大腦成像技術(shù)推動(dòng)腦科學(xué)研究的發(fā)展

■ 文/丁秋萍 何宏建 鐘健暉

丁秋萍，浙江大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程與儀器科學(xué)學(xué)院，腦影像科學(xué)技術(shù)中心技術(shù)人員。

何宏建，浙江大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程與儀器科學(xué)學(xué)院，腦影像科學(xué)技術(shù)中心副教授。

鐘健暉，浙江大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程與儀器科學(xué)學(xué)院，腦影像科學(xué)技術(shù)中心主任、教授。

腦科學(xué)研究的終極目的是“認(rèn)識(shí)腦”、從而“保護(hù)腦”，并最終“創(chuàng)造腦”。

大腦是人體最復(fù)雜的器官。破譯大腦運(yùn)轉(zhuǎn)密碼、揭開生命之謎，是令無數(shù)科學(xué)家殫精竭慮的課題。電子信息技術(shù)、精準(zhǔn)檢測設(shè)備的發(fā)展，為腦科學(xué)的發(fā)展插上了強(qiáng)有力的翅膀；反之，人類對大腦的不斷認(rèn)識(shí)也為多門技術(shù)發(fā)展開啟了創(chuàng)新之路。腦科學(xué)這個(gè)最富有挑戰(zhàn)性的科學(xué)問題，逐漸成為國際科學(xué)前沿的熱點(diǎn)領(lǐng)域，被視為未來新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)和引領(lǐng)新科技革命的潛在引擎。

人類大腦，神秘的存在

大腦是人體中最復(fù)雜的系統(tǒng)，由超過800億個(gè)神經(jīng)元組成，每個(gè)神經(jīng)元又衍生出成百上千個(gè)分支。這些神經(jīng)元有機(jī)結(jié)合，形成龐大而精細(xì)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。將大腦作為一個(gè)“系統(tǒng)”而不是簡單單元的堆積，可能是理解大腦在正常狀態(tài)下如何工作以及異常導(dǎo)致的神經(jīng)系統(tǒng)疾病的關(guān)鍵。

大腦分工精細(xì)、組織有序，不同的腦區(qū)各司其職又互相協(xié)作，腦區(qū)之間有著超強(qiáng)的代償能力。例如，7歲的澳大利亞男孩，缺失了大部分視覺皮層，視力卻正常。經(jīng)磁共振掃描分析發(fā)現(xiàn)，視覺激活區(qū)轉(zhuǎn)移到了丘腦部位，丘腦枕下端扛起了初級(jí)視覺皮層的責(zé)任。美國有個(gè)科研人員，只有半個(gè)腦，生活可以完全自理，他的運(yùn)動(dòng)、科研能力甚至超過正常擁有全腦的人。事實(shí)上，即使同是健康人，大腦的結(jié)構(gòu)和功能也存在較大的個(gè)體差異，這可能和基因、文化背景以及生活環(huán)境等因素都息息相關(guān)。

腦科學(xué)研究時(shí)機(jī)成熟，序幕拉開

隨著信息技術(shù)的迅速發(fā)展，神經(jīng)科學(xué)和信息科學(xué)相結(jié)合的人類腦計(jì)劃應(yīng)運(yùn)而生。計(jì)算機(jī)處理海量數(shù)據(jù)的能力不斷得到提升，腦科學(xué)研究得以更加深入,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在內(nèi)的新技術(shù)的不斷涌入，將該領(lǐng)域的研究提升到了一個(gè)更高的層次。

