繪制人腦活動圖譜

楊先碧

就像人類基因組圖譜一樣，人腦活動圖譜也將十分復(fù)雜而深奧，因為它其實是一些數(shù)據(jù)的圖示，得借助專門的電腦軟件才能“讀懂”。把我們的腦部活動和這個圖譜進行對比，就知道我們的所思所想。

科學(xué)家已經(jīng)能對許多自然現(xiàn)象進行預(yù)測。比如，明天會不會下雨，明年小行星會不會撞擊地球，某地的活火山會不會在下個月爆發(fā)。但是，科學(xué)家卻很難預(yù)測一個人在下一分鐘想什么：他會產(chǎn)生一個積極的想法，還是會冒出一個罪惡的念頭？科學(xué)家的共識是，自然界中最復(fù)雜、最難研究的不是外在的東西，而是內(nèi)在的東西，那就是人類的思維?？茖W(xué)家認(rèn)為，如果能繪制出人腦活動圖譜，就可以了解人腦的運行機理，從而可以監(jiān)測人們的思維活動，也可以檢測腦部疾病。

人類腦計劃

2011年9月，在英國召開的一次科學(xué)會議上，美國哈佛大學(xué)分子遺傳學(xué)家喬治·丘奇和哥倫比亞大學(xué)神經(jīng)科學(xué)家拉斐爾·尤斯特的一份提議引起了廣泛關(guān)注。該提議內(nèi)容是：通過合作來開發(fā)一些新技術(shù)，用于追蹤人腦各個區(qū)域的活動，最終達到可以測量每一個神經(jīng)細胞活動的水平。此后，不少科學(xué)家開始宣傳這項提議，最終引起了美國政府的關(guān)注。

2013年初，美國總統(tǒng)奧巴馬宣布，美國政府將“推進創(chuàng)新神經(jīng)技術(shù)腦研究計劃”（簡稱人類腦計劃）。2013年9月，美國國家衛(wèi)生研究院宣布，在2014財年將重點資助9個人腦研究領(lǐng)域。這是美國推出人類腦計劃后，相關(guān)政府科研機構(gòu)首次公布具體研究與實施細節(jié)。美國采取“集中力量辦大事”的思路，吸納公立和私營的科研機構(gòu)共同參與人類腦計劃。多家聯(lián)邦公立機構(gòu)將為此計劃撥款。例如，美國國家科學(xué)基金會將提供2000萬美元，用于開發(fā)分子尺度的探測裝置，力爭能感知并記錄神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)活動，并通過“大數(shù)據(jù)”技術(shù)增進對人腦思維、情感、記憶等活動的理解。

美國軍方也參與其中。美國國防部高級研究項目局計劃投入5000萬美元，著重開發(fā)一系列能捕捉、處理神經(jīng)元和染色體活動狀態(tài)的工具，建立相應(yīng)的信息處理系統(tǒng)和修復(fù)機制，以期在士兵遭遇應(yīng)激壓力、腦損傷、記憶損失等問題時協(xié)助診斷和治療。私營機構(gòu)中的一些相關(guān)研究項目也納入到人類腦計劃中，例如，艾倫腦科學(xué)研究所每年將提供6000多萬美元用于開展探索人腦活動的研究項目?；羧A德·休斯醫(yī)學(xué)研究所有一片研究神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的科技園區(qū)，每年將提供至少3000萬美元的資助。

雖然人類腦計劃目前由美國科學(xué)界主導(dǎo)，但是大多數(shù)神經(jīng)科學(xué)家認(rèn)為，這項研究不可能由美國“吃獨食”。就像人類基因組計劃當(dāng)時由美國科學(xué)家主導(dǎo)一樣，龐大而復(fù)雜的人類腦計劃最終還得靠中國、英國、日本、德國、加拿大等多國科學(xué)家來合作完成。

人腦活動圖譜

在人類腦計劃中，一個核心的內(nèi)容就是繪制人腦活動圖譜（英文簡稱為BAM）?；蛟S不少人會誤解人腦活動圖譜就是人腦的三維圖像，其實描繪人腦的“外貌”并不困難。人腦活動圖譜中最困難的部分是“活動”，主要是“記錄每一個神經(jīng)環(huán)路中每一個神經(jīng)元的每一個鋒電位”。也就是說，要記錄每個腦部位中各個神經(jīng)細胞的活動情況。最終完成的人腦活動圖譜將展示人腦中每一個神經(jīng)細胞的活動模式，也會展示何種神經(jīng)纖維在何時放電，以及各種神經(jīng)活動是以何種方式同步發(fā)生的。

雖然人腦活動圖譜名為圖譜，但是它不是簡簡單單的一張圖畫，而是一個龐大數(shù)據(jù)庫的集合，其中展示了人腦中的各種生物電活動。就像人類基因組圖譜一樣，人腦活動圖譜也十分復(fù)雜而深奧，我們是難以看懂的，甚至一些腦科學(xué)家也看不懂，因為它其實是一些數(shù)據(jù)的圖示，得借助專門的電腦軟件才能“讀懂”。人腦活動圖譜相當(dāng)于一個標(biāo)準(zhǔn)，把我們的腦部活動和這個圖譜進行對比，就知道我們的所思所想。

目前，科學(xué)家只能對人腦活動進行粗略的測量。他們可以通過一些儀器對人腦廣闊區(qū)域的活動進行探測，或者測量單個或小群的神經(jīng)細胞的活動。然而，這些儀器掃描人腦生成的是一些模糊的圖像，缺乏對細節(jié)的描繪。聚焦于單個或小群的神經(jīng)細胞，倒是能生成相對清晰一些的圖像，但是這些圖像用途不大，因為人類的思維活動是人腦多個區(qū)域共同合作的結(jié)果，涉及的神經(jīng)細胞至少有幾千個，復(fù)雜一點的思維活動則需要幾百萬個神經(jīng)細胞和神經(jīng)纖維來完成。

