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移动世界。
用计算精神病学来研究大脑

引导图像©Ulia Koltyrina / Adob​​e Stock

一些额外的设备被转身为手术室,看起来像来自ACL节的滚动的道路。这里的道路是研究人员Ken Kishida和Jason White,等待在计算精神病学的出血领域进行前所未有的工作。

这名患有帕金森氏症的患者来到贝勒医学院接受深部脑刺激——将微型电极植入患者大脑,以帮助缓解症状。

在手术室里,病人的头部被一个像圣诞树架一样的钢环紧紧地抓住。

医生用局部麻醉剂麻醉患者的头皮(讽刺的是,最痛苦的部分),当头皮充分用麻木(患者在手术过程中醒来时,防止脑损伤),皮肤被切除到揭示一部分头骨。

白色无法相信钻孔有多大。

外科手术团队通过头骨摸索镍大小的孔,然后通过下面的膜片切片,暴露大脑。这里,机械装置将插入金属管,将微小电极携带到位。

这是岸田文雄和怀特一直等待的时刻。这就是事情发生的地方。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。

在分析后,数据将揭示 - 首次 - 在清醒中的多巴胺测量,有意识的人脑。

这是2009年,神经科学和精神病学可能永远改变。

计算精神病学:转向数字

读蒙塔图去了很多学校,三个七年级三个学校 - 这个新的孩子。

这三所学校之一给了一本小册子。在前面的卡通的孩子们正在考虑复杂的问题:“我是谁?我来自哪里?”终于!,他对自己说,他将有机会了解这些存在主义问题,那些他一直在努力解决的问题。

他没有在佐治亚州中学找到答案。

从那以后,他就一直盯着它们——这就是岸田文雄和蒙塔古的研究团队最终来到休斯敦那间手术室的原因。从那以后,他们已经收集了近100个样本,几乎是在神经脉冲的时间尺度上,收集了对大脑化学的观察,这是神经科学长久以来未能得到的。

我们对大脑的某些方面了解得相当清楚——例如,区域边界和功能,或者神经元的结构,它们像电线一样携带电脉冲。我们知道神经元之间有突触,电流无法通过的缝隙。

反而触发某些脑化学品,称为神经递质,以实现差距的动作。我们了解他们跨越差距,以及它们在大脑中的使用和丢弃。但我们对所代表或处理的信息很少了解;实际上是什么神经递质?

突触很小;他们的奥秘非常茫然。脑细胞之间的间隙是我们知识中的巨大洞。

蒙塔古看起来导致你未知的类型:纸浆小说英雄的摇摆魅力,无烟煤扫一扫的头发,而且沉重地倾斜,靠在他的椅子上,送起了一个延迟刹车赛车

他的人类神经影像学实验室(HNL)被弗吉尼亚州西南部的蓝岭山脉陷入困境,其中福特嘉年华一点加速了倾斜普及的第一个日期。感觉就像在山外没有世界,野鸡在晚秋天上色。在一颗明亮的星星下面是罗阿诺克的家。弗拉林生物医学研究所蒙塔古是那里的一名研究教授。

该实验室是一个名为计算精神病学的领域的世界领导者,将计算机科学原则应用于精神病学。

计算精神病学试图将客观的数据应用于主观的感觉。HNL的科学家正在使用机器学习和脑成像来创建诊断模型的疾病,干预指南和培训工具进行成瘾

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

大脑的各个方面我们可以理解相当不错 - 区域边界和职能。但我们对所代表或处理的信息很少了解;实际上是什么神经递质?

它们用令人敬畏的“快速扫描循环伏安法”来测量这一点。在暴露于给定电压时,脑化学品具有峰值反应点。由于电力脱离探头,化学测量在达到这些反应点时会产生鲜明的峰值 - 就像尖峰一样。

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——通过人工分析——来识别它们变得很主观。

这是机器学习进入的地方。通过培训具有验证数据的机器学习算法 - 称为“地面真理” - 团队可以准确识别电化学签名。还可以验证算法,以在同一数据集中找到不同的神经递质。

幸运的是,该团队不必进行另一项手术,以搜索新神经递质的数据,HNL高级研究助理杰森白色表示。已经收集的数据可以通过算法进行新的算法扫描。

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。该团队对算法进行了训练,使其能够搜索从2012年到2016年在其新合作伙伴维克森林浸会医院(Wake Forest Baptist)收集的数据。

通过传统方法采取这些测量的不可能性是对蒙塔古的工作的主要意义。团队承认这一点;使用传统方法,它是不可能的。

岸田健说:“通过使用这种机器学习方法来处理数据,我们能够做一些以前认为不可能的事情。”现在,在维吉尼亚和北卡罗来纳蜿蜒的维克森林边境,几个小时后,他仍在与蒙塔古合作。

脑化学基础科学

机器学习告诉我们的是基础性的。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影响。任何服用过百忧解(Prozac)的人都可以证明,设计用来改变它们的药物会在我们的思想、感觉和身体上造成巨大的差异。

“但我们唯一必须了解他们(神经递质)是行为终点,”蒙塔格说。如果这是生物学,我们就可以了解甲虫的颜色和形状,但不是他们的DNA。我们对脑化学的了解类似地宽阔和原油。

蒙塔古和岸田文雄说,直接测量人类大脑的化学成分让一些科学家感到不舒服。为什么不先在啮齿动物身上进行测量呢?蒙塔古有一个简单的反驳——你为什么要这么做?

