那是一个寒冷的17度，路易斯·“汤姆”·弗罗因德正在俄亥俄州一片干草地上的三脚通信塔上往下爬。在40英尺高的地方，他能清楚地看到霜冻的褐色茎秆一直延伸到地平线，在那里寒冷的土地与无云的冬日天空相接。汤姆正处于事业的巅峰：42岁的他经营着一家价值数百万美元的公司，为农村地区提供宽带互联网接入。他刚刚再婚，身体状况极佳，能够背着40磅的工具攀爬250英尺高的塔楼，将比他年轻一半的同事甩在身后。
但在2009年2月16日的这一天，他脚下的一处焊缝断裂了——这是再多的经验或体力都无法阻止的。他回忆说：“我听到一声巨响，就知道自己要掉下去了。”
在冰冷的空气中下坠，他看着塔楼向后倒塌。他随着塔楼下坠了一段距离，在最后一刻，像猫一样扭转身躯，以避免被压扁。他的空中特技避免了头颅在片刻后撞上钢梁。塔楼落地，然后他撞到塔楼，胸部猛烈撞击到冰冷的金属框架上。他的肩膀和右侧头部猛撞地面。尽管一片明亮的白色薄雾遮蔽了他的视线，他仍然保持清醒。汤姆缓慢地解释说：“我只听到脑子里响起火车汽笛般的巨响，震耳欲聋。”
一张图片显示了在一场全地形车事故中受伤男子的脑部连接断裂。断裂的纤维（黄色）与完整区域（绿色）形成对比。沃尔特·施耐德实验室
这次撞击粉碎了他的骨盆和肩膀，折断了他右侧的肋骨，并损伤了他的脊柱和颈部。他的两片肺叶爆裂。他躺在冰冷的地面上，地面就像一个大冰袋。汤姆的助手呼叫来的当地医护人员给他吸氧，直到一架直升机将他送往匹兹堡的阿勒格尼综合医院。他时而清醒，时而昏迷。医护人员强迫他通过无线电与妻子和孩子们通话，因为他们确信他活不下来。
在医院里，医生们使用CT扫描来寻找脑出血和骨折，这些在模糊的灰色脑结构中显示为白色。奇迹般地，扫描结果呈阴性。在住院仅仅四天后——在此期间，医生们成功止住了汤姆因肺穿孔引起的内出血，并固定了他的骨折——他就出院了。医生告诉他，他其余的恢复“只是骨科方面的工作”，并说他的大脑没有问题。
但汤姆感觉并不好。他感到困惑，就像置身于“旋风之中”，思绪飞速掠过，他必须抓住它们才能表达出来。他的时间感扭曲了。他饱受剧烈头痛的折磨。随着一天的过去，他的视力变得模糊，脑子里警笛声呜咽。他总是词不达意，无法控制自己的思想，经常脱口而出不合时宜的评论。汤姆感到愤怒，痛苦，思绪混乱。
沃尔特·施耐德（左）和神经外科医生大卫·奥康科夫合作开发了能创建大脑神经元布线图的成像技术。施耐德：斯科特·戈德史密斯；奥康科夫：匹兹堡大学医学中心
他直到今天仍说，他的短期记忆“几乎为零”，当我们交谈时，他警告我他可能不会记得我们的谈话。他说：“我记不起一周前见过的人。”
事故发生后的最初三年里，汤姆和他的妻子凯伦一直在寻找一个合理的诊断。他看了一系列神经科医生，每个人都向他保证没有脑损伤。接着，他寻求精神科医生和心理学家的帮助，他们告诉他患有创伤后应激障碍（PTSD）——创伤事件后反复发作的极度焦虑症。但他和作为急诊创伤护士的凯伦都认为这个诊断不符。
最终，不是医生而是律师最终查明了问题所在。一位负责汤姆民事案件的律师暗示他可能遭受了创伤性脑损伤（TBI）。他曾在法庭上代表的橄榄球运动员身上见过同样的症状。当头部受到撞击时就会发生这种情况，就像橄榄球运动员——或一个从40英尺高空坠落的人——撞击地面一样。震动（如车祸）或爆炸暴露（这影响了无数在伊拉克和阿富汗服役的士兵）也可能导致TBI。