在過去的幾十年間，腦科學(xué)研究的武器，特別是成像技術(shù)裝備得到了全新升級(jí)。宏觀的活體檢測成像方法常見的有磁共振成像（MRI）、正電子發(fā)射斷層掃描技術(shù)（PET）、腦電技術(shù)（EEG）等。以MRI為例，20世紀(jì)80年代，臨床MRI設(shè)備誕生，使得活體檢測大腦圖像成為可能，當(dāng)時(shí)完成一次檢查需要1.5小時(shí)。隨著超導(dǎo)磁體的出現(xiàn)，成像速度和圖像質(zhì)量得到了很大提升。近期，MRI設(shè)備空間分辨率的發(fā)展使我們可以觀察并分析大腦活體基本信息處理單元網(wǎng)絡(luò)（大概為200微米大小），對人腦從結(jié)構(gòu)、功能、血流和代謝、網(wǎng)絡(luò)連接等全方面、多角度進(jìn)行了解。利用MRI設(shè)備開展活體無損的人腦圖譜研究也是當(dāng)前腦科學(xué)研究的熱點(diǎn)之一。美國神經(jīng)科學(xué)家已經(jīng)對大腦的結(jié)構(gòu)和分區(qū)進(jìn)行了精細(xì)的描繪。我國宣武醫(yī)院、浙江大學(xué)等團(tuán)隊(duì)多中心聯(lián)合采集了不同地區(qū)不同年齡的近千例健康人群磁共振和認(rèn)知行為數(shù)據(jù)，擬建立中國人自己的腦圖譜，結(jié)合計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)，人類對大腦的工作原理將有更加深入的理解。

近年來，腦電（EEG）技術(shù)也得到了快速發(fā)展，強(qiáng)磁場環(huán)境兼容的EEG可以在掃描磁共振的同時(shí)記錄腦電信號(hào)，將腦電的高時(shí)間分辨率和磁共振的高空間分辨率、多模態(tài)相結(jié)合，得到更全面的信息。PET通過檢測注入體內(nèi)的放射物質(zhì)產(chǎn)生圖像，人體不同組織的代謝狀態(tài)不同，在高代謝的惡性腫瘤組織中葡萄糖代謝旺盛，聚集較多，這些特點(diǎn)能通過圖像反映出來，從而對病變進(jìn)行診斷。PET與MRI、電子計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT）優(yōu)勢互補(bǔ)，又出現(xiàn)了PET-MRI、PET-CT。

除了宏觀檢測裝備的快速發(fā)展之外，干預(yù)腦疾病、腦功能的設(shè)備和技術(shù)也越來越朝著精細(xì)化的方向發(fā)展。自古以來，人們探索用電鰩魚放電來治療頭疼、癲癇，隨著認(rèn)識(shí)的深入與技術(shù)逐步成熟，經(jīng)顱直流電刺激(tDCS)可以實(shí)現(xiàn)神經(jīng)興奮性的雙向調(diào)節(jié)，受到臨床的青睞。神經(jīng)刺激技術(shù)越來越受到大眾的關(guān)注，經(jīng)顱直流電刺激（tDCS）、深部腦刺激（DBS）、經(jīng)顱磁刺激（TMS）等技術(shù)開始得到快速發(fā)展，干預(yù)大腦疾病和認(rèn)知的工具越來越發(fā)達(dá)，干預(yù)方式越來越精細(xì)化、定量化。

從微觀角度來看，17世紀(jì)，英國博物學(xué)家羅伯特·胡克利用自己制作的顯微鏡發(fā)現(xiàn)了“細(xì)胞”。隨著技術(shù)的發(fā)展，人們可以借助電子顯微鏡觀察到神經(jīng)細(xì)胞之間突觸連接的精細(xì)結(jié)構(gòu)。更進(jìn)一步，借助包括共聚焦、雙光子成像等各種熒光顯微成像技術(shù)，人們開始細(xì)化研究大腦組織中大量神經(jīng)元如何相互連接形成神經(jīng)環(huán)路。最近，北京大學(xué)的程和平教授等在《自然》（Nature）雜志子刊《自然·方法》（Nature Methods）上發(fā)布了一項(xiàng)最新的研究成果——新一代高速高分辨微型化雙光子熒光顯微鏡，它改變了觀察自由活動(dòng)動(dòng)物的亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)的方式，在動(dòng)物覓食、睡眠等自然行為條件下，可以長時(shí)程觀察神經(jīng)突觸、神經(jīng)元、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遠(yuǎn)程連接的腦區(qū)等多尺度、多層次動(dòng)態(tài)變化。

