美國(guó)腦活動(dòng)圖譜計(jì)劃解析

張 婷 王曉民

(首都醫(yī)科大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院神經(jīng)生物學(xué)系，北京100068)

1 BAM項(xiàng)目提出的背景

美國(guó)卡弗里基金會(huì)在2011年9月組織了一次頭腦風(fēng)暴，召集者是該基金會(huì)的科學(xué)項(xiàng)目副總裁全美永，牽頭人是哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院的遺傳學(xué)家喬治丘奇，此人是人類基因組計(jì)劃的創(chuàng)始人之一。另外，哥倫比亞大學(xué)的神經(jīng)科學(xué)家拉斐爾 尤斯特等人參加了會(huì)議。此次頭腦風(fēng)暴最終形成了腦活動(dòng)圖譜(brain activity mapping，BAM)的項(xiàng)目建議書。2012年1月6日，卡弗里基金會(huì)未來研討會(huì)又一次將BAM作為一項(xiàng)主要議題進(jìn)行討論，并將該項(xiàng)目實(shí)施的目標(biāo)、相關(guān)細(xì)節(jié)和初步方案發(fā)表在《Neuron》雜志上。這一文章很快被白宮科學(xué)與技術(shù)政策辦公室所注意，正好奧巴馬總統(tǒng)想從科學(xué)上尋求突破，于是就有了今年2月美國(guó)總統(tǒng)國(guó)情咨文中關(guān)于推動(dòng)腦科學(xué)研究和4月初奧巴馬總統(tǒng)關(guān)于啟動(dòng)“大腦活動(dòng)圖譜”計(jì)劃的講話。最近《Science》雜志編輯撰文，再一次詳盡解釋了BAM項(xiàng)目，力圖讓公眾了解BAM的真正價(jià)值。

2 BAM項(xiàng)目的目標(biāo)

BAM項(xiàng)目旨在記錄一個(gè)神經(jīng)環(huán)路中每一個(gè)神經(jīng)元的動(dòng)作電位。這一記錄必須與行為輸出或思維狀態(tài)在時(shí)間上匹配，才能實(shí)現(xiàn)對(duì)一個(gè)神經(jīng)環(huán)路的完整功能描述。該圖譜將超越“結(jié)構(gòu)連接組”而實(shí)現(xiàn)“功能連接組”。通過將神經(jīng)環(huán)路的放電活動(dòng)與功能或行為輸出相匹配，使人們了解神經(jīng)編碼及其對(duì)行為或思維的調(diào)控。這一研究還對(duì)大腦正常生理狀態(tài)及病理狀態(tài)進(jìn)行診斷和存儲(chǔ)，促進(jìn)更廣泛的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用，產(chǎn)生相關(guān)經(jīng)濟(jì)效益［1］。

BAM項(xiàng)目實(shí)際上是一個(gè)技術(shù)研發(fā)項(xiàng)目，目標(biāo)有3個(gè):①對(duì)大腦神經(jīng)環(huán)路中大部分甚至所有神經(jīng)元同時(shí)進(jìn)行影像學(xué)或電生理記錄的工具的研發(fā);②對(duì)神經(jīng)環(huán)路中每一個(gè)神經(jīng)元單獨(dú)進(jìn)行調(diào)控的工具的研發(fā);③了解神經(jīng)環(huán)路的功能［2］。

3 BAM項(xiàng)目需要的研究方法［1］

3.1 影像學(xué)記錄神經(jīng)元放電(圖1)

圖1 雙光子鈣成像顯示海馬神經(jīng)元活動(dòng)［2］

腦磁圖(magnetoencephalography，MEG)和功能磁共振成像(functional magnetic resonance imaging，fMRI)等技術(shù)可對(duì)全腦活動(dòng)模式進(jìn)行捕捉，但缺乏單個(gè)神經(jīng)元信息。因此，人們做了大量的努力，以期在研究神經(jīng)環(huán)路功能的同時(shí)對(duì)單個(gè)神經(jīng)元的活動(dòng)進(jìn)行記錄。