这类损伤可能使大脑中将信号从身体一部分传递到另一部分的脆弱神经断裂。但是，目前还没有任何诊断技术能够可视化哪些神经纤维或神经元受损。当神经断裂时，不同脑区之间的通信就会中断，就像计算机中受损的电路一样。无法定位损伤对于美国每年约170万人（不包括2000年至2014年间在军事战斗中遭受脑损伤的30多万士兵）的创伤性脑损伤恢复和康复是一个巨大的障碍。
通常，这类损伤在CT扫描中是看不见的，CT扫描使用X射线来显示阻塞、出血、肿瘤和颅骨骨折。MRI使用无线电波生成更详细的图像，显示出血、肿瘤和粗大的结构损伤，但它无法检测到受损的神经。即使是功能性MRI (fMRI)，通过追踪血流量来测量大脑活动，也无法检测到神经元的损失。
像530万患有TBI相关残疾的美国人一样，汤姆也饱受医生无法察觉的伤痛折磨。他丧失了技能，无法工作，陷入了社会经济的螺旋式下降。朋友和家人悄然疏远，对他的不恰当和情绪化行为感到困惑，无法认出他们曾经认识的那个人。
患者脑部的潜在损伤在结构性MRI（左）中不可见，但高清纤维追踪（右）揭示了放射冠脑束的不对称性。右侧（红色）较小，与患者左侧运动控制丧失一致。沃尔特·施耐德实验室
与律师交谈后，凯伦最终联系上了匹兹堡大学的一个研究团队，他们正在研究一种新的脑部成像技术。2012年，汤姆预约了神经外科医生大卫·奥康科夫，他是该大学脑创伤研究中心的神经外科教授兼临床主任。脑部和脊髓损伤是他的专长。奥康科夫为汤姆安排了一次为期两小时的强力MRI脑部扫描。然后他要求汤姆几周后回来查看结果。
高清神经元奥康科夫知道脑损伤很容易被忽视。即使在今天，当一名头部受伤或昏迷的患者被送往急诊室时，他会接受CT扫描以确定脑部是否有需要手术的血凝块。奥康科夫说，问题在于，在十分之九的病例中，这些患者的CT扫描结果正常，并被告知他们没事。“但在许多情况下，他们并不正常，”他补充道。“他们会是第一批在三、六个月后告诉你生活发生了变化的人。”他说，在大多数医院，诊断TBI几乎就像在X光机发明之前试图找到骨折一样。
但这一切在2009年秋天为奥康科沃改变了，当时沃尔特·施耐德，一位瘦高、头发花白的心理学家，从校园另一边过来拜访。施耐德对技术着迷，他来是想谈谈一种新的大脑主要神经束成像方法。神经束是由轴突组成的捆绑电缆，它们像高速公路一样将大脑的一个区域连接到另一个区域，并传递信息。轴突是神经细胞（或神经元）的细长“尾巴”，它将电信号从一个神经元传递到大脑其他地方的另一个神经元。在特定的神经束内，所有神经细胞都始于同一位置，止于同一位置。每个神经束都有一个主要功能：皮质脊髓束控制运动；扣带束控制记忆；弓形束处理语言。当轴突受损时，特定神经元之间的通信就会丢失；当整个神经束被切断时，两个脑区就无法再相互交流。
一张扩散自旋图揭示了水分子在人脑中的运动方式。分子运动和速度的限制为研究人员提供了识别较大脑束或连接不同脑区的轴突束的线索。插图显示了三个主要脑束的交汇处。沃尔特·施耐德实验室
施耐德想要一种能够生成大脑所有神经元布线图的成像技术。但是，目前的扩散MRI技术，也称为扩散张量成像（DTI），无法让他看到可能解释TBI患者问题的受损轴突。
传统的DTI利用磁脉冲标记脑神经细胞中的水分子，然后记录这些水分子行为的六个特征。这些测量值用于构建图像，描绘轴突的形状和方向，以及一个区域的神经元如何与其他脑区域连接。但DTI成像有一个主要缺陷：当来自不同神经束的轴突在前往目标途中交叉时，DTI软件会混淆，无法完全准确地确定每个神经束的方向。施耐德需要一种能够追踪这些神经束从头到尾的技术。
