思維之源：嘆為觀止的突觸地圖

編譯 凌寒

想象一下有這么一張地圖，它繪制出了整個銀河系中的每一顆恒星。這是一張非常詳細的地圖，它展示了每顆恒星的樣子，它們是由什么構成的，以及每顆恒星是如何通過宇宙中偉大的物理定律聯(lián)系在一起的。

研究小組首先在熒光下對一只具有發(fā)光突觸的小鼠進行了生物工程改造

雖然我們目前還沒有這樣一張關于天空的天體圖，但是，多虧最近發(fā)表在《神經(jīng)元》（Neuron）雜志上的一項重大研究，現(xiàn)在我們擁有了這樣一張關于大腦的詳細地圖。

如果每個神經(jīng)元都是一個星系，那么突觸——散布在神經(jīng)元的蛇形延伸上的小結構——就是它的恒星。在這項科技力作中，來自英國愛丁堡大學的一個團隊構建了小鼠大腦中每個突觸的首張詳細地圖。

在轉基因小鼠中，研究小組讓大腦中的每一個突觸在熒光燈下發(fā)出光亮，就像繁星點點的夜空一樣。正如每顆恒星各不相同，研究小組發(fā)現(xiàn)突觸也有著很大的差異，但是這種差異顯著體現(xiàn)在對記憶和思考的支持作用上。

人腦中的突觸比銀河系中的恒星還要多。大腦是我們所知道的最復雜的物體，在這個層面上理解它的聯(lián)系是揭開其神秘面紗的重要一步。

這張詳細地圖揭示了大腦活動的基本規(guī)則。在機器學習的幫助下，研究小組大致將大腦中約10億個突觸劃分為37個亞型。出乎意料的是：當一組神經(jīng)元接收到電信號時，例如試圖在問題的不同解決方案之間做出選擇時，獨特的突觸亞型就會在一致被激活的不同神經(jīng)元之間伸展開來。

換句話說，突觸有著不同的類型。每種類型都可以控制一種想法、一個決定或一段記憶。

神經(jīng)科學推特圈沸騰了。

“哇！”明尼蘇達大學的本·桑德斯（Ben Saunders）博士簡單明了地評論道。

神經(jīng)遺傳學家凱文·米切爾（Kevin Mitchell）博士寫道，這是一篇了不起的論文，它對整個小鼠大腦中突觸亞型的多樣性和分布進行了分類。它強調了這樣一個事實，即突觸是神經(jīng)系統(tǒng)中關鍵的計算單元。

神經(jīng)連接體連接

該研究小組對構建小鼠大腦首個完整的突觸目錄“突觸體”的興趣源于一個更宏大的項目：神經(jīng)連接體。

簡而言之，神經(jīng)連接體就是你體內(nèi)所有的神經(jīng)元連接。根據(jù)承現(xiàn)峻博士在TED演講中的介紹，神經(jīng)連接體即你之所以為你——你的記憶，個性，你的推理和思考方式的生物學基礎。采集到神經(jīng)連接體，有一天科學家們也許能夠重建你——一種被稱為全腦仿真的東西。

顯微鏡成像顯示出大腦切片上的兩種發(fā)光突觸蛋白，PSD-95和SAP102

然而神經(jīng)連接體僅僅描述了神經(jīng)元之間是如何進行功能對話的。但是，神經(jīng)連接體在大腦中的物理編碼在哪里呢?

我們走進突觸看一看。神經(jīng)科學家早就知道，突觸通過化學物質和電流在神經(jīng)元之間傳遞信息。也有跡象表明突觸在所含蛋白質方面存在巨大差異，但傳統(tǒng)上這種差異大部分都被忽略了。直到最近，大多數(shù)科學家都認為，真正的計算發(fā)生在神經(jīng)元體——神經(jīng)元的球狀部分，分支即從這個部分伸出。

到目前為止，還沒有一種方法可以觀察到整個大腦突觸的形態(tài)和功能，作者解釋道。當然啦，我們也一直致力于在小范圍內(nèi)繪制這些關鍵連接點。

“突觸體地圖可以用來詢問突觸的空間分布（的不同）是否與神經(jīng)連接體架構有關?！毖芯繄F隊推斷道。

如果是這樣的話，未來的大腦仿真器可能最終會有一些實實在在的東西去掌握。

SYNMAP

為了構建小鼠突觸體，論文作者開發(fā)出了一個他們稱之為SYNMAP的流程。他們從轉基因小鼠入手，這些小鼠的突觸會發(fā)出不同的顏色。每個突觸都富含不同種類的蛋白質，其中，PSD-95和SAP102是最為突出的兩個成員。論文作者在這些突觸中加入了發(fā)光的蛋白質，這些蛋白質本質上就像點燃了大腦中每一個突觸的火把。