光學(xué)技術(shù)的侵入性最小，時(shí)間和空間自由度最大，具有單細(xì)胞分辨率且可用于活組織甚至清醒動(dòng)物。鈣成像可記錄一個(gè)神經(jīng)環(huán)路中的多個(gè)神經(jīng)元活動(dòng)，盡管時(shí)間分辨率有限，該技術(shù)可以離體或在體的部分重構(gòu)大量神經(jīng)元的放電模式。電壓成像在時(shí)間上的精度比較高，但信噪比太低。因此，高信噪比的電壓指示劑一直在積極研發(fā)中，納米顆粒顯示出巨大前景。

無論應(yīng)用何種方法對(duì)神經(jīng)元活動(dòng)進(jìn)行成像，如果要記錄所有神經(jīng)元，那么成像神經(jīng)元的數(shù)目以及成像組織的深度都需要提高。于是，光學(xué)硬件和計(jì)算機(jī)手段的發(fā)展將用以解決這些問題，例如雙光子激發(fā)熒光顯微鏡對(duì)活體組織能達(dá)到很高深度的探測(cè)，最深可達(dá)1 mm。這些新技術(shù)的結(jié)合可能會(huì)對(duì)清醒動(dòng)物不同腦區(qū)神經(jīng)元進(jìn)行3D影像記錄，而光纖和內(nèi)窺鏡的應(yīng)用則使深層組織如海馬得以記錄。

3.2 應(yīng)用納米探針大范圍記錄電信號(hào)(圖2)

對(duì)神經(jīng)元活動(dòng)的電生理記錄目前可通過硅基納米探針實(shí)現(xiàn)，包含幾十個(gè)電極的硅基探針目前已商業(yè)化，每個(gè)探針可記錄幾十個(gè)位點(diǎn)。如果將這些二維陣列級(jí)聯(lián)成三維探針陣列就可以記錄幾十萬個(gè)位點(diǎn)。目前仍有很多技術(shù)難題有待攻克，而當(dāng)技術(shù)日臻完美，通過高級(jí)峰電位分類算法可以記錄到數(shù)以千計(jì)的神經(jīng)元放電。理想狀態(tài)時(shí)(Holy Grail)，該系統(tǒng)可同時(shí)記錄百萬個(gè)電極，保持相同帶寬，將電極間距降至約15微米，并在皮層水平將探針長(zhǎng)度增加到幾厘米。這些需要系統(tǒng)工程學(xué)的重大創(chuàng)新。

3.3 無線技術(shù)及合成生物學(xué)手段(圖3)

圖2 硅基納米探針陣列［1］

圖3 合成生物學(xué)方法示意圖［1］

對(duì)神經(jīng)元群活性進(jìn)行無線、非侵入的記錄也非常重要。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)需要硅基超大規(guī)模集成電路(VLSI)的無線電子電路或合成生物學(xué)成分，或者二者的結(jié)合。未來，將無線微芯片植入活體腦組織檢測(cè)神經(jīng)元活動(dòng)將成為可能。合成生物學(xué)手段作為替代硅基VLSI的方法也可以實(shí)現(xiàn)神經(jīng)元活動(dòng)的非侵入性記錄。例如，DNA聚合酶可作為神經(jīng)元放電感受器，因?yàn)樗鼈兊某鲥e(cuò)率取決于陽離子濃度。一個(gè)預(yù)先設(shè)計(jì)好的DNA分子通過合成過程可記錄出錯(cuò)情況，而這一情況反映了每個(gè)細(xì)胞的放電情況。該手段的信息存儲(chǔ)量巨大。一般一個(gè)直徑5 μm的合成細(xì)胞可至少攜帶6千萬對(duì)DNA堿基對(duì)，編碼7 d的100Hz放電數(shù)據(jù)。