在国防高级研究计划局的资助下，施耐德于2009年启动了匹兹堡脑竞赛，旨在吸引顶尖人才参与大脑连接图谱绘制。他悬赏10,000美元给任何能利用一小时MRI扫描数据创建详细视放射（通过解剖已明确定义的脑结构）图像的人。来自168个国家的团队报名参加。随着结果的陆续公布，施耐德的团队发现大多数参赛作品仅比标准DTI成像略有改进。但随后，一位台湾研究生叶方成发来了一张令人惊叹的图像。他的工作揭示了迈耶氏环，这是视放射中的一个结构，其他团队都未能成功可视化。叶方成获得了奖金，施耐德说服他来到美国学习。他作为博士研究的一部分与施耐德合作，现在是卡内基梅隆大学的博士后研究员。
苏迪尔·K·帕塔克是施耐德实验室的数学家兼计算生物工程师，他分析了叶的方法。帕塔克发现，关键在于叶使用了更多、更精确的水分子观测数据（257个，而通常只有6个）来弄清神经细胞内部轴突如何形成大脑中的神经回路。
“MRI只能看到水，”帕塔克解释道。“通过观察水的运动方式，我们可以判断它是在各个方向自由移动，还是有东西限制了运动，比如神经细胞。”帕塔克改进了叶的算法，生成了更好、更高分辨率的图像，然后将该方法应用于整个大脑，以识别和绘制所有40个主要大脑束。施耐德和帕塔克将这种新方法称为高分辨率纤维追踪（HDFT）。最后，为了使布线图更易于理解，帕塔克用迷幻的色彩对涉及各种神经回路的主要通路进行了分割和着色。
通过高清纤维追踪技术，医生可以向患者展示他们大脑中主要神经束的相对健康状况。彩色边框用于辅助显示中度损伤风险（左上）、可能存在风险（右上）和正常范围内的神经束（底部）。沃尔特·施耐德实验室
帕塔克在接下来的一年里，与匹兹堡神经外科医生兼神经解剖学家胡安·费尔南德斯-米兰达一起验证了新的大脑图像。他想确认他在电脑屏幕上创建的虚拟神经束是否与医生在手术中看到的相符。费尔南德斯-米兰达编辑了图像，指出哪些是正确的，哪些是错误的。这种合作创造了一个持续的反馈循环，帕塔克调整数学模型以创建神经束，然后费尔南德斯-米兰达识别出哪些是解剖学上正确的。最终，帕塔克的非侵入性虚拟解剖与费尔南德斯-米兰达自己的更血腥的解剖不相上下。
奥康科夫立即看到了其潜在意义，并开始与施耐德合作，通过招募脑损伤患者在研究试验中测试该技术。
Pathak 和 Schneider 实验室的其他成员随后与 Okonkwo 和 Fernandez-Miranda 合作开发了一款 iPad 应用程序，旨在创建一个临床相关且对神经外科医生进行脑部手术或寻找受伤患者损伤时有用的工具。可视化损伤 扫描两周后，Tom 和 Karen 与 Okonkwo 坐在匹兹堡大学长老会医学中心的一间办公室里。那是 2012 年 9 月，距离他摔倒已三年多。Tom 希望能得到一个确切的诊断、对其困扰的解剖学解释以及康复策略。他一直被事故前那个自己的记忆所困扰，渴望再次做回自己。
奥康科夫用他的iPad调出了汤姆大脑的图像。每个神经束都色彩鲜艳，盘绕、扭曲、纵横交错，像一团意大利面。
屏幕上，汤姆大脑的左侧是绿色，右侧是红色。奥康科夫解释说，大脑两半球之间往往存在自然的对称性，不对称性会让我们产生怀疑。虽然这可能是由于左右半球之间的自然差异造成的，但也可能表明存在回路中断的损伤。奥康科夫补充说，在汤姆大脑的某些区域，回路是不对称的。
他点击一个下拉菜单，选择了汤姆的佩佩兹回路，这是控制情绪和记忆的关键。“大脑右侧在佩佩兹回路中的连接性不如左侧。”右侧就是撞到地面的那一侧。
奥康科夫解释说，网络连接可能会丢失。例如，如果从眼睛到大脑后部的连接减少或断裂，可能会损害视力。他说：“这个概念对运动系统、感觉系统都适用，对记忆、情感、情绪控制也以略微不同的方式适用。”汤姆的佩佩兹回路的一些连接中断了。
