Rebecca Saxe의 첫 아들 인 Arthur는 뇌를 스캔하기 위해 MRI 기계의 구멍에 처음 들어갔을 때 불과 한 달이되었습니다. 매사추세츠 기술 연구소 (Massachusetts Institute of Technology)의인지 과학자 인 색소폰은 그와 함께 처음으로 갔다. 그녀의 배에 불편하게 누워, 기저귀 근처에 얼굴을 쳤다. 아서, 신뢰할 수없고, 즉시 잠들었습니다.
모든 부모는 아기의 마음 속에 무슨 일이 일어나고 있는지 궁금합니다. 알아볼 수있는 수단이 거의 없습니다. 색소폰이 임신했을 때, 그녀는 이미 몇 년 동안 동료들과 함께 아기의 뇌 활동을 이미지에 대한 설정을 고안했습니다. 그러나 2013 년 9 월의 마감일은 모든 것을 준비하는 데 자극을줍니다.
지난 수십 년 동안 Saxe와 같은 연구원들은 기능적 MRI를 사용하여 성인과 어린이의 뇌 활동을 연구했습니다. 그러나 FMRI는 19 세기 Daguerreotype과 마찬가지로 피험자가 이미지가 절망적으로 흐려지지 않도록 완벽하게 거짓말을해야합니다. 아기는 잠들지 않았을 때 불길한 움직임 묶음이며, 고요함에 뇌물을 받거나 뇌물을받을 수 없습니다. 지금까지 아기를위한 몇 가지 FMRI 연구는 대부분 잠을자는 동안 소리를내는 데 주로 초점을 맞췄습니다.
그러나 색소폰은 아기가 깨어있을 때 어떻게 세상을보고 있는지 이해하고 싶었습니다. 그녀는 Arthur의 뇌가 비디오 클립을 보면서 성인 연구 과목이 쉽게하는 일을 보았을 때 이미지를 만들고 싶었습니다. 더 큰 질문에 접근하는 방법이었습니다. 아기의 두뇌는 소형 버전의 성인 뇌처럼 일합니까, 아니면 완전히 다른가요? 그녀는“저는 두뇌가 어떻게 발달하는지에 대한이 근본적인 질문을했고, 발달중인 뇌를 가진 아기를 가졌습니다. "인생에서 나에게 가장 중요한 두 가지는 일시적으로 MRI 기계 내부 에서이 매우 강렬한 수렴을 가졌습니다."
.색소폰은 출산 휴가를 기계에서 Arthur와 어울리기 위해 휴가를 보냈습니다. "그 당시 일부는 느낌이 들지 않았거나 잠들거나 까다 롭거나 똥을 냈습니다."라고 그녀는 말했습니다. "아기의 뇌에서 좋은 데이터를 얻는 것은 매우 드문 일입니다." 세션 사이에 Saxe와 그녀의 동료들은 데이터를 통해 실험을 조정하고 Arthur의 뇌 활동에서 패턴을 검색했습니다. 그들이 4 개월이되었을 때 처음으로 사용 가능한 결과를 얻었을 때, 그녀는“나는 지붕을 뚫고 있었다”고 말했다.
Nature Communications 에 오늘 출판 된 논문 Arthur와 8 명의 다른 아기의 뇌 활동을 이미지화하기위한 2 년 이상의 노력의 정점입니다. 이 팀에서 그녀의 팀은 아기와 성인의 뇌가 시각적 정보에 어떻게 반응하는지에 대한 놀라운 유사점과 흥미로운 차이점을 발견합니다. 이 연구는 Saxe가 희망하는 것이 마음의 초기 시작을 이해하기 위해 더 넓은 노력이 될 것입니다.
.출생부터 조직 되었습니까?
기능적 MRI는 아마도 가장 강력한 도구 과학자들이 두개골을 열지 못하는 뇌 활동을 연구해야 할 것입니다. 그것은 뇌의 혈류 변화에 의존하여 다른 뇌보다 더 활동적인 영역에서 MRI 기계에서 감지 가능한 신호를 만듭니다. 이 기술은 뇌 활동의 간접적 인 척도이기 때문에 비판을 불러 일으켰으며, 그것이 생성하는 단순하고 눈에 띄는 이미지는 비하인드 스토리 통계 조작에 의존합니다. 그럼에도 불구하고, FMRI는 과학자들에게 색소폰을“인간의 뇌의 움직이는지도”라고 부르는 것을 과학자들에게 제공함으로써 완전히 새로운 연구의 길을 열었습니다. 그것은 엄청나게 상세하게, 뇌의 다른 부분이 사람이하는 일, 인식 또는 사고에 따라 그들의 활동을 어떻게 안무하는지 밝혀졌다.
