怎樣才能看清大腦？

2013年4月，美國(guó)總統(tǒng)貝拉克·奧巴馬宣布美國(guó)將進(jìn)行繼人類(lèi)基因組計(jì)劃之后另一個(gè)宏偉的科學(xué)研究計(jì)劃——人腦研究計(jì)劃（腦計(jì)劃）。同年9月中旬，美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院又公布了腦計(jì)劃9個(gè)獲得美國(guó)國(guó)會(huì)撥款的具體項(xiàng)目，包括：統(tǒng)計(jì)大腦細(xì)胞類(lèi)型、建立大腦結(jié)構(gòu)圖、開(kāi)發(fā)大規(guī)模神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)記錄技術(shù)、開(kāi)發(fā)操作神經(jīng)回路的工具、了解神經(jīng)細(xì)胞與個(gè)體行為之間的聯(lián)系、把神經(jīng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)與理論、模型、統(tǒng)計(jì)學(xué)等整合、描述人類(lèi)大腦成像技術(shù)的機(jī)制、為科學(xué)研究建立收集人類(lèi)數(shù)據(jù)的機(jī)制和知識(shí)傳播與培訓(xùn)。

過(guò)去的研究對(duì)腦計(jì)劃的啟示

美國(guó)國(guó)會(huì)批準(zhǔn)2014年財(cái)政年為腦計(jì)劃撥款1.1億美元，其中4000萬(wàn)美元將由美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院分配。研究資金到手，研究人員要考慮的中心問(wèn)題是如何才能在大腦研究中取得進(jìn)展。其中一個(gè)最重要的問(wèn)題是，研究人員通過(guò)什么方法才能看到大腦，從而揭示大腦的秘密。

其實(shí)，過(guò)去的一些技術(shù)和研究為人們看見(jiàn)大腦和大腦中的細(xì)微結(jié)構(gòu)提供了一些借鑒。借鑒之一是核磁共振成像（MRI），這是可以觀察人們活體大腦活動(dòng)的一種技術(shù)。核磁共振成像是一種生物磁自旋成像技術(shù)，核磁共振成像的“核”指的是氫原子核，因?yàn)槿梭w約70%是由水組成的。核磁共振成像就是利用人體中遍布全身的氫原子在外加的強(qiáng)磁場(chǎng)內(nèi)受到射頻脈沖激發(fā)，產(chǎn)生核磁共振現(xiàn)象，再用探測(cè)器檢測(cè)并接受以電磁形式放出的核磁共振信號(hào)，輸入計(jì)算機(jī)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理轉(zhuǎn)換，最后將人體各組織的形態(tài)轉(zhuǎn)換成圖像。

核磁共振成像產(chǎn)生的圖像不僅可以讓人看到大腦內(nèi)的血腫、腫瘤、動(dòng)靜脈血管畸形、腦缺血、脊髓空洞癥和脊髓積水等顱腦常見(jiàn)疾病，同時(shí)還能讓人看到大腦某一部位的血流情況，從而判斷大腦皮質(zhì)的某一功能區(qū)活動(dòng)是否顯著，再?gòu)拇竽X功能區(qū)的活動(dòng)是否顯著判斷大腦的實(shí)時(shí)功能。但是，這些圖像并非像生活中人們用高清相機(jī)拍攝的圖片那么清楚，所以從嚴(yán)格意義上看，采用核磁共振成像并不能十分清楚地看到大腦。

另一個(gè)能看清生物體內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)的技術(shù)是X射線，它是波長(zhǎng)非常短的電磁波，可以用來(lái)透視人體，例如X射線拍片能看到肺部是否有感染或是否患肺結(jié)核。X射線也可以用來(lái)分析晶體的結(jié)構(gòu)。當(dāng)X射線穿過(guò)晶體之后，會(huì)形成衍射圖樣，這是一種特定的明暗交替的圖形。不同的晶體產(chǎn)生不同的衍射圖樣，仔細(xì)分析這種圖形就能知道組成晶體的原子是如何排列的。比如，1966年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)是頒發(fā)給碳60的發(fā)現(xiàn)，而對(duì)碳60的發(fā)現(xiàn)也是在1991年美國(guó)加州大學(xué)一個(gè)有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室的研究人員用X射線衍射拍到了碳60的32個(gè)晶面而證實(shí)的，碳60的X射線衍射圖顯示，碳60相當(dāng)于老式足球球面的20個(gè)六邊形和12個(gè)五邊形，從而證明了碳60結(jié)構(gòu)。