“你负责编码新记忆的大脑部分已经不如从前了，”奥康科夫说。他停顿了一下，让汤姆消化。“这可能也与情绪稳定等有关。”
凯伦捂住脸，开始哭泣。这是多年来的怀疑、焦虑和沮丧之后，他们第一次看到汤姆脑子里断裂的“电缆”。奥康科夫向汤姆展示了另一个受损的大脑回路，辅助运动区，它对整合个体运动使其流畅至关重要。右侧与左侧截然不同，就像有人随意砍掉了大树的巨大枝丫。“当辅助运动区出现问题时，很难保持优雅。听起来像你吗？”汤姆点了点头。
奥康科夫强调，损害的影响尚不明确；这项研究仍处于起步阶段。他告诉他们，在医生们了解各种损伤如何影响大脑功能之前，必须对数千个受损大脑进行扫描。
对于汤姆来说，没有明显的治愈方法或疗法。但对汤姆和凯伦来说，仅仅看到能证实他症状的证据，就感觉是向前迈进了一步。“这让人满意。悲伤。恐惧。心碎，”凯伦说。“这证实了我没有疯，”汤姆补充道，“很长一段时间，我以为我疯了。现在我终于可以继续前进了。”
奥康科夫说，看到大脑的详细扫描在诊断和治疗意义上都具有临床重要性。“终于有人相信他们了。”
在过去的四年里，施耐德和奥康科夫一直在调整这项技术。虽然他们对自己的方法充满热情和希望，但其他人则更为谨慎。南加州大学神经影像实验室主任阿瑟·托加表示，在大脑方面仍有许多未知数，他和他的同事们正在努力回答这些问题，作为国家脑图谱计划“人类连接组计划”的一部分。许多脑回路并不对称，简单地比较左右两半来检测脑损伤可能不可靠。他还担心告诉别人损伤程度可能没有帮助。托加说：“我们不知道是否有可能通过正确的治疗和康复策略恢复这些连接。”
“沃尔特的工作非常有前景，但它肯定也存在争议，”彼得·班德蒂尼说，他作为国家精神卫生研究所fMRI设施主任，专门研究fMRI。他说，该领域的其他人怀疑施耐德的方法是否能真正量化特定纤维束的损伤。例如，他的方法真的能确定某个特定神经束中78%的纤维已被破坏吗？“目前对此还没有定论。”
但班德蒂尼支持施耐德的方法。“沃尔特必须把这个问题搞清楚，推动技术发展，看看它能做到什么……而且他是少数与军方和TBI医生合作开展临床应用的脑成像专家之一。”
“可操作情报” 这部分过程包括构建技术基础设施，使奥康科夫和施耐德能够更好地获取MRI数据，进行分析和解释，并以直观的方式向临床医生和患者呈现脑部图像。现在，扫描只需22分钟，分析仅需4小时。
目前，获得大脑纤维高清扫描的唯一方法是参与研究试验。在未来三到五年内，直到FDA批准该技术之前，情况仍将如此。但奥康科夫和施耐德已经看到了他们努力的成果：他们正在帮助患者了解其脑损伤的后果。
在阿富汗和伊拉克军事行动导致大量创伤性脑损伤（TBI）和创伤后应激障碍（PTSD）病例后，治疗已成为一项国家优先事项。自2007年以来，国防部战斗伤员护理计划已在500多个TBI项目上投入超过7亿美元，其中包括美国陆军医疗研究和物资司令部为施耐德技术提供的1000万美元。对于马里兰州迪特里克堡的医生兼大脑健康/体能研究协调员达拉斯·哈克上校来说，施耐德的HDFT技术的优势在于能够看到并量化受损回路。他可以利用这一点来指导数千名经历过震荡性爆炸的士兵进行康复。
对于一名46岁的士兵（因工作性质，他要求匿名）来说，参与施耐德的研究试验改变了他的生活。他在美国陆军特种部队步兵师服役超过20年，曾在阿富汗和伊拉克都服役过。在经历了大约400次爆炸后，他出现了记忆力减退和注意力缺陷，他知道这损害了他执行高空跳伞任务进入敌方领土的能力——这是他的专长。
