人腦活動圖將解開思維奧秘

李雙文

當(dāng)人們對人類基因組計劃（HGP）耳熟能詳并領(lǐng)略了其后的人類蛋白質(zhì)組計劃（HPP）、人類微生物組計劃（HMP）和人類腸道宏基因組學(xué)（MHIT）后，一個新的生命科學(xué)的龐大計劃也開始規(guī)劃并將很快動工，這就是人腦活動圖計劃（BAM）。如同人類基因組計劃是由美國科學(xué)家首先提出和實施一樣，人腦活動圖計劃的發(fā)起者和實施者同樣是美國研究人員。

投入產(chǎn)出比極高

2013年2月18日，美國政府宣布，將啟動人腦活動圖計劃，這個計劃的目的是要構(gòu)建一個大腦活動時的全面圖譜，或一個廣闊的人類精神活動圖譜，從而弄清人的大腦是如何工作的。由于任務(wù)的艱巨性，初步設(shè)想這個計劃需要10年時間，這個計劃的意義可與已經(jīng)完成的人類基因組計劃媲美。

美國政府初步確定在2013年3月出臺這一計劃，全球的許多頂級科學(xué)家，包括神經(jīng)和納米領(lǐng)域的科學(xué)家都將參與這個計劃。同時，除了美國一些聯(lián)邦科研機構(gòu)外，一些私人基金會也會積極支持該項計劃。研究人員希望通過合作和努力，在了解大腦的上千億個神經(jīng)元的基礎(chǔ)上來解讀人的認(rèn)知、智能以及最終了解人的意識。

當(dāng)然，研究人員還對BAM抱有更高的期望，通過該計劃除了能理解大腦的全面功能外，還能幫助人們發(fā)現(xiàn)各類神經(jīng)精神疾病，如阿爾茨海默氏癥、帕金森氏癥等疾病的病因，同時找到治療這些疾病的新方法。不僅如此，這個計劃還有望為研究人工智能提供線索，并為實現(xiàn)人工智能鋪平道路。

雖然美國政府預(yù)算經(jīng)費并不充裕，但是此計劃的預(yù)算額度至少30億美元。奧巴馬在其2013年2月13日的國情咨文中提出，BAM應(yīng)當(dāng)是政府最有創(chuàng)意的投資之一。他說，“過去我們投資人類基因組每1美元獲得了140美元回報。今天我們的科學(xué)家正要描繪人的大腦圖譜以便弄清阿爾茨海默氏癥的原因。他們正在發(fā)明的藥物可讓受損的器官再生，用新材料設(shè)計的電池能提高電量10倍。現(xiàn)在，不是砍掉科技革新領(lǐng)域可創(chuàng)造就業(yè)方面的投資的時候。我們需要進(jìn)行這些投資”。

人類基因組計劃始于1990年，耗資38億美元。該計劃在2003年4月完成，至2010年，該計劃已經(jīng)獲得8000億美元的回報。

參與BAM規(guī)劃的科學(xué)家表示，他們希望美國聯(lián)邦政府每年提供超過3億美元的資金。這與人類基因組計劃的經(jīng)費差距不大，不過BAM能帶來更多的經(jīng)濟增長。曾幫助創(chuàng)建人類基因組計劃的哈佛大學(xué)分子生物學(xué)家喬治·丘奇也正在幫助規(guī)劃人腦活動圖計劃，他認(rèn)為，與BAM相關(guān)的神經(jīng)科學(xué)和納米科學(xué)的研究總開支或許會超過人類基因組計劃所花的錢，但是，對BAM的投入會得到更多回報。

人腦活動圖研究的內(nèi)容

人腦約有1000億個神經(jīng)元（神經(jīng)細(xì)胞），每個神經(jīng)元不僅有自己的活動，而且要通過突觸把神經(jīng)沖動（生物電流）傳導(dǎo)到其他神經(jīng)元，從而產(chǎn)生、獲取和交流信息、指令，以指揮人的各種行為，并產(chǎn)生思想和意識。

過去的研究初步探明，神經(jīng)元是靠突觸來構(gòu)筑神經(jīng)元與神經(jīng)元之間的相互聯(lián)系并傳遞信息的。根據(jù)大腦解剖的結(jié)果，研究人員發(fā)現(xiàn)，突觸有多種類型，可分為軸突-胞體突觸、軸突-樹突突觸、軸突-軸突突觸三類，這些突觸類型可以執(zhí)行不同的神經(jīng)傳導(dǎo)功能。