4 BAM項(xiàng)目的十五年計(jì)劃［1］

BAM項(xiàng)目起初計(jì)劃對(duì)模式生物進(jìn)行研究。第一個(gè)五年，對(duì)較小且簡(jiǎn)單的神經(jīng)環(huán)路(少于7萬個(gè)神經(jīng)元)的活動(dòng)進(jìn)行重構(gòu)。線蟲是這一階段最合適的模式動(dòng)物，整個(gè)大腦連接組可進(jìn)行研究。而果蠅大腦的一些獨(dú)立區(qū)域如延髓，小鼠視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞的功能在這一階段可進(jìn)行研究。第二個(gè)五年，對(duì)100萬個(gè)以內(nèi)的神經(jīng)元活動(dòng)進(jìn)行研究，包括完整的果蠅大腦、斑馬魚的中樞神經(jīng)系統(tǒng)、小鼠視網(wǎng)膜或海馬等?？蓪?duì)野生或疾病模型小鼠的皮層活動(dòng)進(jìn)行重構(gòu)，甚至對(duì)最小的哺乳動(dòng)物小臭鼩的皮層進(jìn)行研究。第三個(gè)五年，人們期望對(duì)清醒小鼠的整個(gè)新皮層進(jìn)行研究，并推及靈長(zhǎng)類動(dòng)物，不排除人類。

5 BAM項(xiàng)目可能帶來的收益［1］

BAM項(xiàng)目將會(huì)帶來科學(xué)、醫(yī)學(xué)、技術(shù)、教育以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)收益。

科學(xué)意義:對(duì)神經(jīng)環(huán)路的完整功能解析將對(duì)神經(jīng)科學(xué)基礎(chǔ)研究帶來巨大推動(dòng)，許多基礎(chǔ)問題的迎刃而解將最終實(shí)現(xiàn)神經(jīng)編碼的解密，同時(shí)使神經(jīng)環(huán)路的逆向工程成為可能。

醫(yī)學(xué)意義:在促進(jìn)科學(xué)研究的同時(shí)，BAM項(xiàng)目還會(huì)帶來醫(yī)學(xué)收益，包括對(duì)重大腦疾病的早期、敏感性診斷，精神疾病的生物標(biāo)記物的出現(xiàn)，在動(dòng)物模型上對(duì)重大腦疾病病理生理學(xué)假說的驗(yàn)證以及新型設(shè)備或手段用以精細(xì)控制刺激水平使疾病狀態(tài)下的神經(jīng)環(huán)路回歸平衡。最終，人們希望對(duì)精神分裂癥、孤獨(dú)癥等較難處理的疾病有新的認(rèn)識(shí)和治療手段。

技術(shù)突破:BAM會(huì)帶來巨大的技術(shù)突破，它將是生物技術(shù)和納米技術(shù)的融合。這些新技術(shù)包括光學(xué)手段形成3D影像，在生命科學(xué)、醫(yī)學(xué)、工程學(xué)及環(huán)境應(yīng)用中使用敏感的、微小的智能納米系統(tǒng)，存儲(chǔ)和處理海量數(shù)據(jù)，研發(fā)基于生物學(xué)出發(fā)的計(jì)算機(jī)裝置。

經(jīng)濟(jì)效益:據(jù)統(tǒng)計(jì)，對(duì)人類基因組計(jì)劃而言，每1美元的投資都帶來了141美元的經(jīng)濟(jì)收益。BAM項(xiàng)目中產(chǎn)生的技術(shù)和計(jì)算創(chuàng)新也會(huì)帶來經(jīng)濟(jì)效益，可能產(chǎn)生全新的工業(yè)和經(jīng)濟(jì)模式。

教育意義:這種跨學(xué)科項(xiàng)目對(duì)年輕一代科學(xué)家的培養(yǎng)提供了大量機(jī)會(huì)。

［1］Alivisatos A P，Chun M，Church G M，et al.The brain activity map project and the challenge of functional connectomics［J］.Neuron，2012，74(6):970-974.

［2］Alivisatos A P，Chun M，Church G M，et al.Neuroscience.The brain activity map［J］.Science，2013，339(6125):1284-1285.