检查证实了短期记忆丧失，但问题远不止于此。他曾是一个如饥似渴的读者，精通好几种语言。现在他几乎看不懂电子邮件，书面文字失去了意义，各种语言在他的脑海中混杂不清。
扫描后，奥康科夫向他展示了问题根源。“我的视觉通路，也就是连接大脑和眼睛的通路，遭受了重创，这解释了我为什么读不了书，”他说。“我不是笨蛋，我也没完全崩溃。我只是这些‘电缆’不太好用了，因为很多都被破坏了。”
尽管康复策略尚不明确，但施耐德团队的一名成员在一次医学启发下，建议他按节拍阅读——具体来说，是利用音乐、节奏并做一些身体活动，比如轻敲文字。他们认为这可能可以重新训练他的大脑使用其他完好的通路。
他没什么可失去的。于是他插上耳机，设定好节拍，看着文字读邮件，或者让电脑读给他听。这奏效了。他说，当他阅读时，“我看起来就像在录说唱专辑。我在录音室里，我和Jay-Z在一起，我们正在完成它！”话虽如此，这需要更长时间，需要技术，而且仍然不容易。“[但是]我能读文章、邮件，也能读一本书了。”他说，这一切之所以可能，是因为他做了一次解剖学上准确的扫描，揭示了哪些大脑通路仍然可用。施耐德喜欢用军事术语，他说，有了这项新技术，损伤现在是可见的，这就是“可操作的情报”。“十年内，我们可能会知道如何更有效地修复损伤。”康复期间和之后的扫描以及各种药物的使用将证明受损神经是否可以修复——并可能开始揭示这是如何发生的。
汤姆·弗罗因德和他的妻子凯伦，听着匹兹堡研究员施耐德解释高分辨率纤维追踪如何帮助识别汤姆大脑受损区域。凯伦说，这种可视化是“拼图的最后一块”，帮助他们应对他行为上的变化。斯科特·戈德史密斯
哈克说，施耐德的大脑扫描技术最接近部署。这项技术的优势在于，图像可以在全国主要的退伍军人事务部（VA）、国防部（DOD）和医疗中心目前使用的机器上进行处理。随着TBI研究的扩展，施耐德预计在未来三年内，将在国防部Tricare医疗计划的主要医院以及休斯顿、圣地亚哥、坦帕、加利福尼亚州帕洛阿尔托和弗吉尼亚州里士满的VA医院扫描1000多名患者。
施耐德的纤维追踪图像与联邦资助的“人类连接组计划”所产生的图像类似，该计划正在使用DTI绘制神经网络，并生成其令人惊叹的Technicolor地图集。“[但]沃尔特比[该]项目领先一步，”劳伦斯·瓦尔德说，他是连接组项目麻省总医院-加州大学洛杉矶分校联盟的调查员，也与施耐德的团队合作。连接组项目几乎完全专注于对健康成年人大脑进行成像，以提供理解患病或受伤大脑的“黄金标准”基线。但瓦尔德说，施耐德开发了专门针对TBI的工具，并且他组建了一个由临床医生、神经外科医生和神经解剖学家组成的多学科团队，对图像进行验证，并识别和解释具有临床意义的布线差异。
新连接 看到受损的“电缆”两年后，汤姆和凯伦显得很自在。对凯伦来说，一个明确的诊断提供了“拼图的最后一块”，她说。理解汤姆行为背后的原因帮助她适应了变化，也修复了他们的婚姻。
这个诊断也产生了重要的实际影响。汤姆接受了更多的认知和行为测试，并且仍然在与几位医生合作。工伤赔偿现在开始支付医疗费用，这笔费用之前几乎耗尽了他的积蓄。现在支付账单不再是持续的斗争了。“自从确诊后，他们似乎真心想帮助我，”他说。
凯伦仍然和汤姆保持着特殊的联系，但她承认生活已经改变。“我认识的汤姆现在不一样了。我为了和他共存而改变。”她现在更清楚能从他那里期待什么，这种理解让他们俩都得到了解脱。“尽管是个坏消息，但了解汤姆大脑的损伤是对我们祈祷的回应。”
[本文最初以“破碎的电缆”为题刊登]