.피질의 일부 영역도 목적별로 보입니다. MIT의 신경 과학자이자 Saxe의 전 고문 인 Nancy Kanwisher는 다른 시각적 입력보다 얼굴의 이미지에 반응하는 Fusiform 얼굴 영역이라는 영역을 발견하는 것으로 유명합니다. 그녀의 실험실은 또한 Parahippocampal Place 지역의 발견을 이끌었고,이 지역은 장소를 묘사 한 장면에 우선적으로 반응합니다. 그녀가 Kanwisher의 실험실에서 대학원생이었을 때 Saxe는“마음의 이론”에 전념하는 뇌 영역을 발견했습니다. 그 이후로, 여러 실험실의 연구는 사회적 판단과 의사 결정과 관련된 뇌의 영역을 확인했습니다.
빠르게 말하고 지적 강도를 발산하는 색소폰은 뇌에 대한 철학적이고 깊은 근본적인 질문에 의해 가장 많이 애니메이션을받습니다. 그녀에게 다음 분명한 질문은 다음과 같습니다. 뇌의 조직은 어떻게 생겼습니까? "성인들에게 당신의 두뇌의 엄청나게 풍부하고 추상적 인 기능, 즉 도덕, 마음의 이론을 보면서 그것은 단지 의문을 제기합니다. 어떻게 그곳에 도착합니까?" 그녀는 말했다.
우리의 두뇌가 우리의 생존에 가장 중요한 것들에 특별한 영역을 갖도록 진화 했습니까? 또는 그녀는“우리가 발견 한 세계의 어떤 조직이든 배울 수있는 놀라운 다목적 학습 기계로 태어 났습니까?”라고 말했습니다. 예를 들어, 뇌의 일부를 얼굴에 헌신하기위한 타고난 청사진으로 세상에 들어가는가, 아니면 몇 달 또는 몇 년 동안 우리 주변의 많은 사람들을 보면서 전문적인 얼굴 지역을 개발합니까? 그녀는“인간 뇌의 기본 구조 조직은 세계가 사람마다 비슷하기 때문에 사람마다 비슷할 수 있습니다. 또는 그 개요는 출생부터있을 수 있습니다.
얼굴을위한 장소
라일리 르블랑은 젖꼭지를 뱉어 울기 시작합니다. 곱슬 할 갈색 머리의 걸레를 가진 5 개월 된 그녀는 Saxe의 실험실 관리자 인 Heather Kosakowski가 MIT의 뇌 및인지 과학 건물의 바닥에 보관 된 Hulking MRI Machine이 서서 Riley를 위아래로 바운스 한 MRI 기계의 헐렁한 MRI 머신 (Hulking MRI Machine)에 서있는 것처럼 그녀의 스와들에게 소란을 일으키고 있습니다. 라일리의 어머니 인 Lori Fauci는 스캐닝 베드에 앉아 뒷주머니에서 다른 젖꼭지를 잡아 당겨 아이를 제공합니다.
여기의 모든 것은 라일리를 진정시키기 위해 설계되었습니다. 방은 부드럽게 켜져 있으며 스피커는 끈적 끈적한 팝송의 팝송을 자장가로 재생합니다 (현재 :Guns N 'Roses의“Sweet Child O'Mine”). 스캐닝 베드에는 스캔 중에 무선 신호의 안테나 역할을하기 위해 특별히 설계된 무선 주파수 코일 (앵글 라운지 및 베이비 크기의 헬멧)이 있습니다. MRI 기계는 아기의 섬세한 청각에 해를 끼치 지 않도록 평소보다 소음이 적은 특수 프로토콜로 프로그래밍됩니다.
라일리가 소란없이 코일에 기꺼이 누워 있기 전에 몇 가지 잘못된 시작이 필요합니다. 그녀의 어머니는 라일리 근처의 얼굴과 손으로 그녀를 진정시키기 위해 그녀의 얼굴과 손으로 배를 배치합니다. Kosakowski는 어머니와 아이를 스캐너로 밀어 내고 창문이있는 편집식으로 움직입니다. 또 다른 실험실 멤버 인 Lyneé Herrera는 MRI 방에 머무르고 Kosakowski에 손으로 신호를주고 Riley의 눈이 열리고 머리 위의 거울을 보면서 그녀에게 알려주는 이미지를 반영합니다.
.팀의 목표는 각 아기가 동영상을보고 모션을보고있는 동안 각 아기로부터 약 10 분의 데이터를 수집하는 것입니다. 이를 달성하기 위해 연구원들은 종종 2 시간의 여러 세션에서 함께 데이터를 평균해야합니다. Kosakowski는“아기가 더 많을수록 10 분을 더 많이 얻을 가능성이 높아집니다. 이것은 라일리의 여덟 번째 방문입니다.
