怎樣才能看清大腦？

2013年4月，美國總統貝拉克·奧巴馬宣布美國將進行繼人類基因組計劃之后另一個宏偉的科學研究計劃——人腦研究計劃（腦計劃）。同年9月中旬，美國國立衛生研究院又公布了腦計劃9個獲得美國國會撥款的具體項目，包括：統計大腦細胞類型、建立大腦結構圖、開發大規模神經網絡記錄技術、開發操作神經回路的工具、了解神經細胞與個體行為之間的聯系、把神經科學實驗與理論、模型、統計學等整合、描述人類大腦成像技術的機制、為科學研究建立收集人類數據的機制和知識傳播與培訓。

過去的研究對腦計劃的啟示

美國國會批準2014年財政年為腦計劃撥款1.1億美元，其中4000萬美元將由美國國立衛生研究院分配。研究資金到手，研究人員要考慮的中心問題是如何才能在大腦研究中取得進展。其中一個最重要的問題是，研究人員通過什么方法才能看到大腦，從而揭示大腦的秘密。

其實，過去的一些技術和研究為人們看見大腦和大腦中的細微結構提供了一些借鑒。借鑒之一是核磁共振成像（MRI），這是可以觀察人們活體大腦活動的一種技術。核磁共振成像是一種生物磁自旋成像技術，核磁共振成像的“核”指的是氫原子核，因為人體約70%是由水組成的。核磁共振成像就是利用人體中遍布全身的氫原子在外加的強磁場內受到射頻脈沖激發，產生核磁共振現象，再用探測器檢測并接受以電磁形式放出的核磁共振信號，輸入計算機，經過數據處理轉換，最后將人體各組織的形態轉換成圖像。

核磁共振成像產生的圖像不僅可以讓人看到大腦內的血腫、腫瘤、動靜脈血管畸形、腦缺血、脊髓空洞癥和脊髓積水等顱腦常見疾病，同時還能讓人看到大腦某一部位的血流情況，從而判斷大腦皮質的某一功能區活動是否顯著，再從大腦功能區的活動是否顯著判斷大腦的實時功能。但是，這些圖像并非像生活中人們用高清相機拍攝的圖片那么清楚，所以從嚴格意義上看，采用核磁共振成像并不能十分清楚地看到大腦。

另一個能看清生物體內部組織結構的技術是X射線，它是波長非常短的電磁波，可以用來透視人體，例如X射線拍片能看到肺部是否有感染或是否患肺結核。X射線也可以用來分析晶體的結構。當X射線穿過晶體之后，會形成衍射圖樣，這是一種特定的明暗交替的圖形。不同的晶體產生不同的衍射圖樣，仔細分析這種圖形就能知道組成晶體的原子是如何排列的。比如，1966年的諾貝爾化學獎是頒發給碳60的發現，而對碳60的發現也是在1991年美國加州大學一個有機化學實驗室的研究人員用X射線衍射拍到了碳60的32個晶面而證實的，碳60的X射線衍射圖顯示，碳60相當于老式足球球面的20個六邊形和12個五邊形，從而證明了碳60結構。

低溫電子顯微鏡技術有待發展

盡管X射線可以觀察人體內部以及X射線衍射可以觀察生物晶體分子，但用以觀察人腦效果卻很有限，因為X射線對人有輻射，會造成傷害，同時圖像也并非很清晰。所以，現在另一種技術進入科學家的視野，這就是低溫電子顯微鏡技術。

低溫電子顯微鏡技術是一種可以幫助研究人員對諸如病毒表面極其微小的分子和顆粒進行成像的先進技術。這一技術的特點之一是可以顯示出在液氮溫度下快速凍結的單個蛋白分子。同時，利用三維計算機技術對圖像進行疊加處理，可以清楚地看到病毒表面或內部的結構。因此，利用這種技術拍攝的圖片不僅讓人可以看見死亡的生物體內部的結構和分子，也能對活體生物拍照進行觀察。例如，艾滋病病毒的包膜蛋白具有多變性，也使研制疫苗和藥物非常困難，但是，如果能拍攝到HIV包膜蛋白上的分子是如何變化的，就可以了解HIV的變化，為研發疫苗提供線索。

