利用大腦活動(dòng)圖譜尋找神經(jīng)元代碼開(kāi)啟之鎖

張長(zhǎng)青/編譯

大腦神經(jīng)元活動(dòng)圖譜

●科學(xué)家們雖經(jīng)幾十年的研究，但迄今仍未搞清楚神經(jīng)元放電是如何解碼人類(lèi)思想和行為的。為了解開(kāi)此過(guò)程之謎，一組科學(xué)家提出了一項(xiàng)雄心勃勃的大腦活動(dòng)圖譜(BAM)項(xiàng)目計(jì)劃，旨在將大腦中每一根神經(jīng)元活動(dòng)繪成圖譜，以期發(fā)現(xiàn)人類(lèi)行為和疾病狀態(tài)的關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)。

在2013年度的國(guó)情咨文中，美國(guó)總統(tǒng)奧巴馬提到了大腦活動(dòng)圖譜(BAM)項(xiàng)目計(jì)劃，BAM項(xiàng)目支持者據(jù)此認(rèn)為，BAM將會(huì)出現(xiàn)在總統(tǒng)推出的聯(lián)邦預(yù)算提案中。因?yàn)椋珺AM項(xiàng)目類(lèi)似早期開(kāi)展的人類(lèi)基因組計(jì)劃（HGP），如果這一項(xiàng)目得以實(shí)施，則標(biāo)志著是一項(xiàng)對(duì)未來(lái)技術(shù)和基礎(chǔ)研究的投資，相信在不久的將來(lái)會(huì)如同HGP一樣獲得巨額回報(bào)。

據(jù)協(xié)助開(kāi)發(fā)BAM項(xiàng)目提案的紐約市哥倫比亞大學(xué)教授拉斐爾·尤斯特（Rafael Yuste）稱(chēng)，BAM項(xiàng)目的發(fā)現(xiàn)可能最終會(huì)使諸如帕金森氏癥、癲癇、精神分裂癥等疾病得到更好的治療。據(jù)悉，BAM項(xiàng)目擬先從動(dòng)物模型著手開(kāi)發(fā)非侵入性技術(shù)，并最終實(shí)施對(duì)人類(lèi)大腦的研究。盡管大眾媒體都在重點(diǎn)報(bào)道人類(lèi)大腦圖譜的消息，但要真正展開(kāi)對(duì)人類(lèi)的研究還尚需時(shí)日。

呼之欲出的BAM項(xiàng)目

在接受采訪(fǎng)時(shí)，密蘇里州圣路易斯華盛頓大學(xué)的戴維·范·埃森（David Van Essen）說(shuō)：“BAM 項(xiàng)目是一項(xiàng)需要深思熟慮且極具挑戰(zhàn)性的系統(tǒng)工程，但會(huì)加速人們致力于解讀復(fù)雜大腦的進(jìn)程。”范·埃森并未參與BAM提案工作，然而他曾聯(lián)合組織過(guò)人類(lèi)大腦聯(lián)絡(luò)圖工程，即另一項(xiàng)廣泛的大腦圖譜首創(chuàng)倡議——正在進(jìn)行中的圖譜研究可將人類(lèi)大腦結(jié)構(gòu)連接成網(wǎng)絡(luò)，包括通過(guò)應(yīng)用功能性磁共振成像(fMRI)技術(shù)還能收集到整個(gè)大腦的活動(dòng)數(shù)據(jù)。

范·埃森表示，擬議中的BAM項(xiàng)目屆時(shí)將會(huì)提供巨大的數(shù)據(jù)量，進(jìn)而可以作為人類(lèi)大腦聯(lián)絡(luò)圖工程的補(bǔ)充。通過(guò)對(duì)動(dòng)物模型中單個(gè)神經(jīng)元集合活動(dòng)的測(cè)試，BAM項(xiàng)目或許可以幫助研究人員開(kāi)發(fā)出大腦回路運(yùn)行的計(jì)算模型，包括利用功能性磁共振成像技術(shù)，在整個(gè)大腦活動(dòng)中獲得的數(shù)據(jù)將會(huì)為我們奠定一個(gè)更好的解讀和了解的基礎(chǔ)。