Herrera가 Riley가 낮잠을 멈췄다는 신호를 보낼 때 Kosakowski는 스캐너를 시작하고 아기가 여전히 이미지보다 움직이는 이미지를 볼 가능성이 높기 때문에 스캐너를 시작하고 일련의 비디오 클립을 신호합니다. 잠시 후, Herrera는 손을 닫아 라일리의 눈이 다시 닫혔다는 신호를 보냅니다. Kosakowski는 웃으며 말했다.
유아를 공부하는 것은 항상 창의적인 기술이 필요했습니다. 하버드 의과 대학의인지 신경 과학자 인 찰스 넬슨 (Charles Nelson)은 아동 발달을 연구하는 보스턴 어린이 병원 (Boston Children 's Hospital)은“흥미로운 문제였다”고 말했다. 비슷한 기술은 종종 아기와 비인간 영장류 또는 구두가 아닌 장애 아동을 공부하는 데 사용됩니다. 넬슨은“우리는 원숭이, 아기, 장애가있는 아이를 들여다 볼 수있는 은밀한 조치를 취하고 있습니다.
가장 간단한 것은 자신의 행동을보고, 관찰하거나 시선 추적 기술을 사용하여 자신의 행동을보고 그들이 보는 곳을 지적하는 것입니다. 다른 하나는 뇌 활동을 측정하는 것입니다. 예를 들어, electroencephalography (EEG)는 변동하는 뇌파를 감지하기 위해 아기의 머리에 전극과 와이어의 사랑스러운 두개골을 부착하면됩니다. 그리고 NIRS (Near Infrared Spectroscopy)라는 새로운 기술은 뇌의 혈류 변화를 감지하기 위해 아기의 얇고 부드러운 두개골을 통해 빛을 보냅니다.
두 방법 모두 뇌 활동이 모멘트로 변하는 방법을 보여 주지만 NIR은 뇌의 외부 층에만 도달하며 EEG는 어떤 뇌 영역이 활성인지 정확히 보여줄 수 없습니다. Nature Communications 의 첫 번째 저자 인 Ben Deen은“자세한 공간 조직을 연구하고 더 깊은 뇌 지역으로 가려면 FMRI로 가야합니다. 현재 Rockefeller University의 연구원 인 연구.
다른 방법을 사용하여 연구원들은 아기가 다른 범주, 특히 얼굴의 시각적 입력과 다르게 반응한다는 힌트를 발견했습니다. University College London의 발달 신경 과학자 인 Michelle de Haan은“환경에서 매우 중요한 부분입니다. 생애 첫 몇 주 동안, 유아의 눈은 간호 어머니의 얼굴 거리 주위의 물체에 가장 집중합니다. 일부 연구자들은 아기가 뇌에 깊은 타고난 메커니즘을 가질 수 있으며, 이는 눈이 얼굴을 보도록 지시합니다.
젊은 유아가 다른 것들보다 얼굴을 더 오래 보게 될 것이라는 증거가 있습니다. 얼굴에 대한 아기의 반응은 시간이 지남에 따라 경험이 더욱 전문화됩니다. 예를 들어, 성인은 상승 할 때 두 얼굴을 차별하는 데 어려움을 겪지 만 4 개월 미만의 아기는이 편견이 없습니다. 두 개의 오른쪽에있는 두 개의 거꾸로 된 얼굴을 쉽게 차별 할 수 있습니다. 그러나 약 4 개월 후, 그들은 오른쪽 면직 얼굴에 대한 편견을 얻습니다. 약 6 개월 정도, 얼굴을 보는 영아는 얼굴을 보는 성인의 활동과 비슷한 EEG 서명을 생성합니다.
그러나이 연구는 아기가 얼굴과 같은 특정 범주에 대해 뇌에 약간의 전문화를 가질 수 있다고 제안하지만 Deen은“우리는 신호가 어디에서 왔는지에 대한 세부 사항에 대해 거의 알지 못했습니다.”
.현재 신문의 경우 색소폰과 동료들은 스캔 한 17 명의 아기 중 9 명으로부터 데이터를 얻었습니다. 실험실은 학업에 모집 된 외부 가족에 점점 더 의존하고 있지만, Arthur를 포함하여 "실험실 아기"가 시작되는 데 도움이되었습니다. 색슨의 두 번째 아들 Percy; 그녀의 언니의 아들; 그리고 박사후의 아들. 그들은 아기들에게 얼굴, 자연 장면, 인체 및 대상 (이 경우 장난감)과 이미지의 일부가 뒤죽박죽이되는 스크램블 장면을 제시했습니다. Saxe는 두 자극이 성인 뇌에서 급격한 차이를 만들어 매우 다른 지역에서 활동을 불러 일으키기 때문에 얼굴과 장면에 초점을 맞추고 있다고 말했다.
