一位作家请科学解释他正在衰老的大脑

我仰卧在核磁共振扫描仪的隧道里，头骨被固定在一个头线圈中，看起来像一个笼斗士的面具。我的右侧额头贴着一粒维生素E胶囊。头线圈控制扫描仪磁场的变化，而胶囊与扫描方向有关，就像外科医生会在你的右腿上做标记，以免误切你的左腿一样。

我戴着耳机，看着投影的20世纪50年代《猫和老鼠》卡通片，我大脑的不同部分大概都在注意。与此同时，扫描仪正在对我的灰质和白质进行切片——嘈杂的虚拟切片。目的是为了阐明我大脑中处理杰瑞躲避汤姆的特征。根据这些信息，负责的科学家可以制作出我大脑的线路图，并随着图像闪烁。

我感到幼稚无助。我可能60年前看过这部卡通片，但我记不起来了。放松，我提醒自己。保持不动。我这个年纪认知能力下降是意料之中的事。

“你怎么样，杰夫？”泰勒·库恩通过耳机问道。库恩是加州大学洛杉矶分校认知心理学博士后研究员，他有着一种南方人的礼貌口音，就像《乱世佳人》中某个贵族角色。（他叫什么名字？艾希礼。是的，艾希礼什么。斯佳丽感叹道：“哦，艾希礼。”）

“杰夫，”库恩打断道，“我们现在要做名字联想任务。”我注意到扫描仪很安静，在等待。“好的，”我说。我们之前练习过这个练习。核磁共振再次启动，听起来像是手提钻和牙钻的混合体。屏幕上，我的正上方闪过一张脸和名字。我试图记住这个配对，然后按下膝上控制台上的一个按钮。另一张脸和名字出现，我的工作记忆，就其本身而言，也努力记录下这个联想。如此重复，大概总共有十几个。

我匆忙设置了一些助记线索，像面包屑一样。彼得有黑发。玛丽的头发又长又稀疏——稀疏的头发就是玛丽。斯图尔特是那个看起来很平淡的家伙。这是另一个平淡的家伙。等等，他是不是艾伦？我的记忆力本应在扫描仪外进行测试，但库恩和苏珊·布克海默（她是一位临床神经心理学家，也是我大脑研究的主要研究员）向我保证，我的记忆力并不像我记忆的神经轨迹那么重要。他们对大脑的连接性感兴趣。

这都是加州大学洛杉矶分校一项关于人类连接组（老年组）研究的一部分。我将其视为神经科学2.0。连接组（Connectome）、连接组学（Connectomics）和连接性（Connectivity）是随着捕捉和可视化神经网络技术能力的出现而产生的新术语。研究已经超越了对单个部分（即大脑组成部分的解剖学和功能描述）的探索。对于人类研究，神经科学1.0主要依赖于损伤的影响。当一个脑损伤患者在特定区域失去功能时，科学家们就了解了该区域在正常状态下的功能。但大脑的各个部分并非独立运作。借助正电子发射断层扫描（PET）等成像工具，特别是功能性磁共振成像（fMRI），大脑区域之间的连接变得越来越清晰。X射线和第一代MRI描绘结构，而较新的扫描则显示活动。

例如，科学家们几十年来都知道，海马体，大脑中部的一个结构，在记忆的形成和保存中起主导作用，并且是塑造一个人身份的区域之一。海马体距离前额皮层只有几英寸，相对而言，就像汽车发动机中的发电机和化油器之间的距离一样。功能磁共振成像（fMRI）可以显示这两个部分在“引擎盖下”协同工作。连接组学不仅绘制了链接和节点的电路图，即所谓的大脑结构连接，还绘制了当电路活跃时区域之间产生的动态关联：功能连接。即使它根本没有思考或工作，只是无缘无故地在《乱世佳人》的场景中飞逝而过，大脑也完全处于活跃状态。系统嗡嗡作响并活跃，就像红灯变绿前怠速的汽车一样。

心智与物质

人类连接组项目（HCP）是十几所大学的联合项目，于2012年在美国国立卫生研究院的支持下启动，旨在创建一个连接模式数据库。HCP可以称之为根据数百次功能磁共振成像（fMRI）扫描，绘制出了一份正常健康大脑功能的“发动机手册”。这些扫描的受试者是年轻的成年兄弟姐妹。在该项目的最新阶段，儿童和老年人也正在被纳入，以便科学家能够了解大脑在青年时期如何增强以及在老年时期如何衰退的连接变化。布克海默在加州大学洛杉矶分校的实验室是处理后一组的研究地点之一。整个HCP-A（A代表衰老）队列完成后，将涉及1208名36岁至100岁以上的人。

