神經科學的藝術

墨水、水彩和鉛筆似乎不是神經科學家必不可少的工具。然而，這些正是現代神經科學之父聖地亞哥·拉蒙-卡哈爾用來發現神經元是大腦主要功能單元的工具。他對腦細胞錯綜複雜的描繪就像一面透鏡，他可以透過它來檢查腦細胞的結構如何決定其功能。

拉蒙-卡哈爾在 19 世紀末和 20 世紀初的素描與充斥著大多數現代教科書的平淡插圖截然不同。它們本身就是藝術品——精緻的黑色墨水卷鬚從單個細胞體中分叉出來，並與相鄰的神經元纏繞在一起。它們至今仍因其展現神經系統內在美的力量而受到讚譽。

今天的插圖工具更加技術化。科學家使用化學染色劑為細胞注入熒光，或使用成像機器用色彩爆發來突出大腦活動。但結果往往是相同的：壯觀的視覺效果，幫助我們更好地瞭解我們內心世界的運作方式。

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在研究過程中收集的影像很少有逃脫實驗室的，但年度神經科學藝術競賽有助於將其中一些影像公之於眾。該競賽由荷蘭神經科學研究所的 Tycho Hoogland、Chris Klink 和 Cathrin Canto 組織，旨在表彰一位大獎得主和四位榮譽提名獎得主，這些獎項來自廣泛的參賽作品，所有參賽作品都旨在以某種方式將藝術與科學結合起來。接下來是今年參賽作品的子集——一些獲獎作品，以及我們認為特別美麗或具有啟發性的其他作品。所有提交的作品都可以在 http://aon.nin.knaw.nl 上檢視。

大獎得主

1. 互波機器

點選或輕觸放大

您被黑暗籠罩。一束光在您面前噴射而出，投射到半透明的白色螢幕上。當它聚整合一張臉——您的臉時，它會跳動。這種奇觀是互波機器的盛大結局，只有當合作夥伴一起坐在機器內部時才能看到，他們可以真正達到相同的波長。頭戴式耳機使用微小的腦電圖監測器測量每個人的腦電波。當他們的頻率對齊時，投影光中會出現圖案。同步性越高，影像越生動，逐漸變形為他們面部的影像。

紐約大學和荷蘭烏得勒支大學的研究員 Suzanne Dikker 和藝術家 Matthias Oostrik 創作了這個裝置，該裝置現已在世界各地展出。它使通常是模糊的事物變得直接：兩個人之間的個人聯絡。

榮譽提名獎

2. 軸突的形狀

一種名為髓磷脂的蛋白質包裹軸突，使其成為更好的導電體。在這張由牛津大學 MRI 物理學博士後 Michiel Kleinnijenhuis 準備的橫截面圖中，一組單獨的軸突呈現紅色，周圍包裹著白色的髓磷脂鞘。該檢視使人們更容易看到它們可變的大小和形狀。軸突的直徑和密度以及其他特性，決定了它的工作效果，是研究大腦功能的有用指標。

3. 揭穿大腦神話

大腦非常複雜，關於大腦的神話也層出不窮：我們只使用了大腦的 10%。左腦型人更理性，右腦型人更具藝術性。有一種激素使我們墜入愛河。等等。荷蘭阿姆斯特丹自由大學的神經科學家 Rhiannon Meredith 製作了一個影片系列，可透過 YouTube 觀看，以澄清事實。這張靜止影像來自最後一個影片，該影片解釋了為什麼大腦訓練遊戲不會提高您的整體智力。人們認為，學習新事物只會改變直接參與該活動的細胞，如圖所示。

4. 北極光

在這位法國藝術家 Alicia Lefebvre 的畫作中，海馬體切片類似於著名的北極光。這個大腦區域具有明確定義的層，每一層都具有特定型別的細胞，此處以不同的色調描繪。這些細胞在記憶鞏固過程中發揮著相對不同的作用——大腦將記憶從短期轉換為長期的過程。該區域也是阿爾茨海默病中最早受損的區域之一。

