或否存在視覺缺陷。貝爾曼希望追蹤研究能帶來更多具有決定性的答案，不只是探明他的視覺系統終於恢復工作了，而是搞清楚其恢復過程。她說：「我們還有很長的路要走，不過我認為這些工作非常令人興奮。」
除了柯林斯，貝爾曼還對另外9名兒童進行著追蹤調查——他們都缺失了左腦或右腦的一部分——其中有8名兒童，包括柯林斯在內，其視覺功能表現是正常的。而那2名視覺功能受阻的兒童，相比其他孩子，在動手術之前他們的大腦曾經遭受過更嚴重的癲癇傷害。
就像柯林斯曾經做過的選擇那樣，在那樣的困境中，必須時刻衡量是否要進行腦組織切除手術。那麼作為家長，面對癲癇傷害，孩子到底成長到幾歲才應該同意這樣的腦組織切除手術呢？要知道，有些時候接受這樣的手術會讓一個人無法理解並繼續使用語言，或者像柯林斯的例子，留下一些視力障礙。
「只有當我們更確定切除大面積腦組織後到底會發生什麼，我們才能更有效地勸說遭受病痛的家庭，」醫學博士泰勒·阿貝爾（Taylor Abel）如是說，她也是一名兒科神經外科醫生，去年夏天她來到匹茲堡兒童醫院與貝爾曼展開合作。「最核心的目標應該是儘可能地組織癲癇發生，並且儘可能早地擺脫藥物，越早越好。因為孩子越早停葯，就能越早回到正常的成長發育軌道上來。」
阿貝爾和貝爾曼指出，甚至有一種可能，柯林斯的大腦在他進行預定的大腦切除術之前就開始重組了。貝爾曼並不能證明此事，因為她對柯林斯進行的所有研究都是在術後開展的。
阿貝爾說：「當你的大腦出現異常並導致癲癇發作的時候，這種異常可以在你接受手術之前就引發大腦重組，或者至少是開始重組。但也有一些情況下，癲癇影響了太多的大腦功能，而大腦無法展開重組。」
貝爾曼說，她的研究目標之一是儘可能多地研究這些兒童，並最終確認是否存在一個接受手術並獲得最佳恢復的理想年齡。貝爾曼說，如果成年人接受與柯林斯類似的手術，想獲得柯林斯這樣的恢復效果是不可能的，因為他們不具備兒童的那種神經可塑性。
對於尼克爾和卡爾來說，接受手術絕對是一個正確的決定。「手術之前發生的那些事情，實在是太可怕了，」尼克爾說，「手術之後，所有那些變化都是變得更好了。他的確留下了視覺缺陷，但所有其他的一切都是變得更好了。」
2017年底，在匹茲堡兒童醫院進行的一次後續核磁共振檢查發現，柯林斯的腫瘤複發了。不過這一次腫瘤只有豌豆大小。過了2個月，在2018年2月份，外科醫生再一次對他做了開顱手術。柯林斯說第二次手術的前景並不會讓他擔心，他只是想讓那個豌豆大小的腫瘤從自己腦袋裡清理出去，這樣就再也不用擔心了。（這次手術很順利，目前他仍然沒有被檢查出任何腫瘤。）
在我和柯林斯這一局象棋比賽的第24分鐘，我把國王移動到棋盤的角落，相當確定自己這一局大勢已去。柯林斯看了看自己所有的白色棋子，又看了看自己的國王所在的位置……
「將軍，」他一邊說，一邊抬眼看我。
真沒想到，是我被將軍了。柯林斯開始分解他的所有招數，復盤自己走的每一步。他似乎忘了我還有個小卒子留在棋盤上。
「我喜歡輸棋，」他說，「但很顯然我也喜歡贏棋，不過能在輸的時候學到一些東西。」
儘管失去了一部分大腦，但是柯林斯仍然在學習中，他的大腦仍然在發育中，並且不斷自我適應——即使並不明顯，它仍然在發生變化。
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「利維坦」（微信號liweitan2014），神經基礎研究、腦科學、哲學……亂七八糟的什麼都有。反清新，反心靈雞湯，反一般二逼文藝，反基礎，反本質。
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