啮齿动物的大脑与人脑不同。如果我们要了解人类的大脑如何工作,他们相信,只有人类的大脑的测量会做。

弗吉尼亚科技的读取蒙塔古斯在计算精神病学领域的领导者现在在DBS手术中探讨了“侵袭性精神病学插入探针”,以接近多巴胺和血清素等神经递质的实时测量,首先采用这种读数。照片由弗吉尼亚理工学院和州立大学提供。

弗吉尼亚科技的读取蒙塔古斯在计算精神病学领域的领导者现在在DBS手术中探讨了“侵袭性精神病学插入探针”,以接近多巴胺和血清素等神经递质的实时测量,首先采用这种读数。照片由弗吉尼亚理工学院和州立大学提供。

岸田文雄说:“我们收到了反对意见,他们说,‘哦,不,你不应该研究一个有大脑疾病的人,’”因为它们不同于典型的神经系统大脑;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,侵入性程序,如深脑刺激,并不在完美的健康脑中进行 - 这将是一个勇敢的志愿者!- 第二,一种疾病的人类脑仍然是人类,而猴子或大鼠的大脑是......不是。(和人类,Montague和Kishida注意,可以同意。)

Jason White认为信息很重要,因为它来自人类患者。“这些是珍贵的数据集,”White说。“这些都是由刀下的一些最好的人捐赠。”他,蒙塔梅,基什迪达和整个实验室了解牺牲,花费额外的时间与你的大脑出现在世界范围内,这些患者正在为进一步的大脑科学。

到蒙塔梅和凯迪达,这是理解大脑的最基本的科学。我们的大脑化学工程如何基本上是我们如何工作。了解神经递质在哪些浓度下有效,以及它们如何互相互动,可以解锁心理健康障碍和神经疾病的生物学。

“我们能够解散你的感受,只是在你告诉我们之前看着调制者。”

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与其他细胞之间有特定的化学性质,你就可以从理论上理解疾病,并设计出更具特异性的治疗方法。”

“这意味着你可能能在短期内让人们好转,并减少副作用。”或者,你可能会想出治愈人们的方法,因为你了解问题的根本本质。”

它可能导致新的,更具针对性的药物。在许多情况下,Mayberg说,在许多情况下,发现精神科药物被发现。医学是为别的东西开发的,发现对精神疾病有益,并逆向设计,以了解它是如何工作的。蒙塔古的团队已经从SSRIS患者收集数据,以与不对的人进行鲜明对比。

Montague图片是在近期测量的不久的将来,在大脑中的多个地方进行各种神经递质,同时考虑不同的任务。然后,科学家们将能够在进行不同的任务时讲述您在脑内发生的事情,例如改变心情的行为。

蒙塔古说:“在你告诉我们之前,我们就能通过观察调制器来解读你的感受。”

想象一下,一个多学科团队 - 例如,物理学家,心理学家,精神科医生和哲学家思考和解释数据。

“如果我们这样做与那件事,我们将能够预测如何觉得如何感到困惑。”Montague说。

训练算法从他们目前的数据中梳理出去甲肾上腺素的信号,这是蒙塔古所说的“三大”大脑化学物质中的最后一种。他们还在调整他们的测量技术,这样已经用于大脑深部刺激的相同探针就可以同时完成两项任务,也可以进行测量。让手术团队更容易进行测量是至关重要的:需要大量的数据来建立精确的图像。

Kishida第一次进入神经科学,因为他看到一个朋友努力解决心理健康问题。他想更多地了解意识和自由意志,但发现了想要的哲学。在神经科学中,他希望解开导致这么多痛苦的现象。

“我真的很感兴趣这些化学系统如何为我们的意识,主观经验做出贡献,”Kishida说。

这项研究甚至可以为蒙塔古中学小册子上的深层次问题提供答案。

他的最终目标是雄心勃勃的氛围,是计算精神病学的终极梦想。他想将纸张发布为基本地接地作为DNA的形状。

“我很乐意能够记录 - 了解分解某人的想法意味着什么,”他说。

“思想是这样的。”

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