從突觸的結(jié)構(gòu)來看，突觸由突觸前膜、突觸間隙和突觸后膜三部分組成。構(gòu)成突觸前膜部分的神經(jīng)元軸突末梢呈球形，形成突觸小體，里面有大量的突觸小泡，小泡內(nèi)貯存有神經(jīng)遞質(zhì)。神經(jīng)遞質(zhì)是神經(jīng)末梢釋放的、具有傳遞信息功能的特殊化學(xué)物質(zhì)。由下一個神經(jīng)元構(gòu)成的突觸后膜上有能與相應(yīng)遞質(zhì)結(jié)合的受體。某種神經(jīng)遞質(zhì)，如乙酰膽堿、多巴胺等，被前一個神經(jīng)元釋放后，能與突觸后膜上的受體結(jié)合，從而引起下一個神經(jīng)元的興奮或抑制，以傳導(dǎo)特定的信息。

按功能不同，突觸又可分為興奮性突觸和抑制性突觸。興奮性突觸是指突觸前神經(jīng)元興奮時，由突觸小泡釋放出具有興奮作用的神經(jīng)遞質(zhì)，如乙酰膽堿、去甲腎上腺素、5羥色胺等。這些神經(jīng)遞質(zhì)可使突觸后神經(jīng)元產(chǎn)生興奮。如果興奮性突觸受到阻礙，就可能引起疾病或死亡。例如，某些阻礙乙酰膽堿釋放的藥物能引起致命性的肌肉癱瘓。而抑制性突觸是指突觸前神經(jīng)元興奮時，由突觸小泡釋放出具有抑制作用的神經(jīng)遞質(zhì)，如多巴胺、甘氨酸等。這些遞質(zhì)使突觸后膜“超極化”，從而顯示抑制性的效應(yīng)。

由于人類大腦的神經(jīng)元很多，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)又非常復(fù)雜，過去研究人員只能通過解剖、生理、生化和腦電圖，如磁共振成像（MRI）、正電子發(fā)射計算機斷層顯像（PET）等來了解大腦神經(jīng)元的活動。由于方法的局限，研究人員只能同時記錄少量神經(jīng)元的活動，而且多數(shù)情況下，還要利用探針進(jìn)行有創(chuàng)檢查。

2012年6月，美國6位科學(xué)家在美國《神經(jīng)元》期刊上發(fā)表文章，提出用一些新技術(shù)和新方法繪制人腦活動圖，這些方法能夠?qū)Υ竽X既不損傷，又能記錄和研究其活動情況，他們就是人腦活動圖計劃的創(chuàng)建者。這些研究人員包括，美國哈佛大學(xué)分子生物學(xué)家喬治·丘奇、加利福尼亞大學(xué)卡弗里大腦和心靈研究所副主任拉爾夫·格林斯潘、加利福尼亞伯克利國家實驗

室的化學(xué)家保羅·阿利維薩托斯、卡弗里基金會的分子遺傳學(xué)家全美永、加利福尼亞技術(shù)研究所的物理學(xué)家邁克爾·羅可斯和美國哥倫比亞大學(xué)的神經(jīng)科學(xué)家拉斐爾·尤斯特。

研究人員提出的探索大腦神經(jīng)元活動情況的方法包括，采用硅納米探針、光學(xué)和激光技術(shù)，同時還可以利用未來的合成生物學(xué)技術(shù)，例如可以設(shè)計一種分子級別的生物機器人，其作用就像傳感器一樣，利用這種分子機器人，不用開顱就可以收集大腦的信息。目前一個比較可行的方法是，通過制造一批分子大小的機器人（納米機器人），用無創(chuàng)方式充當(dāng)傳感器，在細(xì)胞層次上檢測并記錄大腦活動，以此構(gòu)建完整的人腦活動圖。要完成這種研究，不僅要有納米技術(shù)的成熟，而且需要用合成DNA來儲存和記錄大腦神經(jīng)元和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，包括大腦局部和全部神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的活動。這也是為何人腦活動圖計劃需要納米研究人員參加的原因。

現(xiàn)在，科學(xué)家已經(jīng)利用激光探測到小鼠大腦皮質(zhì)神經(jīng)元的活動。而BAM首先需要從只有比較少的神經(jīng)元的簡單動物開始研究，然后過渡到對有更多神經(jīng)元的更為復(fù)雜的動物進(jìn)行研究，最后才會對人進(jìn)行研究。例如，秀麗隱桿線蟲只有302個神經(jīng)元，7000個突觸，研究人員已經(jīng)繪制了它的靜止的腦圖，或稱為“連接體”。這是目前唯一的一個動物靜止腦圖。

下一步研究人員計劃對有135000個神經(jīng)元的果蠅大腦進(jìn)行研究，隨后是對有100萬個神經(jīng)元的斑馬魚大腦進(jìn)行研究，再然后對小鼠、最小的哺乳動物小臭鼩（其大腦皮質(zhì)由約100萬個神經(jīng)元構(gòu)成）進(jìn)行研究。