5. 靈魂之蝶

聖地亞哥·拉蒙-卡哈爾將神經元描述為“神秘的靈魂之蝶”，研究助理 Robin Scharrenberg 說，當他在德國漢堡-埃彭多夫大學醫療中心漢堡分子神經生物學中心研究小鼠錐體細胞（如圖所示）時，這句話一直縈繞在他的腦海中。他試圖瞭解這些細胞（新皮層中最常見的神經元之一）的結構變化如何導致類似於自閉症譜系障礙中發現的功能變化。從這張影像中可以清楚地看出，錐體細胞通常具有一個長軸突，該軸突延伸出去向其他細胞傳遞訊號，以及較短的分支狀樹突，這些樹突靠近細胞體以接收資訊。

編輯精選

也許最好的藝術作品是那些揭示其內容真實性的作品。大眾科學-思想 編輯選擇以下影像不僅是因為它們的視覺吸引力，還因為它們揭示了大腦的奧秘。它們代表了一系列科學思想和成像技術，並且位於藝術和神經科學的交叉點。

6. 聲音的突觸感知

當我們聽到聲音時，聲音會以空氣中的物理波的形式進入耳朵，但必須變成化學訊號才能被我們的大腦理解。毛細胞（此處以綠色顯示）執行關鍵的轉換。這些細胞具有微小的手指狀突起，當波浪經過它們時，這些突起會擺動。這種運動會開啟和關閉細胞中微小的通道，啟動電訊號——進而變成化學神經遞質訊號——傳遞到大腦的聽覺處理區域進行解釋。荷蘭格羅寧根大學醫療中心的神經科學家 Sonja Pyott 使用熒游標記來突出每個結構，作為她預防和逆轉聽力損失研究的一部分。

7. 星狀神經節著火

在章魚的大腦和周圍神經系統之間，存在著一組稱為星狀神經節的神經，此處以紅橙色顯示。只有兩條外套神經與星狀神經節相連。切斷其中一條會消除肌肉控制，但由於其先進的再生能力，章魚可以在短短幾個月內重新長出神經並恢復連線。這張由義大利那不勒斯安東·多恩動物學站的博士生 Pamela Imperadore 創作的影像顯示了一個星狀神經節，僅在一條神經被切斷幾天後。

8. 註定消逝的瞬間

這張影像中散佈的黑色看起來像是無害的油漆飛濺，但實際上是阿爾茨海默病背後的主要誘因之一。澱粉樣斑塊——在神經元之間的空間中形成的一團團錯誤摺疊的蛋白質——可以在正常大腦中發展。但是，如果它們沒有被清除並開始積累，它們就會擾亂大腦功能。這張由澳大利亞昆士蘭腦研究所的顯微鏡裝置經理 Luke Maninov Hammond 拍攝的影像來自 Jürgen Götz 及其同事進行的一項研究，該研究調查超聲波是否可以減少小鼠大腦中的澱粉樣斑塊。紅色和藍色的小膠質細胞（大腦中主要的免疫細胞型別）與黑色斑塊形成對比。

9. 大腦印象派

這個黑色、粗糙的神經元漂浮在粉紅色的海洋中，像一棵垂死的樹——事實上，它正在退化。它的顏色來自一種稱為氨基銀銅的染色劑，最初用於識別神經退行性疾病，因為只有垂死的神經元才會吸收它。阿根廷梅賽德斯和馬丁·費雷拉醫學研究所的神經科學家 Soledad de Olmos 透過用病毒感染小鼠來製作這張影像，該病毒會導致大腦炎症，從而使神經元過於興奮。這種過度興奮會引起興奮性毒性，神經細胞會頻繁放電以至於損害自身結構。興奮性毒性與許多神經退行性疾病有關，例如阿爾茨海默病、多發性硬化症和肌萎縮側索硬化症。

10. 心靈空間

在這張影像中，藝術家 Elizabeth Jameson 回收了用於診斷和追蹤她自身多發性硬化症病例的大腦掃描影像。這張特殊的掃描影像是一種稱為彌散張量成像的 MRI 型別，用於觀察大腦中物質的流動。當 Jameson 擺弄掃描影像時，她偶然發現了這張心的影像，這讓她瞬間感到驚奇。她說，這種愛的象徵和同情心被嵌入到她患病大腦的分析掃描影像中，讓她感到振奮。