低溫電子顯微鏡技術(shù)有待發(fā)展

盡管X射線可以觀察人體內(nèi)部以及X射線衍射可以觀察生物晶體分子，但用以觀察人腦效果卻很有限，因?yàn)閄射線對(duì)人有輻射，會(huì)造成傷害，同時(shí)圖像也并非很清晰。所以，現(xiàn)在另一種技術(shù)進(jìn)入科學(xué)家的視野，這就是低溫電子顯微鏡技術(shù)。

低溫電子顯微鏡技術(shù)是一種可以幫助研究人員對(duì)諸如病毒表面極其微小的分子和顆粒進(jìn)行成像的先進(jìn)技術(shù)。這一技術(shù)的特點(diǎn)之一是可以顯示出在液氮溫度下快速凍結(jié)的單個(gè)蛋白分子。同時(shí)，利用三維計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)圖像進(jìn)行疊加處理，可以清楚地看到病毒表面或內(nèi)部的結(jié)構(gòu)。因此，利用這種技術(shù)拍攝的圖片不僅讓人可以看見(jiàn)死亡的生物體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和分子，也能對(duì)活體生物拍照進(jìn)行觀察。例如，艾滋病病毒的包膜蛋白具有多變性，也使研制疫苗和藥物非常困難，但是，如果能拍攝到HIV包膜蛋白上的分子是如何變化的，就可以了解HIV的變化，為研發(fā)疫苗提供線索。

現(xiàn)在，美國(guó)波士頓達(dá)納法伯癌癥研究所的約瑟夫·索德勞斯基等人已經(jīng)用低溫電子顯微鏡拍攝到了HIV包膜蛋白圖像。他們發(fā)表了拍攝到的HIV表面兩種蛋白的極微小的視圖，這兩種蛋白彼此連接，而且三個(gè)一起成團(tuán)出現(xiàn)，因而被稱(chēng)為三聚體。

不過(guò)，對(duì)于這一結(jié)果，學(xué)術(shù)界還存有種種質(zhì)疑。

由于存在爭(zhēng)議，利用低溫電子顯微鏡技術(shù)拍攝微生物和人腦內(nèi)部結(jié)構(gòu)的設(shè)想也許要等待更長(zhǎng)的時(shí)間才能實(shí)現(xiàn)。

清晰技術(shù)能看清大腦

不過(guò)，現(xiàn)在一種新的清晰技術(shù)（CLARITY）已經(jīng)能讓小鼠的大腦清晰可見(jiàn)，這也為看清人腦提供了可行的方法。

清晰技術(shù)包含多種方法和手段，一是用水凝膠和丙烯酰胺來(lái)替代脂質(zhì)，二是使用熒光染色，三是采用電鏡技術(shù)。利用清晰技術(shù)能將小鼠的大腦制成3D透明的大腦，讓研究人員能清楚地觀察到大腦中的神經(jīng)細(xì)胞，甚至分子結(jié)構(gòu)。這項(xiàng)技術(shù)最近由美國(guó)斯坦福大學(xué)卡爾·迪賽諾思團(tuán)隊(duì)研發(fā)。

無(wú)論是活體大腦還是死亡的大腦里面都有脂質(zhì)，當(dāng)用顯微鏡觀察大腦時(shí)，光線透過(guò)脂質(zhì)就像陽(yáng)光照射在油面上一樣會(huì)產(chǎn)生七色光彩，脂質(zhì)分子會(huì)把光線分散到各個(gè)方向，導(dǎo)致顯微鏡難以顯示大腦內(nèi)部數(shù)百微米以下的細(xì)微結(jié)構(gòu)。同時(shí)，脂質(zhì)也排斥很多物質(zhì)，比如抗體，因此需要對(duì)大腦進(jìn)行切片才能標(biāo)記一些特殊類(lèi)型的細(xì)胞，這也讓腦計(jì)劃中一項(xiàng)重要研究——統(tǒng)計(jì)大腦細(xì)胞類(lèi)型變得比較困難。

清晰技術(shù)首先是清洗大腦中的脂質(zhì)，但是又不能完全去除脂質(zhì)，因?yàn)槿コ酥|(zhì)大腦中的所有物質(zhì)就會(huì)分散。所以，研究人員對(duì)死亡的小鼠大腦中注射水凝膠和一種大分子丙烯酰胺來(lái)代替脂質(zhì)，然后對(duì)水凝膠溶液稍微加熱。在差不多達(dá)到人的體溫時(shí)，水凝膠開(kāi)始凝聚為長(zhǎng)分子鏈，在大腦中形成高分子網(wǎng)絡(luò)。這一網(wǎng)絡(luò)能夠支持大腦中的所有結(jié)構(gòu)，但不會(huì)結(jié)合脂質(zhì)。隨后，研究人員利用電流和洗滌劑將大腦中的脂質(zhì)分離和沖洗出來(lái)，最后獲得完整透明的3D大腦，大腦中的神經(jīng)元、軸突、樹(shù)突、突觸、蛋白、核酸等都完好保持在原位。