研究人員也承認(rèn)，如同人類基因組計劃一樣，BAM也會涉及倫理問題，包括隱私、讀心（術(shù)），甚至目前的科學(xué)神話——心靈控制。所有這些也是BAM計劃實施之前需要解決的問題。

當(dāng)然，描繪人腦活動圖不只是能獲得正常人神經(jīng)活動的類型、功能、分子機制，甚至意識產(chǎn)生的過程和機理，而且能夠獲得有關(guān)精神分裂癥和自閉癥等疾病的新認(rèn)識和新療法。因為，精神分裂癥和自閉癥等疾病在很大程度上，都是神經(jīng)元活動不正常的結(jié)果。

不同的意見

也有相當(dāng)一些研究人員對人腦活動圖計劃提出了懷疑，主要體現(xiàn)在兩個方面，一是美國聯(lián)邦科研基金的使用是否合理，二是BAM能否像人類基因組計劃一樣獲得成功。

人類基因組計劃取得了巨大成功，不僅按計劃完成，而且回報了政府的投資（本質(zhì)上是納稅人的投資），但是人類基因組計劃也并非完美無缺。例如，隨后的另一個工程是DNA元件百科全書計劃（ENCODE），其中涉及對大量“垃圾DNA”的研究。加利福尼亞大學(xué)伯克利分校的生物學(xué)家邁克爾·艾森認(rèn)為，ENCODE并不是一個好主意。現(xiàn)在應(yīng)當(dāng)清醒了，大生物學(xué)并不是一個為個人發(fā)現(xiàn)驅(qū)動的科學(xué)氣球，它正在形成一種對自身的巨大威脅。

因為，這樣的研究把太多的雞蛋放在了一個籃子里。也許BAM只是一個為神經(jīng)科學(xué)研究獲得更多基金的公關(guān)項目。如果BAM不能獲得成果或結(jié)果一般，聯(lián)邦政府的巨額投資未必不會打水漂。相反，聯(lián)邦政府應(yīng)當(dāng)對科研進(jìn)行多樣化的投資，不能把雞蛋都裝在一個籃子里，一些只有百萬美元投入的研究同樣可能出大成果。

另一方面，也有研究人員對BAM能研究出什么名堂表示了懷疑。比如，有人指出，我們現(xiàn)在并不了解果蠅的大腦，研究果蠅的大腦能給人帶來什么呢？有人能解釋果蠅的大腦與人的大腦的區(qū)別嗎？

就連BAM的發(fā)起人之一格林斯潘也承認(rèn)，人類基因組的任務(wù)是非常具體的而且容易完成，但BAM的目標(biāo)盡管吸引人，卻很困難。

與人類基因組計劃相比，人腦活動圖更為復(fù)雜，因為這項龐大的研究是要記錄約1000億個神經(jīng)元的活動。而人類基因組是靜態(tài)的，只是測序人類不同細(xì)胞染色體中基因密碼，即四種堿基胞嘧啶（C）、胸腺嘧啶（T）、腺嘌呤（A）和鳥嘌呤（G）的排序，它們的排列是有規(guī)律的，基本上是下面幾種：A-T、G-C、T-A和C-G。如果堿基序列出錯，如出現(xiàn)跳躍、錯

位、重疊等，就會產(chǎn)生疾病。

但是，研究大腦神經(jīng)元的活動更難，除了單個神經(jīng)元的信息傳導(dǎo)、神經(jīng)遞質(zhì)的不同外，還需要了解整個神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)同步或不同的活動，才能知道整個大腦的活動模式是怎樣的，這些活動最終如何驅(qū)使人做出各種舉動，以及如何產(chǎn)生意識。同時，盡管不同人的意識的產(chǎn)生有相同的模式，但卻有不同的特點。人腦活動圖是否真的能弄清每個人的意識是如何產(chǎn)生的確實很困難。

一些研究人員對BAM能否出成果的懷疑類似于對歐洲相同的大腦研究計劃的質(zhì)疑。歐洲的人腦研究計劃是，由瑞士主導(dǎo)，投資10億歐元（約合83億元人民幣），制造一個基于硅的“大腦”。這是在有關(guān)大腦內(nèi)部運作的研究成果基礎(chǔ)之上，構(gòu)建一個超級計算機模擬系統(tǒng)。但是，有人認(rèn)為，這樣的模擬系統(tǒng)依賴的仍然是尚處于理論階段的并不完備也并不準(zhǔn)確的知識。因此，這樣的“大腦”研制出來可能意義和作用有限。

同理，對于BAM，人們懷疑的是，尚無可靠的理論和可行的技術(shù)來研究。正如加利福尼亞大學(xué)的物理學(xué)和神經(jīng)生物學(xué)研究人員大衛(wèi)·克萊因菲爾德所言，在對大量的人進(jìn)行磁共振成像（MRI）掃描之前，他會做更基礎(chǔ)的神經(jīng)科學(xué)研究。

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