接著，他們煞費苦心地把大腦切成薄片，用顯微鏡捕捉到大腦不同區(qū)域中突觸的圖像，然后將這些照片再拼湊起來。

對于外行人來說，神經(jīng)突觸的圖像看起來就像密密麻麻的星圖。將所有突觸進行分類超出了任何人類研究者的能力和所能承受的時間付出，因此該研究團隊利用了新的機器學習分類技術，開發(fā)出了一種算法，該算法無須人類監(jiān)督即可自動解析這些數(shù)據(jù)——超過10萬億字節(jié)的數(shù)據(jù)。

物質化的神經(jīng)連接體

研究小組一下子就被發(fā)光突觸組成的“精致圖案”震撼了。一種做了標記的蛋白質——PSD-95——似乎游蕩在大腦更偏表面的部分，那里負責更高的認知功能。盡管也有重疊，但是其他發(fā)光蛋白質更傾向于聚集在大腦內(nèi)部區(qū)域。

大腦橫截面圖顯示了每個區(qū)域最常見的突觸亞型。每種顏色代表不同的突觸亞型?！?號方框”標出了海馬體

經(jīng)過仔細觀察，他們發(fā)現(xiàn)這兩種發(fā)光的蛋白質代表不同的突觸類型，論文作者解釋道。大腦的每個區(qū)域都有一個典型的“突觸體簽名”。就像指紋有著不同的形狀和大小一樣，大腦的不同區(qū)域似乎也有著含有不同蛋白質組成、大小和數(shù)量的突觸。

利用內(nèi)部開發(fā)的機器學習算法，研究小組將突觸分為37個亞型。值得注意的是，大腦中與高級推理和思維能力相關的區(qū)域同樣也包含有最為多樣化的突觸群體，而像腦干這樣的“爬行腦區(qū)域”，其突觸亞型則更為整齊劃一。

為什么？

為了弄明白突觸的多樣性是否有助于信息處理，研究小組使用計算機模擬來觀察突觸是如何對海馬體內(nèi)——大腦中海馬形狀的區(qū)域，對學習和記憶至關重要——常見的電模式做出應答的。海馬體是突觸亞型表現(xiàn)出顯著多樣性的區(qū)域之一，每個亞型都以驚人的模式在大腦結構中延伸開來。

每一種行為都會激活一個特定的突觸體，每一個突觸都像是思維過程的獨特指紋

值得注意的是，每種類型的電子信息處理都轉換成一個獨特的突觸圖譜——輸入改變，突觸體則隨之改變。

這表明大腦可以使用相同的大腦區(qū)域處理多重電信息，因為不同的突觸體被募集了。

當小鼠試圖在3種選項中選擇其一以獲得獎勵時，它們的電模式被記錄了下來，研究小組使用這些電模式進行試驗后發(fā)現(xiàn)了相似的結果。當小鼠進行了正確或錯誤的選擇，不同的突觸體則會被激活。就像一副進入了思維內(nèi)部的地圖一樣，突觸體生動地描繪出了小鼠做出選擇時的所思所想。

突觸體重新編程

就像計算機代碼一樣，突觸體似乎是計算輸出（一個決定或想法）的基礎。那么，如果代碼搞砸了怎么辦?

突變可以改變突觸體，并可能導致精神疾病

精神疾病通常會有影響突觸中蛋白的遺傳因素。使用表現(xiàn)出類似精神分裂癥或自閉癥癥狀的小鼠，研究小組繪制出了它們的突觸體圖，并且發(fā)現(xiàn)了大腦中各種突觸亞型結構和連接方式的巨大變化。

例如，在對某些正常的大腦電模式發(fā)生應答時，突變小鼠大腦中一些突觸體圖僅僅是若隱若現(xiàn)的，而另一些則變得異常強烈。

論文作者總結說，似乎某些精神疾病“重新編程”了突觸體。事實上，更強烈或新的突觸體圖可能是精神分裂癥患者產(chǎn)生錯覺和幻覺的原因。

那么，你即你的突觸嗎？

也許吧。你的本質——記憶、思維模式——似乎被蝕刻在不同的突觸是如何激活并對輸入做出應答上。就如同是記憶與決定的指紋一樣，突觸體可以被“讀取”來解讀這種想法。

但是正如論文作者們所承認的，這項研究僅僅是個開始。發(fā)表論文的同時，研究小組推出了一個突觸體瀏覽器工具，以幫助神經(jīng)科學家進一步理解突觸和人之間錯綜復雜的關系。

“這張地圖打開了大量新研究的途徑，這些新研究將改變我們對于行為和腦部疾病的理解?！备裉m特說道。

資料來源 singularityhub.com