此后，研究人員再用熒光抗體處理小鼠大腦，使熒光抗體與大腦中特異性的目標(biāo)，如軸突、各種神經(jīng)遞質(zhì)、核酸等結(jié)合并發(fā)光，這就讓人能清楚看到大腦中的各類(lèi)物質(zhì)和分子。研究人員還可以去除已染色的熒光抗體，并用其他抗體進(jìn)行重新染色，以便在同一個(gè)大腦中研究不同的分子目標(biāo)，而且這種染色/褪色過(guò)程可以重復(fù)多次。在這一過(guò)程中還可通過(guò)電鏡揭示大腦內(nèi)部的精細(xì)結(jié)構(gòu)，例如突觸。

因此，利用清晰技術(shù)制成的小鼠3D大腦不僅可以讓人們追溯神經(jīng)回路，解析局部回路的細(xì)微差異，觀察細(xì)胞間的聯(lián)系和分析亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)，還可以探尋蛋白復(fù)合體、核酸和神經(jīng)遞質(zhì)之間的化學(xué)關(guān)聯(lián)。

當(dāng)然，在清晰技術(shù)發(fā)明之前，也可以用數(shù)字技術(shù)來(lái)制作大腦的3D成像，但是非常耗時(shí)和繁復(fù)。首先需要將大腦的組織切成數(shù)百個(gè)甚至數(shù)千個(gè)薄片，然后詳細(xì)掃描每個(gè)薄片的影像并輸入計(jì)算機(jī)，再精心調(diào)整各部分的位置。遇到精微的部分，如神經(jīng)細(xì)胞的接觸點(diǎn)——軸突，則更加費(fèi)時(shí)，因?yàn)橐粋€(gè)軸突大約相當(dāng)于人的頭發(fā)直徑的1/100。在制作時(shí)不僅耗費(fèi)大量的計(jì)算機(jī)操作時(shí)間，還容易產(chǎn)生明顯誤差。

現(xiàn)在，清晰技術(shù)制作的3D透明大腦不僅時(shí)間快，而且準(zhǔn)確，還能讓人們清晰地看見(jiàn)大腦中的結(jié)構(gòu)和分子。例如，人們可以一眼看到用不同標(biāo)記物標(biāo)記的大腦中的每一個(gè)分子，而且對(duì)特定大腦區(qū)域中的神經(jīng)元進(jìn)行計(jì)數(shù)也會(huì)加快數(shù)百倍。

迪賽諾思研究團(tuán)隊(duì)目前不僅能制作小鼠的3D透明大腦，而且也把一名已死亡的自閉癥患者的大腦部分區(qū)域制作成了3D透明大腦。用這種方法同樣可以對(duì)保存在福爾馬林中的大腦制作3D透明大腦。

不過(guò)，一些研究人員也對(duì)清晰技術(shù)提出了一些質(zhì)疑。研究人員承認(rèn)，清晰技術(shù)可以用來(lái)觀察人的整個(gè)大腦，但是卻需要制造一個(gè)非常大的顯微鏡鏡頭來(lái)攝影。迪賽諾思承認(rèn)，他們目前還不能到達(dá)這個(gè)水平。現(xiàn)有的顯微鏡僅僅可以同時(shí)觀察6～8毫米直徑的大腦組織，這大概是一個(gè)完整的成年小鼠大腦。不過(guò)，這也可以較為深入和全面地觀察人腦了，因?yàn)槿祟?lèi)大腦皮質(zhì)的核心單元大約就是這么大。

奧地利維也納科技大學(xué)的神經(jīng)影像專(zhuān)家漢斯·烏里奇·多德特認(rèn)為清晰技術(shù)是一個(gè)巨大的進(jìn)步，但是該技術(shù)可能存在危險(xiǎn)，并且比較昂貴。因?yàn)楸０酚袆《竞椭掳┬?，所以只能用以觀察死亡的大腦，而不能用于觀察活體大腦。而要觀察活體大腦，則需要找到新的不致癌的物質(zhì)和易于應(yīng)用的技術(shù)。

當(dāng)然，隨著清晰技術(shù)的進(jìn)一步改進(jìn)和完善，制作死亡者的3D透明大腦將不會(huì)是難題，甚至在未來(lái)還可以建立起活體的3D透明大腦。當(dāng)大腦能被清楚地看見(jiàn)時(shí)，研究大腦就會(huì)變得更為容易，解開(kāi)大腦的秘密也會(huì)水到渠成。

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