正因為目前的人腦掃描方法存在局限性，科學(xué)家希望開發(fā)出新的方法來直觀地展現(xiàn)人腦的活動。這要求新型腦成像技術(shù)具有高時間、空間分辨率，并與電子探針、納米技術(shù)等密切結(jié)合。繪制人腦活動圖譜的方法與繪制人類基因組圖譜的方法有些類似，那就是從局部到整體。人類基因組是從單個基因開始，然后延續(xù)到一些基因片段，最后連接成整個人類基因組圖譜。同樣，繪制人腦活動圖譜得從神經(jīng)細胞開始，然后延續(xù)到功能區(qū)域，最后擴展到人腦乃至整個神經(jīng)系統(tǒng)。

盡管測繪人類人腦活動圖譜是一項更艱巨的任務(wù)，但這一巨大的挑戰(zhàn)是刺激新工具的研發(fā)以及跨學(xué)科的科學(xué)家通力協(xié)作所必需的。丘奇和尤斯特等人認(rèn)為，人腦活動圖譜相關(guān)技術(shù)的開發(fā)將分四個階段：第一階段，集中研發(fā)新影像工具，可以利用光去穿透腦組織，探測并操控細胞功能；第二階段，通過利用新一代的電子探針，同時監(jiān)測和操控大量的細胞；第三階段，利用最新的納米技術(shù)，對單個神經(jīng)細胞內(nèi)的活動進行實時匯報；第四階段，利用人類基因組計劃的相關(guān)模式，建立數(shù)據(jù)分析和共享系統(tǒng)，多國科學(xué)家合作繪制出完整的人腦活動圖譜。

從動物到人類

由于科學(xué)和道德的原因，科學(xué)家開始將不會大規(guī)模進行人腦活動圖譜的研究，而是從一些“模式動物”入手開發(fā)新技術(shù)，并積累相關(guān)研究經(jīng)驗。從科學(xué)的層面上來分析，任何科學(xué)研究都是循序漸進的，一些低等動物的腦要比人腦簡單得多，它們的腦部活動圖譜相對容易獲得。從道德的層面來分析，新的腦部掃描技術(shù)可能存在一些潛在的危害，先對動物進行實驗和觀察，就可以逐步改進和完善相關(guān)技術(shù)，最終可以做到?jīng)]有危害或者危害十分微小，這樣應(yīng)用到人腦掃描時就沒有道德風(fēng)險了。

根據(jù)人類腦計劃的相關(guān)規(guī)劃，科學(xué)家在5年以后才能完成對秀麗隱桿線蟲腦部活動圖譜的繪制。秀麗隱桿線蟲是一種低等動物，它的腦部只有302個神經(jīng)細胞和大約7000個神經(jīng)節(jié)點。10年之后，科學(xué)家預(yù)期可以繪制擁有大約13萬個神經(jīng)細胞的果蠅的腦部活動圖譜。15年后，預(yù)計可以觀測更加復(fù)雜的斑馬魚的腦部活動，或老鼠腦部皮層中一些區(qū)域的活動。從這些規(guī)劃可以看出，人類腦計劃的研究任重而道遠，20年內(nèi)是難以完成對人腦活動圖譜的繪制的。

研究腦部活動有何好處

在人類基因組計劃實施之前，曾有人認(rèn)為基因測序是白日夢，然而人類基因組圖譜最終繪制成功，令基因科學(xué)出現(xiàn)了革命性的進步，也徹底讓反對者“閉嘴”了。科學(xué)家進行腦科學(xué)研究，也是希望人類腦計劃能使神經(jīng)科學(xué)的技術(shù)發(fā)生變革，最終使人類對人腦功能的理解發(fā)生革命性變化。

人類腦計劃的倡導(dǎo)者之一保羅·埃爾維賽特斯認(rèn)為，人類腦計劃的意義可與人類基因組計劃相媲美。歷時十多年的人類基因組計劃讓科學(xué)家完成了對人類基因組圖譜的繪制，讓人們可以從基因?qū)用鎭碚J(rèn)識人類的一些外貌、行為和疾病的產(chǎn)生原因，對研究人類行為和促進健康產(chǎn)生了深遠的影響。人類腦計劃的目標(biāo)是探索人腦工作機制和繪制腦活動圖譜。它也將和人類基因組計劃一樣，更加深入地探索人類行為的深層原因，并有利于促進人類神經(jīng)系統(tǒng)的健康。

目前科學(xué)家還無法保證人腦活動圖譜的實際應(yīng)用，但是一旦成功，人腦活動圖譜的應(yīng)用將十分廣泛。它可以告訴我們決策在人腦中是如何形成的，我們?nèi)绾尾拍苓M行合理、正確的決策；它可以告訴我們非正常的想法和行為是怎樣產(chǎn)生的，這樣就可以有效地預(yù)防和治療精神病，預(yù)測和減少犯罪行為和恐怖活動；它可以監(jiān)測神經(jīng)細胞和神經(jīng)纖維的活動，發(fā)現(xiàn)即將或已經(jīng)發(fā)生病變的腦部區(qū)域；它可以應(yīng)用于人工智能領(lǐng)域，讓科學(xué)家模擬人腦制造高端智能機器人。要實現(xiàn)上述目標(biāo)，可能需要30年或許更長的時間。但是，將來人們必定可以享受到人腦活動圖譜帶來的好處。

（作者單位：上海科學(xué)技術(shù)出版社）