鑒于美國(guó)聯(lián)邦預(yù)算還在決策之中，目前尚不清楚BAM項(xiàng)目到底能夠獲得多少資金的資助。據(jù)美國(guó)國(guó)立神經(jīng)疾病與中風(fēng)研究所（NINDS)的斯特瑞·蘭迪斯（Story Landis）表示，BAM項(xiàng)目仍處于計(jì)劃階段。當(dāng)下，蘭迪斯與負(fù)責(zé)美國(guó)國(guó)立精神心理衛(wèi)生研究所 (NIMH)的托馬斯·英塞爾（Thomas Insel）正在開(kāi)展這方面的籌劃與管理工作。蘭迪斯稱(chēng)，至少BAM項(xiàng)目會(huì)得到NIMH神經(jīng)科學(xué)研究計(jì)劃的資助。參與BAM項(xiàng)目的科學(xué)家聲稱(chēng)，盡管白宮在資金細(xì)節(jié)方面依然保持沉默，但一些私人基金會(huì)已表現(xiàn)出對(duì)該項(xiàng)目的興趣并愿意資助。相比之下，政府在過(guò)去13年間花在人類(lèi)基因組項(xiàng)目上的總投資達(dá)40億美元，而到目前為止，全美阿爾茨海默氏癥計(jì)劃法案已獲1.3億美元的資助。

納米探針技術(shù)助陣

BAM項(xiàng)目源自于一次研討會(huì)，并得到了美國(guó)科維理基金會(huì)、英國(guó)蓋茨比慈善基金會(huì)和艾倫腦科學(xué)研究所的支持。六位參與其中的科學(xué)家在2012年6月發(fā)表的有關(guān)神經(jīng)元論文指出，需要用數(shù)據(jù)在傳統(tǒng)的電生理學(xué)之間架起一座橋梁。因?yàn)闃悠窋?shù)據(jù)只是從少量的神經(jīng)元上得到的，而利用功能性磁共振儀對(duì)整個(gè)大腦所做的成像，其分辨率卻又不夠清晰。

為此他們建議，解決方案需從數(shù)以千計(jì)甚至數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的神經(jīng)元上記錄下整個(gè)回路所顯示出的詳細(xì)行為，并計(jì)劃先從簡(jiǎn)單的生物體入手，如線(xiàn)蟲(chóng)或果蠅身上做試驗(yàn)。因?yàn)樗鼈兊纳窠?jīng)元數(shù)量是可控的。初始回路圖譜可以使用成熟的鈣成像技術(shù)（鈣電流能夠反映神經(jīng)元的激活），并記錄下電壓。鑒于目前還沒(méi)有一個(gè)好使的電壓指示儀，科學(xué)家認(rèn)為，引領(lǐng)未來(lái)發(fā)展且最有前途的將是納米技術(shù)。

BAM項(xiàng)目可以從美國(guó) 《國(guó)家納米技術(shù)創(chuàng)新》(NNI)中獲得技術(shù)上的支持。例如，一些無(wú)機(jī)納米粒子對(duì)周?chē)妶?chǎng)十分敏感，可以產(chǎn)生勵(lì)磁響應(yīng)而發(fā)光，由此生產(chǎn)出前途廣闊的電壓指示儀。論文科學(xué)家宣稱(chēng)，更有應(yīng)用前景的是納米探針技術(shù)，即一種由小硅陣列塞滿(mǎn)電極的裝置。現(xiàn)在已經(jīng)有了幾十個(gè)電極的納米探針，這種探針可以控制數(shù)以千計(jì)的神經(jīng)元，并允許在神經(jīng)元回路中進(jìn)行大規(guī)模的并行記錄。

然而，納米探針技術(shù)用在人體上或存有侵襲性不太適用。研究人員為此計(jì)劃開(kāi)發(fā)非侵入性方法用于人體研究，其內(nèi)容包括電氣或化學(xué)活動(dòng)進(jìn)行光學(xué)成像，或利用重組DNA分子存儲(chǔ)動(dòng)作電位峰值數(shù)據(jù)。后一種方法，即包含由DNA在內(nèi)的合成細(xì)胞充當(dāng)大腦活動(dòng)的“駐地記者”。由于DNA聚合酶的錯(cuò)誤率依賴(lài)于陽(yáng)離子濃度，其錯(cuò)誤模式對(duì)應(yīng)峰值頻率，因此該方法會(huì)利用DNA浩瀚的信息存量。但尤斯特強(qiáng)調(diào)，上述這些方法仍存有一定的風(fēng)險(xiǎn)。

