三磅的宇宙

仇子龍

我們每個(gè)人都有一個(gè)“小宇宙”——大腦，雖然它只有三磅（1.36kg）重，但為了研究這“三磅的宇宙”，近十年間，世界各國(guó)神經(jīng)科學(xué)家開展了一項(xiàng)探索大腦奧秘的宏偉工程——連接組計(jì)劃，希望全面認(rèn)識(shí)大腦中神經(jīng)元之間的連接。

具體而言，研究大腦的連接組，就是要對(duì)近千億神經(jīng)元之間相互連接的情況進(jìn)行全面的研究與分析?？上攵?，這可能是人類歷史上信息量最大的艱巨工程。

探索大腦奧秘的宏偉工程

“連接組”一詞是從“基因組”衍變而來(lái)的。二十世紀(jì)九十年代，美國(guó)啟動(dòng)人類基因組計(jì)劃，歷經(jīng)十余年，耗資30億美元，完成了人類基因組30億個(gè)堿基的全測(cè)序，使人類攻克復(fù)雜疾病、尋找遺傳病病因的能力大大加強(qiáng)。

2013年，美國(guó)又啟動(dòng)了研究大腦的“腦科學(xué)計(jì)劃”。過(guò)去三年，美國(guó)、歐洲及日本都陸續(xù)宣布了專攻神經(jīng)科學(xué)的“腦科學(xué)計(jì)劃”。中國(guó)科學(xué)院也在2012年啟動(dòng)研究大腦功能性聯(lián)結(jié)圖譜的戰(zhàn)略先導(dǎo)專項(xiàng)。從2014至2016年，中國(guó)腦計(jì)劃經(jīng)過(guò)反復(fù)研討，呼之欲出。人類，終于要向“最后的前沿”進(jìn)軍了！

先天還是后天決定了大腦？

究竟是先天因素還是后天因素決定了大腦？這是生物學(xué)界一個(gè)非常重要的爭(zhēng)論。

人類的大腦功能不僅是由神經(jīng)元之間的連接決定的，更被編碼蛋白質(zhì)的遺傳物質(zhì)——基因組所決定。基因組代表先天因素，從父母遺傳而來(lái)，無(wú)法輕易改變；連接組象征后天因素，是我們?cè)谶@個(gè)繽紛世界中接受無(wú)數(shù)外界信息后塑造的大腦。

在這個(gè)問(wèn)題上，并非說(shuō)基因組和連接組就是誰(shuí)壓倒誰(shuí)的問(wèn)題，而是在何種層次上相互協(xié)調(diào)，并對(duì)大腦功能產(chǎn)生貢獻(xiàn)的問(wèn)題。

比如，在成年人的大腦中，雖然神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)已基本定型，但基因組也并非對(duì)大腦功能毫無(wú)貢獻(xiàn)。人類在學(xué)習(xí)與認(rèn)知時(shí)，大腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的電信號(hào)會(huì)激活神經(jīng)元，進(jìn)而讀取神經(jīng)元中基因組的信息，將許多基因打開或關(guān)閉。通過(guò)改變神經(jīng)元的重要功能蛋白質(zhì)水平，來(lái)對(duì)神經(jīng)元之間的連接（突觸）做出可塑性的改變。因此，連接組其實(shí)也是基因組在大腦中的功能投射。

動(dòng)態(tài)變化的連接組能被認(rèn)識(shí)嗎？

近年來(lái)，神經(jīng)科學(xué)家們認(rèn)識(shí)到，人類高等認(rèn)知功能及腦疾病的起因，比如帕金森癥、抑郁癥等，往往與大腦中神經(jīng)元的功能性連接改變關(guān)系甚密。

但是，大腦連接組是具有可塑性的動(dòng)態(tài)組成——在大腦接收處理了外界信息后，神經(jīng)元之間的突觸很可能發(fā)生可塑性改變，這些改變代表了我們的思考、記憶等過(guò)程。因此，即便在某一個(gè)時(shí)間點(diǎn)看清楚了大腦的所有神經(jīng)連接，下一個(gè)時(shí)間點(diǎn)大腦的神經(jīng)連接就不同了。

那么，在暫時(shí)無(wú)法洞察活人大腦的情況下，研究大腦連接組還有意義么？

答案是肯定的?，F(xiàn)在，科學(xué)家們已經(jīng)可以通過(guò)動(dòng)物的大腦，如大、小鼠，人類的近親——猴等，來(lái)對(duì)大腦中的特定神經(jīng)連接環(huán)路進(jìn)行研究，包括在高等認(rèn)知功能中有哪些神經(jīng)連接組成的環(huán)路發(fā)生了激活與抑制，在病理狀態(tài)包括老年癡呆癥、帕金森癥、自閉癥、抑郁癥及精神分裂癥中，大腦中哪些神經(jīng)連接組成的環(huán)路發(fā)生了破壞性改變等問(wèn)題。