尸检和扫描研究表明，像我这样健康的69岁老人，十多年来，大脑物质一直在以每年0.5%的速度流失。如果我是典型的，我的海马体已经开始以更快的速度失去神经元，每年可能达到2%。“老年痴呆症”已经变得司空见惯，事物名称与事物本身之间的联系松动，少数情况下甚至完全消失。但我仍然可以写出相当不错的句子，这让我感到振奋，因为伴随大脑萎缩而来的认知能力下降既不是线性的，也不是可预测的，部分原因是老年人的大脑通过在连接性方面形成变通方法来补偿。对于熟悉和基本的任务，衰老的大脑会开辟新的途径，利用未开发的区域和神经元，在需要的地方打上补丁。

相比之下，阿尔茨海默病中神经元的丧失是显著而迅速的，精神衰退也是如此。核磁共振扫描表明，结构和功能连接已经失控。有序的网络让位于无序的新网络，仿佛大脑是一个溺水的人，挣扎着抓住一切可以支撑的东西。

大约10%的65岁以上美国人患有阿尔茨海默病，约500万人，随着国家人口老龄化，这个数字只会增长。研究主要集中在检测和对抗淀粉样斑块和神经纤维缠结——这些蛋白质复合物会堵塞突触并破坏神经元。不幸的是，正常衰老也伴随着斑块和缠结。MRI和X射线无法看到它们在海马体和其他结构中积累。当PET扫描显示出积累时，阻止疾病影响已经太晚了。因此，HCP-A项目的科学家们在分析连接模式时，希望确定健康衰老和不健康退化的分歧点。“你何时会偏离正常轨迹进入疾病状态？”圣路易斯华盛顿大学的Beau Ances问道，他是HCP-A的首席研究员。

安塞斯指出，如果连接组项目能够设定正常衰老的基本参数，“其他研究人员就可以利用这些扫描，并询问‘我的患者属于哪种情况？’”实际上，我们是未来研究的对照组。就HCP-A的数据库中包含等待痴呆的病例而言，科学家们可以探索关于疾病早期阶段的假设。我们中将近一半的人将在两年后再次接受扫描，并进行全面的健康检查。除此之外，计划尚不确定。布克海默说：“当这项（五年期）拨款到期时，我们可能会申请资金继续进行后续跟踪。这绝对很重要。”

大脑的风车

核磁共振成像只占数据的一部分。每个HCP-A参与者都将经历一系列认知、心理甚至身体测试。我与布克海默的团队——库恩和米雷拉·迪亚兹-桑托斯（都是博士后）以及凯文·贾帕尔迪（一名研究助理）——合作，回答了大量问题，他们则在一旁记录。我根据“很多”、“一点点”或“完全没有”来评价我对生活中各种情况的感受。我被多次以不同方式问及是否曾遭受过头部损伤。我提供了血压、视力和握力的测量数据。我还提供了血液样本进行基因分析。某种程度上令我感到不适的是，问卷精确地指出了我的心理缺陷。作为耐力的衡量标准，我在走廊地毯上的交通锥周围快速走了两分钟。

现在是认知测试时间。我坐在屏幕前，被指示发音一系列非常晦涩的多音节单词。在计时的情况下，我在一页上随机散布的升序数字和按字母顺序排列的字母之间画线，从一个数字到一个字母再到下一个数字，以此类推。接下来，我的短期记忆接受检查——“从我刚刚读给你的单词系列中，告诉我你能记住多少。”（结果发现少得可怜。）我回应了一系列几何形状，按下一个按钮代表圆形或正方形，而不是其他任何形状。犯错没关系，年轻的研究人员叽叽喳喳地说。他们说起来容易。我比他们两个人加起来都老。

整合这些任务、测试和调查的科学学科称为神经心理学。连接组项目的神经心理学家将从一大群（或多或少）健康的老年人那里收集大量指标，并设定反映高、低和中等反应的统计边界。这个范围将显示我们所有人都“正常”衰老，除非少数人可能超出范围。

新的进展在于将我们团队的神经心理学变异与我们神经机制工作时的图像相关联。因此，布克海默的团队让我重复在扫描仪内进行一些较简单的任务。除了名字联想任务，我还玩了他们所谓的棋盘游戏，这算不上什么游戏，而是一个测试，看我在风车状的圆圈上出现方块时按下按钮的速度有多快。轮子有黑白棋盘格图案。随着它旋转和扫描仪有节奏地敲击，图案左侧或右侧的一两个方块会亮起红色。这项任务在我的第二次机器会话接近尾声时进行。我出来时感觉就像经历了一场糟糕的重金属音乐会。同样，我的分数并不像活动所揭示的节点和链接那么重要。

由于不会公布个人结果，我们这些注册HCP-A的人都不知道自己在大数据中处于什么位置。但是研究人员，虽然不知道我们的身份，但会知道。“我们可以使用你的数据点，”库恩解释说，“来比较整个组的血管系统、皮质厚度、功能网络等等，这些都是年龄的函数。”

