自我之影:一幅艺术化的大脑切片

作者: FranklinWhite

来源: 果壳网

发布日期: 2016-11-04

神经学博士格雷格•邓恩与应用物理博士布赖恩•爱德华兹合作,创作了一幅名为“自我之影”的艺术作品,该作品通过放大22倍的金色“大脑切片”展示了人脑的复杂神经网络。作品结合了神经解剖学知识与艺术创作,通过微蚀刻技术和LED灯光展示神经信号的流动,旨在向观众展示大脑的复杂性和人性。

大脑,我们身上最复杂的器官,一切感受、行动与思想的发源地。如果查查资料,不难了解到有关人脑的种种知识:这坨软趴趴的东西大约有1.2~1.4千克重,在纵横的褶皱里折叠收纳着广阔的表面积。而最重要的,还是其中复杂有序的神经元网络。2009年的一项研究估计,人脑子里的神经元数量约有860亿。860亿?哦,这听起来……似乎是够多的。但是,书本、论文上的数字依然十分抽象。脑子里的神经网络究竟是什么样?

人们还是很难产生直观的感受。这时候,就轮到搞艺术的科学家登场了。来看看这幅放大22倍的金色“大脑切片”吧:在2016年6月,神经学博士格雷格•邓恩(Dr. Greg Dunn)联手应用物理博士布赖恩•爱德华兹(Dr. Brain Edwards)推出了这件艺术作品。与教科书上平淡的插图不同,这幅作品是基于神经解剖学理解的艺术化再创作。

在8×12英尺(2.43×3.66米)的展示区域内,聚集着密密麻麻、彼此交织的“脑神经元”,总共有50万个之多。邓恩一直倾心于在作品中表现神经系统之美。早在2011年,获得了宾夕法尼亚大学神经学博士学位的他就踏上了艺术的道路。他早期的创作将神经结构与东方传统绘画相结合,给人们带来了焕然一新的体验。而近年来,他的作品日趋精细复杂。

单是把这么多神经元排列在一起,场面已经相当壮观,但这可不只是一幅静态的画像。当投射在上面的光线移动起来时,真正的好戏这才上演。随着灯光游移,展现在观者眼前的是一幅流动的图景:光线所到之处,神经元们被依次“点亮”,金色的闪光,就象征着神经信号的流动。这件作品被称为“自我之影”(Self Reflected)。

它展示的是大脑在受到艺术作品的视觉刺激之后所发生的活动,而当欣赏者驻足观看时,他们的脑中也正闪现着这番光景。通过对金属表面的精细加工,光线反射被组织成了有序的“神经传导图”。改变观察视角,也总会从中看到新的光影变幻。在这件作品中,我们所看到的是人脑中一个从右向左略微倾斜的矢状截面(注:矢状面即前后方向的纵切面)。

当光束从左往右移动,我们可以看到反射光表现的“神经冲动”依次经过各个功能脑区:小脑、丘脑、嗅球、基底核、脑桥,以及负责不同功能的大脑皮层——额叶皮质(与情绪和个性有关),运动皮质,感觉皮质以及视皮质。不同的是,我们的大脑只需要500微秒就能完成整个过程。《自我之影》的制作过程。左图为画作取材的大脑截面示意MRI图;右上为光蚀刻的过程;右下为覆盖金箔的过程。

图片来自:BRIAN EDWARDS/GREGG DUNN。如此精妙绝伦的作品背后,是长达两年的艰辛过程,以及科学技术的支持。整个过程结合了手绘、科学数据、计算机模拟、光刻、镀金,以及最终的照明设计。首先,邓恩亲手设计绘制了共150种神经元图像。在爱德华兹的帮助下,这些神经元分别被扫描,并且在电脑上排布到了正确的解剖部位。

然而,这还远远不够——就像每一场成功的交响乐一样,光是凑齐“乐手”可不行,更重要的是让他们形成相互联系的网络,并有序地进行“演奏”。运用爱德华兹的算法,他们花了2周时间在计算机上模拟了大脑的发育模式,最终将50万个神经元相互连接在了一起。至此,这幅作品才完成了草图部分。计算机生成的部分“神经通路图纸”(小脑),彩色图像体现了神经信号随时间的变化。

图片来自:BRIAN EDWARDS/GREGG DUNN。有了计算机上的设计图纸,接下来还需要一种关键技术来实现最终的反射效果——那就是“微蚀刻”(Miroetchings)。这与那些加工芯片的光刻技术类似:在不锈钢板上覆盖光敏聚合物,再用精准控制的光线进行“雕刻”。对表面不同角度的加工改变了局部对光线的反射,这样就能让神经元被特定方向的光照“点亮”。观众们在展品面前移动视角,也会让画面动起来。

最后,作品的表面被手工镀上1750片金箔。在展示台上,还安装了144个LED灯组成的阵列,来展现微蚀刻作品上的光影流动。随着光线的流转,电信号似乎从大脑的一个区域扩散到另一个,而且每一个观察角度都传递了有微小差异的信息。“当你看到光线划过如此一个庞然大物,整个神经活动逼真地在你的眼前爆炸,甚至一个小孩也能当即惊呼:‘天啊,这真的太复杂了!’”邓恩说。“然而这只是大脑真正复杂程度的亿分之一。

”当144个LED灯全部点亮,我们看到的就是海报上的黄金全脑图像。在作品展示中,光束经历了5秒时间依次通过各个脑区,而在现实中,神经冲动传递的速度是它的1万倍。《自我之影》的动态全貌。原视频来自:NewsWorks。这无疑是目前世界上最为精细复杂的脑神经艺术,但即便如此,它依然难以与真实的人脑媲美。

通过艰辛的工作和不断的修改,是大脑创造了我们所看到、听到、感知到甚至想到的一切,也正是大脑创造了人性。而这幅作品,旨在向我们展示一个人性与“自我”的镜像。

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