“大腦活動(dòng)圖譜”的研究費(fèi)思量

楊雄里

楊雄里院士

美國總統(tǒng)奧巴馬在2013年度的國情咨文中提到了大腦活動(dòng)圖譜 （Brain ActivityMapping，BAM）項(xiàng)目計(jì)劃，與此同時(shí)，歐盟委員會(huì)以10億歐元啟動(dòng)了相關(guān)的人腦計(jì)劃（Human Brain Project，HBP）。 這引起了科學(xué)界以及國內(nèi)外媒體的廣泛關(guān)注。本期《世界科學(xué)》就BAM以及HBP項(xiàng)目提出的背景、研究主題以及前景展望作了較詳盡的介紹。

“大腦活動(dòng)圖譜”的研究頗費(fèi)思量

這一項(xiàng)目的提出反映了人類對(duì)探索大腦奧秘這一重要科學(xué)問題的高度關(guān)注。闡明腦和神經(jīng)系統(tǒng)工作原理和機(jī)制通常被認(rèn)為是自然科學(xué)的“最后疆域”（last frontier），它所蘊(yùn)涵的科學(xué)意義以及對(duì)人類社會(huì)發(fā)展的推動(dòng)作用日益深刻地為人們所認(rèn)識(shí)。以腦和神經(jīng)系統(tǒng)為研究目標(biāo)的統(tǒng)一學(xué)科——神經(jīng)科學(xué)自上世紀(jì)60年代初誕生以來，已成為生命科學(xué)、乃至所有自然科學(xué)中，發(fā)展得最為迅速的領(lǐng)域之一，引起了科學(xué)界和政府的高度重視。

美國國會(huì)把20世紀(jì)90年代命名為 “腦的十年”，大力加強(qiáng)對(duì)腦科學(xué)研究的支持和宣傳，并得到了許多國家的支持，日本推出的“腦科學(xué)時(shí)代”的龐大計(jì)劃隨即應(yīng)運(yùn)而生。中國神經(jīng)科學(xué)家們，以不遑多讓的歷史使命，大力呼吁加強(qiáng)我國腦科學(xué)研究，得到了政府積極的回應(yīng)，“攀登計(jì)劃”、“973項(xiàng)目”中有關(guān)腦研究項(xiàng)目的設(shè)立即是明證。二十年來，這一領(lǐng)域新的成果不斷涌現(xiàn)，新的發(fā)現(xiàn)接踵而至，人們對(duì)腦的認(rèn)識(shí)早非往昔可同日而語！

腦科學(xué)研究正進(jìn)入一個(gè)新時(shí)代。在腦研究飛速發(fā)展的背景下，有遠(yuǎn)見的睿智科學(xué)家們清醒地認(rèn)識(shí)到，盡管在細(xì)胞、分子水平上對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)的活動(dòng)已經(jīng)十分深入，而在整體水平，運(yùn)用正電子發(fā)射斷層掃描術(shù)（PET）和磁共振成像術(shù)（MRI），也已能無創(chuàng)監(jiān)測腦內(nèi)各區(qū)神經(jīng)元的活動(dòng)狀況，但是在這兩方面的研究之間還存在著巨大的鴻溝，對(duì)于產(chǎn)生知覺或思維的涉及數(shù)千乃至上百萬神經(jīng)元活動(dòng)的監(jiān)測以及細(xì)致的分析，仍然缺少有效的技術(shù)手段。

在筆者來看，這正是BAM項(xiàng)目提出的科學(xué)背景。因此，以此為契機(jī)，大力發(fā)展新的技術(shù)，特別是新的成像技術(shù)、電子探針、納米技術(shù)，從而有可能探索神經(jīng)元集群的功能狀態(tài)及動(dòng)態(tài)變化，了解不同腦區(qū)間的功能連接，切實(shí)彌補(bǔ)目前腦研究中顯而易見的鴻溝，這無疑是對(duì)腦研究的重大推動(dòng)；而其研究成果也將有助于進(jìn)一步了解某些神經(jīng)、精神疾患（如癲癇、精神分裂癥）的大腦活動(dòng)的異常，從而提出更有針對(duì)性的治療對(duì)策。

十年時(shí)間太短，甚至幾十年都太短

但是，我們需要充分認(rèn)識(shí)到問題的復(fù)雜性。在眾多介紹BAM項(xiàng)目的文章中，多把這一計(jì)劃與人類基因組計(jì)劃（HGP）相類比，還有人預(yù)期“在不久的將來會(huì)如同HGP一樣獲得巨額回報(bào)”。筆者認(rèn)為，這樣的類比值得商榷。且不說開發(fā)上述新技術(shù)并非易事，有待時(shí)日，更重要的是對(duì)腦的高級(jí)功能研究，特別是高級(jí)認(rèn)知功能的研究，有其固有的復(fù)雜性。

腦的功能是一種涉及大群神經(jīng)元活動(dòng)以及相互作用的動(dòng)態(tài)過程，這種過程會(huì)因內(nèi)外環(huán)境的變化呈現(xiàn)出極其復(fù)雜的、多維度的改變，這種變化所導(dǎo)致的后果便是：腦活動(dòng)的不確定性和難以重復(fù)（例如，幾乎無法在相同的物理環(huán)境中重復(fù)同樣的夢境）。這意味著腦高級(jí)活動(dòng)（精神活動(dòng)）遵循的規(guī)律并不完全與物質(zhì)世界運(yùn)動(dòng)的規(guī)律相同，需要探索新的規(guī)律。

腦研究的另一個(gè)復(fù)雜性是神經(jīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能不是一成不變的，會(huì)隨著環(huán)境、刺激等狀態(tài)而發(fā)生可塑性變化?？傊窠?jīng)系統(tǒng)是一個(gè)不同于一般物理、化學(xué)系統(tǒng)，甚至一般生物學(xué)系統(tǒng)的一種特殊的系統(tǒng)，與這樣的系統(tǒng)打交道的研究計(jì)劃，與HGP計(jì)劃的不同是不言而喻的。

對(duì)腦的復(fù)雜性在科學(xué)界是有共識(shí)的，正是基于這種共識(shí)，即使建議這項(xiàng)計(jì)劃的科學(xué)家也認(rèn)為，應(yīng)該先從神經(jīng)元數(shù)量十分有限的簡單的生物體（如線蟲、果蠅）入手，而在第一個(gè)十年中，計(jì)劃的大部分經(jīng)費(fèi)主要用于“模式生物”的實(shí)驗(yàn)。當(dāng)然，隨著新技術(shù)、新方法的不斷問世，隨著對(duì)問題的理解的日益深入，我們將有可能把實(shí)驗(yàn)逐漸過渡到哺乳動(dòng)物、靈長類、乃至人類的大腦。但這將是一個(gè)漫長而艱難的征程。

筆者在有關(guān)BAM的一篇記者采訪中曾說：“科學(xué)家對(duì)阿爾茲海默氏癥的病因，至今還是眾說紛紜，這就很生動(dòng)地說明了對(duì)腦的重大問題的研究不是通過幾年的努力便能一蹴而就的?！币虼?，要努力避免一種誤解，即在十年后科學(xué)家就有可能提供一幅人腦活動(dòng)的全景圖。實(shí)現(xiàn)這個(gè)宏大的目標(biāo)，十年太短，甚至幾十年都太短，但是，不懈的努力無疑將使我們逐漸逼近這個(gè)目標(biāo)。