早些时候我曾挤压过一个测力计，那是一种测量握力的装置，我问团队为什么他们没有在扫描仪内对我进行同样的测试。根据最近的文献，老年人在执行这项任务时，特别是用他们不太灵敏的手（那只手比另一只手失去力量更快）挤压时，会使用与年轻人不同的大脑网络。我被告知，那是因为核磁共振扫描仪的时间非常昂贵。另一个原因是实验室的测力计有金属握把，这会干扰扫描仪的磁铁。不过，测力计结果和其他外部测量可以通过将它们与我的默认模式网络（DMN）的功能磁共振图像进行比较，间接进行评估。

DMN 代表我上面提到的空闲状态。当大脑从执行任务转换到休息状态时，它会启动一个独特的网络，连接大脑皮层和皮层下方海马体的六个区域。DMN 已成为人类连接组研究最多的网络之一。扫描仪对我的DMN进行了两次探测；我被告知只需做白日梦八分钟，这就是扫描所需的时间。但DMN 不仅仅是一个白日梦工厂。科学家们认为，它会在你决定挤压测力计等有目的活动之前的几微秒内，编排这些活动的预演。这个网络在记忆被提取之前整理电路——就在你伸手去叫那个刚过来打招呼的人的名字之前。

多汁的海马体

考虑到我作为参与者和记者的双重身份，加州大学洛杉矶分校的研究人员同意向我展示我的大脑结构；项目中其他老年人将不会有这个机会。一天结束时，我与苏珊·布克海默会面，听她快速介绍我的大脑结构细节。（我的功能连接扫描，例如DMN和棋盘任务中亮起的区域链的计算机处理，将需要更多时间。）此前，布克海默曾通过电子邮件警告我：“除非有异常，否则个体脑部扫描几乎没有什么可报告的。我们所有扫描都会由放射科医生阅读，如果存在需要采取行动的异常情况，我们会告知您。”

她在台式电脑上调出黑白图像，快速浏览切片，从我的头骨左侧放大到右侧。她没有发现脑血管疾病或肿瘤的迹象，无论是良性还是其他。只是“正常的年龄相关变化”。

“我可以说，”她补充道，“你有一个非常好的大脑。”我希望她指的是我的大脑看起来比别人的更健康——但实际上她的意思是图像质量清晰且令人愉悦。我一定保持得非常安静。

布克海默指出了我的胼胝体，连接两个半球的纤维带，以及其下方脑室的深色内衬。“脑室容纳液体，在异常衰老中，液体会膨胀到组织萎缩形成的空隙中，”她说。这里没有发生太多这样的情况。到目前为止，一切都很好。

接着是我的大脑主要特征。在平板电脑上，布克海默调出一个配置好的扫描图像，以捕捉我的海马体，每半球一个。左侧海马体倾向于更多地参与语言记忆，而右侧则更多地参与非语言和视觉记忆。她提到了名字-面孔联想任务，这“是将两个任意事物绑定在一起，就像我们在现实生活中遇到新朋友时所做的那样。老年人做起来越来越困难。”

海马体的侧面是一个细长、卷曲的结构，据说它与海马相似（海马的拉丁文翻译）。布克海默从前向后放大，停在一个横截面。“你有一个漂亮、肥大、多汁的海马体，”她说，让我想起了牛排，然而她只是再次评论视觉再现。“这次扫描非常漂亮。你可以看到它很美。我们将能够对细分区进行精确测量。看这里。它就像一个肉桂卷。”她进一步放大，隐约可见的螺旋线就像树的年轮一样清晰起来。“太美了，”她在回过神来之前说道。“我真是个书呆子！”

海马体包含“回响回路”，布克海默说。细胞在内侧弯曲处进行通信，它们的突触正在形成记忆。它们的具体任务是什么？“有些对任何新事物都有反应，有些是重复的，”她说。海马体回顾并巩固经验，最终将它们发送到其他区域存储。“有些细胞能够区分相似的物品，有些细胞能够从部分线索中重建记忆……这个海马体正在从大脑左侧接收信息，并且发育良好。”我再次看到了熟成牛排。

“海马体可以长出新的神经元——它是少数几个可以长出新神经元的区域之一。大脑刺激，学习新信息，似乎确实有帮助。”她提到了大脑的可塑性，即其补偿和绕过损伤与衰退的能力。我开始欣赏这片纤细卷曲的组织，它漂浮在多个网络的中心。当大脑处于休息或睡眠模式时，海马体与DMN共同参与记忆形成。该区域也可能是一个寻找认知能力下降或阿尔茨海默病早期迹象的地方。“海马体是一个目标，”布克海默津津有味地说，“因为它能揭示大脑衰老的速度。”

业务结束后，布克海默的团队护送我到加州大学洛杉矶分校校区的韦斯特伍德大道。这是一个累人但又充满刺激的一天半研究前沿。我的数据目前正在处理中，我希望它能起到好的作用。

我在韦斯特伍德人行道上辨认方向。“你能找到回车库的路吗？”他们问。