我們相信，如果能認(rèn)識(shí)到大腦中這些特定神經(jīng)元的連接模式及細(xì)節(jié)，就可以極大促進(jìn)我們對(duì)大腦工作原理的了解，得知腦疾病的起因與病理進(jìn)程。

成年后大腦還具有可塑性嗎？

通常認(rèn)為，在人類發(fā)育過(guò)程中，最具有可塑性潛能的時(shí)期是孩童階段。人類在幼年學(xué)習(xí)知識(shí)并學(xué)會(huì)適應(yīng)外界復(fù)雜的社會(huì)，一些嚴(yán)重的神經(jīng)系統(tǒng)疾病，如自閉癥也從孩童階段開始表現(xiàn)出來(lái)。那么成年以后，大腦還是否具有可塑性？患有自閉癥的兒童長(zhǎng)大后是否還能被治愈？

最近幾年，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，一些作為人類自閉癥疾病模型的基因突變小鼠，在長(zhǎng)至成年、表現(xiàn)出疾病癥狀后，仍可以通過(guò)基因修復(fù)，來(lái)恢復(fù)大腦的正常功能。這些研究，為自閉癥患者成年后的有效臨床治療與干預(yù)提供了重要線索。

“一體兩翼”的中國(guó)腦計(jì)劃

大腦連接組計(jì)劃耗資甚巨，目前世界各國(guó)的“腦科學(xué)計(jì)劃”都還沒(méi)有將連接組計(jì)劃作為主攻方向。

美國(guó)的腦計(jì)劃希望先搭橋鋪路——繼續(xù)創(chuàng)新研究大腦的工具手段，讓我們可以看到以前看不到的細(xì)節(jié)，如神經(jīng)元間突觸的動(dòng)態(tài)變化等。備受爭(zhēng)議的歐洲腦計(jì)劃，原本打算利用計(jì)算機(jī)模擬方法構(gòu)建人類大腦的計(jì)算模型，無(wú)奈受到歐洲各國(guó)神經(jīng)科學(xué)家們的強(qiáng)力反對(duì)，很有可能改弦易轍。日本于2014年啟動(dòng)的腦計(jì)劃決定從一種非人靈長(zhǎng)類（狨猴）入手，研究大腦的結(jié)構(gòu)與功能。

西方國(guó)家已發(fā)展了逾一個(gè)世紀(jì)的現(xiàn)代神經(jīng)科學(xué)，目前還處于“學(xué)徒”階段的中國(guó)神經(jīng)科學(xué)家們將如何作出自己的貢獻(xiàn)？令人欣喜的是，近幾年來(lái)中國(guó)科學(xué)家們已經(jīng)利用中國(guó)特有的靈長(zhǎng)類動(dòng)物（猴類）資源作出了一系列震驚世界的發(fā)現(xiàn)，例如世界第一個(gè)基因編輯猴與第一個(gè)可作為自閉癥模型的基因工程猴等，為腦疾病研究提供了前所未有的平臺(tái)與機(jī)遇。

其實(shí)，大眾更為關(guān)心的是：是否可以治愈或至少延緩腦疾病的發(fā)生發(fā)展？是否能促進(jìn)少年兒童的智力發(fā)育？是否能讓大腦跳“廣場(chǎng)舞”，從而使其永葆青春？

據(jù)參與中國(guó)腦計(jì)劃制定的中國(guó)科學(xué)院外籍院士、美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院士蒲慕明教授介紹，即將面世的中國(guó)腦計(jì)劃架構(gòu)可以概括為“一體兩翼”：一體是以理解大腦為中心的基礎(chǔ)研究，兩翼是側(cè)重應(yīng)用研究的診治腦疾病和類腦智能技術(shù)。中國(guó)腦計(jì)劃兼?zhèn)浠A(chǔ)與應(yīng)用研究的宏圖，期待中國(guó)科學(xué)家能交出一份滿意的答卷。

著名科幻電影《星際穿越》中，地球即將耗盡資源時(shí)，平時(shí)看起來(lái)毫無(wú)用處的宇航科學(xué)和尖端物理學(xué)成了讓人類拯救自身的救命稻草。腦科學(xué)研究也是一樣，它看似無(wú)用，卻關(guān)系到人類生活的方方面面。人類正是在攻克一個(gè)又一個(gè)前沿中創(chuàng)造了燦爛的文明，屹立于茫茫宇宙之中。面對(duì)著人類“最后的前沿”，讓我們像第一次飛入太空的尤里·加加林那樣，豪情萬(wàn)丈地說(shuō)：“讓我們出發(fā)！”（編輯/南之嶺）