盡管技術(shù)上存有障礙，但評(píng)論家們還是一致認(rèn)為，該項(xiàng)目能進(jìn)一步了解大腦的運(yùn)作狀態(tài)。范·埃森說(shuō)：“許多方法都有可能產(chǎn)生效果，尤其當(dāng)新技術(shù)獲得大量投資的時(shí)候。”

支持者欲將其比肩HGP

據(jù)華盛頓大學(xué)的馬庫(kù)斯·賴(lài)希勒（Marcus Raichle）教授說(shuō)：“在進(jìn)行一項(xiàng)技術(shù)開(kāi)發(fā)的同時(shí)，需要得到一流的經(jīng)費(fèi)支持。你可以想象，許多有趣的事情因此會(huì)突然出現(xiàn)，一些與我們所理解的人類(lèi)大腦狀況有關(guān)聯(lián)的發(fā)現(xiàn)可能會(huì)出現(xiàn)，也可能不會(huì)。”

作為神經(jīng)元論文的作者在比對(duì)HGP時(shí)，發(fā)現(xiàn)HGP在測(cè)序方法上引領(lǐng)了一場(chǎng)革命，不僅極大地降低了測(cè)序成本，而且激發(fā)了基因組產(chǎn)業(yè)的大發(fā)展。據(jù)美國(guó)巴特爾技術(shù)合作實(shí)踐研究所的分析報(bào)告，在基因組計(jì)劃中，每投入一美元就會(huì)有141美元的產(chǎn)出，在創(chuàng)造新的就業(yè)崗位的同時(shí)，還增加了稅收。不僅如此，報(bào)告還指出，HGP其科學(xué)影響還在持續(xù)發(fā)酵。BAM項(xiàng)目支持者堅(jiān)信，BAM也有可能獲得同樣的效果。

志在從事BAM項(xiàng)目的研究人員相信，這項(xiàng)工作屆時(shí)會(huì)導(dǎo)致大量診療應(yīng)用手段的出現(xiàn)。尤斯特說(shuō)：“展開(kāi)此項(xiàng)工作最關(guān)注的動(dòng)機(jī)是要實(shí)現(xiàn)臨床化。”例如，他希望通過(guò)精神分裂癥患者的大腦活動(dòng)與健康組的比較，最終能發(fā)現(xiàn)其中異常的行為模式。“如果能做到這一點(diǎn)，我們或許可以制定出相應(yīng)的計(jì)劃來(lái)改變這些異常模式或活動(dòng)通道。”蘭迪斯預(yù)見(jiàn)到，這些發(fā)現(xiàn)還可能有助于治療其他回路紊亂性疾病，如癲癇，甚至自閉癥等。

目前，通常被稱(chēng)為“腦起搏器”的腦深部刺激術(shù)(DBS)，是將電極放置在特定的大腦區(qū)域，通過(guò)該電極向控制人體運(yùn)動(dòng)的區(qū)域發(fā)送電脈沖；同時(shí)在患者的胸部皮下埋置一個(gè)類(lèi)似起搏器的裝置，患者可以根據(jù)自身的癥狀和感覺(jué)，通過(guò)遙控器以控制脈沖發(fā)送的強(qiáng)度和頻率，以此緩解帕金森氏癥、抑郁癥的癥狀。

蘭迪斯說(shuō)，為了能更好地理解大腦回路工作的過(guò)程，我們還能做出一些更加復(fù)雜的變化。即通過(guò)對(duì)這類(lèi)知識(shí)的理解，研究人員可以開(kāi)發(fā)出更好的與腦相通的機(jī)械接口，從而達(dá)到控制機(jī)械臂等裝置的目的。好在這方面的主題調(diào)研工作已經(jīng)著手進(jìn)行了。

最后，賴(lài)希勒強(qiáng)調(diào)，BAM項(xiàng)目作為腦研究方法的一種補(bǔ)充，但決不是替代。“（該方法）可以測(cè)試非常重要的大腦代謝過(guò)程，因此不一定要跟蹤動(dòng)作電位的放電”。舉個(gè)例子，腦葡萄糖的使用和代謝，通過(guò)氟脫氧葡萄糖正電子發(fā)射計(jì)算機(jī)斷層掃描術(shù)（FDG-PET）就能得到顯示。