盛大網(wǎng)絡(luò)首席執(zhí)行官陳天橋認(rèn)為：腦科學(xué)涉及的計(jì)算能力、顯影技術(shù)以及其他重大技術(shù)，都到了能夠利用科學(xué)解決問題的時(shí)候，產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，腦科學(xué)的全民認(rèn)識(shí)也都到了臨界點(diǎn)。繼歐盟腦計(jì)劃提出之后，各國都圍繞認(rèn)識(shí)腦、研究腦、開發(fā)腦和保護(hù)腦的最終目標(biāo)，相繼提出腦研究相關(guān)計(jì)劃。各國啟動(dòng)的腦計(jì)劃各有側(cè)重，美國重點(diǎn)關(guān)注研發(fā)新型腦研究技術(shù)；歐盟主攻以超級(jí)計(jì)算機(jī)技術(shù)來模擬腦功能；日本主要以狨猴為模型研究腦功能和腦疾病。

我國的科學(xué)家和政府部門也開始重視腦科學(xué)的研究。2016年，“腦科學(xué)與類腦研究”被“十三五”規(guī)劃綱要確定為重大科技創(chuàng)新項(xiàng)目和工程之一，作為“科技創(chuàng)新2030重大項(xiàng)目”的四個(gè)試點(diǎn)之一。2017年年底即將推出“腦科學(xué)研究計(jì)劃”，主要針對腦科學(xué)和類腦研究進(jìn)行名為“一體兩翼”的戰(zhàn)略部署?！耙惑w”指以闡釋人類認(rèn)知的神經(jīng)為主體，“兩翼”包括對腦重大疾病的研究和通過計(jì)算和系統(tǒng)模擬推進(jìn)人工智能的研究。

人工智能學(xué)家劉鋒博士在北京圓恩空間作了題為“互聯(lián)網(wǎng)云腦，新科學(xué)革命的前夜與人類的未來”的講座，認(rèn)為這次新科技革命將發(fā)生在互聯(lián)網(wǎng)、腦科學(xué)與人工智能的交叉領(lǐng)域，其產(chǎn)生的成果將對諸多領(lǐng)域產(chǎn)生影響，包括互聯(lián)網(wǎng)、人工智能、智慧城市、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、機(jī)器人，甚至腦科學(xué)、科技哲學(xué)、生物的進(jìn)化都會(huì)從這個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展過程中得到推動(dòng)力。

腦科學(xué)研究旅途遙遙，路在腳下

如果腦科學(xué)是一座冰山，那么我們只看到了它露出水面的一角。腦科學(xué)研究的終極目的是“認(rèn)識(shí)腦”、從而“保護(hù)腦”，并最終“創(chuàng)造腦”?！罢J(rèn)識(shí)腦”就是要揭示腦功能的本質(zhì)，“保護(hù)腦”就是要預(yù)防和治療腦疾病，“創(chuàng)造腦”就是要激發(fā)人腦的潛在能力，開發(fā)人工智能。

互聯(lián)網(wǎng)和人工智能的發(fā)展某種意義上解放了人腦，也延伸、拓展了人腦。腦科學(xué)和類腦智能技術(shù)二者相互借鑒、相互融合是國際科學(xué)界涌現(xiàn)的新趨勢。近年來，人工智能、深度學(xué)習(xí)的高度發(fā)展，使得智能家居、無人駕駛汽車等變得觸手可及。

我國楊雄里、蒲慕明院士等科學(xué)家一直在呼吁開展適合中國國情的腦計(jì)劃。中國大腦項(xiàng)目希望在基礎(chǔ)和應(yīng)用神經(jīng)科學(xué)之間實(shí)現(xiàn)平衡，使得一部分科學(xué)家能夠追求他們的興趣探索大腦的秘密，同時(shí)其他人可以應(yīng)用我們已經(jīng)獲得的研究成果，來預(yù)防和治療腦疾病并開發(fā)腦的相關(guān)智能技術(shù)。

理解人類大腦認(rèn)知是人類認(rèn)識(shí)自然、利用自然的終極挑戰(zhàn)，造出像人腦那樣有高度智能的機(jī)器一直是人類世代的夢想。真正實(shí)現(xiàn)腦科學(xué)的突破，有待多學(xué)科交叉、多領(lǐng)域攜手，旅途遙遙，路在腳下……