.놀랍게도, 그들은 아기들에게서 비슷한 패턴을 발견했습니다. Saxe는“얼굴이나 장면에 대한 선호도가있는 성인에서 우리가 알고있는 모든 지역은 4 ~ 6 개월 된 아기에게도 같은 선호도를 가지고 있습니다. 그녀는 피질이“이미 그 기능에 편견을 갖기 시작했다”고 말했다.
아기는이 능력으로 태어 났습니까? Deen은“우리는 무엇이든 선천적이라고 말할 수는 없습니다. "우리는 그것이 매우 일찍 발전한다고 말할 수 있습니다." Saxe는 반응이 시각 피질 (뇌의 구조)을 넘어 확장되었다고 지적했다. 연구원들은 또한 감정, 가치 및 자기 표현에 관여하는 뇌의 영역 인 정면 피질의 차이를 발견했습니다. "아기의 정면 피질 관여를 보는 것은 정말 흥미 롭습니다."라고 그녀는 말했습니다. "이것은 완전히 발전 할 마지막 장소 중 하나라고 생각됩니다."
그러나 Saxe 팀의 팀은 뇌의 비슷한 영역이 아기와 성인에게 활동하고 있음을 발견했지만 영아는 얼굴이나 장면과 같은 특정 입력을 위해 다른 모든 입력을 위해 전문화 된 영역을 가지고 있다는 증거를 찾지 못했습니다. 이 연구에 관여하지 않은 넬슨은 유아 뇌가“다목적”이라고 제안했다. 그는 다음과 같이 덧붙였다.“이것은 영아 뇌와 성인 뇌의 근본적인 차이를 지적합니다.”
.유연한 뇌
아기의 두뇌가 어떻게 다른 모습을 고려할 때 아기의 두뇌가 성인의 두뇌처럼 행동한다는 것은 놀라운 일입니다. MIT의 MRI 방 외부의 컴퓨터 화면에서, 나는 그녀가 낮잠을자는 동안 촬영 된 Riley의 뇌의 해부학 적 이미지를 볼 수 있습니다. 다른 뇌 구조가 명확하게 보이는 성인 뇌의 MRI 스캔과 비교할 때, 라일리의 뇌는 소름 끼치게 어둡게 보입니다.
"이것은 단지 정말 열악한 이미지 인 것 같습니다. 그렇지 않습니까?" Kosakowski가 말했다. 그녀는이 단계의 아기들이 아직 뇌의 백질을 구성하는 미엘린 (myelin)이라는 신경 섬유 주변의 지방 단열재를 아직 완전히 발전시키지 않았다고 설명합니다. 뇌의 두 반구를 연결하는 신경 섬유의 멍에 코퍼스 캘리섬은 희미하게 눈에 띄게 보인다.
이 나이에 아기의 뇌가 넓어지고 있습니다. 뇌 피질은 생후 첫해에 88 % 팽창합니다. 그 세포는 또한 스스로를 재구성하고 서로 신속하게 새로운 연결을 형성하고 있으며, 그 중 다수는 어린 시절과 청소년기 전반에 걸쳐 우승을 차지할 것입니다. 이 단계에서 뇌는 놀랍도록 유연합니다. 아기가 뇌의 전체 반구를 외과 적으로 제거 해야하는 뇌졸중이나 발작이있을 때, 그들은 놀랍도록 잘 회복됩니다. 그러나이 유연성에는 한계가 있습니다. 박탈이나 학대를 경험하는 아기는 평생 학습 적자가있을 수 있습니다.
건강한 인간의 두뇌가 어떻게 발전하는지 연구하면 과학자들이 왜이 과정이 왜 잘못되었는지 이해하는 데 도움이 될 수 있습니다. 예를 들어, 자폐증이있는 많은 어린이와 성인은 얼굴 해석과 같은 사회적 인식 과제에 어려움이있는 것으로 알려져 있습니다. 이러한 차이는 뇌 발달의 초기 단계에 존재합니까, 아니면 얼굴과 사회적 신호에 대한 관심이 부족하여 어린이의 경험에서 나오는가?
우리는 아기의 두뇌가 어떻게 조직되는지 이해하기 시작했습니다. 더 많은 수의 아기들로부터 데이터를 수집하는 데 더 많은 시간이 필요합니다. 그러나 색소폰과 그녀의 동료들은 그러한 연구가 이루어질 수 있음을 보여 주어 새로운 조사 영역을 열어줍니다. Saxe는“깨어있는 아기에게는 좋은 fMRI 데이터를 얻을 수 있습니다. "이제 우리가 배울 수있는 것을 알아 내려고 노력합시다."
