為大腦繪“地圖”

鄒丹

我們都知道，出門旅游，地圖是必不可少的。不管是紙質(zhì)地圖，還是電子地圖，都標滿了道路和建筑物，能指引我們到達目的地。

那么，什么是大腦的“地圖”呢？我們又不能去大腦里旅游，為什么要給大腦繪“地圖”呢？回答這兩個問題，我要從大腦的功能和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)說起。

大腦是所有脊椎動物和大部分無脊椎動物的神經(jīng)系統(tǒng)控制中心，也是神經(jīng)系統(tǒng)最高級的部分。它參與了我們?nèi)粘Ｉ畹姆椒矫婷?，我們的情感、行為、決策等都與它密切相關(guān)。被尊稱為“西方醫(yī)學之父”的古希臘醫(yī)師希波克拉底曾經(jīng)說：“我們的歡樂、開懷的大笑、說的俏皮話以及我們感到的難過、悲傷、意志消沉……都是只來源于我們的大腦，而不是別的什么東西。”另一方面，對于有關(guān)大腦的疾病，例如孤獨癥、阿爾茨海默癥等，目前我們?nèi)匀蝗鄙儆行У臋z測手段，一個重要的原因是我們對大腦工作的機制知道得很少。所以，探究大腦是如何工作的，為大腦繪“地圖”，至關(guān)重要。

人類的大腦雖然只重約1.5千克，但是包含約1000億個神經(jīng)元。神經(jīng)元由細胞體和從細胞體伸出的突起（軸突和樹突）兩部分組成，以復雜的空間結(jié)構(gòu)分布在大腦中，神經(jīng)元與神經(jīng)元通過軸突和樹突相互連接。如果我們把大腦想象成地球，那么神經(jīng)元就像分散在空中、地上和地下各個角落的無數(shù)城市。

大腦的功能是由大腦的結(jié)構(gòu)決定的。因此，要充分理解大腦的功能，科學家就要從了解大腦的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)入手，即了解、標定神經(jīng)元的位置及連接關(guān)系，這就像給大腦繪地圖。

在地圖測繪領(lǐng)域，人們通過航拍的方式獲取大量照片，然后根據(jù)照片里建筑和道路的位置繪地圖。在腦科學領(lǐng)域，科學家也用類似的研究思路：先通過腦成像技術(shù)獲取大腦內(nèi)部結(jié)構(gòu)的三維圖片，然后尋找神經(jīng)元的位置、摸清它們的連接關(guān)系，最終繪出大腦的“地圖”——全腦神經(jīng)元連接圖譜。

經(jīng)過多年研究，科學家已經(jīng)初步掌握腦成像技術(shù)。其中，我國科學家在這方面開展了深入研究，取得了一定成果。以華中科技大學武漢光電國家研究中心自主研發(fā)的熒光顯微光學切片斷層成像系統(tǒng)為例，研究人員使用高精度的設(shè)備對小鼠大腦超薄切片進行光學成像，而且采用“切片同時進行成像”的數(shù)據(jù)獲取方法，獲取突起水平（亞微米分辨率）的完整腦數(shù)據(jù)。雖然大腦并不大，但是腦成像數(shù)據(jù)量非常大。比如，小鼠的大腦體積很小，小鼠的腦成像數(shù)據(jù)量卻可超過10萬億字節(jié)。

面對這樣大規(guī)模的數(shù)據(jù)，普通計算機“無能為力”，這時就需要超級計算機“登場”。超級計算機將大量處理器集中在一起，有極大的數(shù)據(jù)存儲容量、極快的數(shù)據(jù)處理速度，因此可以在多種領(lǐng)域進行一些普通計算機難以進行的工作。

近年來，科學家正在運用超級計算機全力研究動物的全腦成像和數(shù)據(jù)處理技術(shù)。比如，我國有一個課題叫“神經(jīng)回路大數(shù)據(jù)的定量分析與可視化”，研究人員借助我國自主研制的超級計算機，實現(xiàn)了小鼠酌全腦成像數(shù)據(jù)并行處理，只用2小時就得到了小鼠腦部的所有神經(jīng)元位置和連接信息。

為大腦繪“地圖”的工作仍在進行，還有很多需要解決的問題。但隨著科學技術(shù)的進步，相信在不久的未來，我們能夠獲取人類的全腦成像數(shù)據(jù)，為人腦繪出精準的“地圖”，治愈與大腦有關(guān)的疾病，真正破解人類智能的秘密。