現在，美國波士頓達納法伯癌癥研究所的約瑟夫·索德勞斯基等人已經用低溫電子顯微鏡拍攝到了HIV包膜蛋白圖像。他們發表了拍攝到的HIV表面兩種蛋白的極微小的視圖，這兩種蛋白彼此連接，而且三個一起成團出現，因而被稱為三聚體。

不過，對于這一結果，學術界還存有種種質疑。

由于存在爭議，利用低溫電子顯微鏡技術拍攝微生物和人腦內部結構的設想也許要等待更長的時間才能實現。

清晰技術能看清大腦

不過，現在一種新的清晰技術（CLARITY）已經能讓小鼠的大腦清晰可見，這也為看清人腦提供了可行的方法。

清晰技術包含多種方法和手段，一是用水凝膠和丙烯酰胺來替代脂質，二是使用熒光染色，三是采用電鏡技術。利用清晰技術能將小鼠的大腦制成3D透明的大腦，讓研究人員能清楚地觀察到大腦中的神經細胞，甚至分子結構。這項技術最近由美國斯坦福大學卡爾·迪賽諾思團隊研發。

無論是活體大腦還是死亡的大腦里面都有脂質，當用顯微鏡觀察大腦時，光線透過脂質就像陽光照射在油面上一樣會產生七色光彩，脂質分子會把光線分散到各個方向，導致顯微鏡難以顯示大腦內部數百微米以下的細微結構。同時，脂質也排斥很多物質，比如抗體，因此需要對大腦進行切片才能標記一些特殊類型的細胞，這也讓腦計劃中一項重要研究——統計大腦細胞類型變得比較困難。

清晰技術首先是清洗大腦中的脂質，但是又不能完全去除脂質，因為去除了脂質大腦中的所有物質就會分散。所以，研究人員對死亡的小鼠大腦中注射水凝膠和一種大分子丙烯酰胺來代替脂質，然后對水凝膠溶液稍微加熱。在差不多達到人的體溫時，水凝膠開始凝聚為長分子鏈，在大腦中形成高分子網絡。這一網絡能夠支持大腦中的所有結構，但不會結合脂質。隨后，研究人員利用電流和洗滌劑將大腦中的脂質分離和沖洗出來，最后獲得完整透明的3D大腦，大腦中的神經元、軸突、樹突、突觸、蛋白、核酸等都完好保持在原位。

此后，研究人員再用熒光抗體處理小鼠大腦，使熒光抗體與大腦中特異性的目標，如軸突、各種神經遞質、核酸等結合并發光，這就讓人能清楚看到大腦中的各類物質和分子。研究人員還可以去除已染色的熒光抗體，并用其他抗體進行重新染色，以便在同一個大腦中研究不同的分子目標，而且這種染色/褪色過程可以重復多次。在這一過程中還可通過電鏡揭示大腦內部的精細結構，例如突觸。

因此，利用清晰技術制成的小鼠3D大腦不僅可以讓人們追溯神經回路，解析局部回路的細微差異，觀察細胞間的聯系和分析亞細胞結構，還可以探尋蛋白復合體、核酸和神經遞質之間的化學關聯。

當然，在清晰技術發明之前，也可以用數字技術來制作大腦的3D成像，但是非常耗時和繁復。首先需要將大腦的組織切成數百個甚至數千個薄片，然后詳細掃描每個薄片的影像并輸入計算機，再精心調整各部分的位置。遇到精微的部分，如神經細胞的接觸點——軸突，則更加費時，因為一個軸突大約相當于人的頭發直徑的1/100。在制作時不僅耗費大量的計算機操作時間，還容易產生明顯誤差。

現在，清晰技術制作的3D透明大腦不僅時間快，而且準確，還能讓人們清晰地看見大腦中的結構和分子。例如，人們可以一眼看到用不同標記物標記的大腦中的每一個分子，而且對特定大腦區域中的神經元進行計數也會加快數百倍。

迪賽諾思研究團隊目前不僅能制作小鼠的3D透明大腦，而且也把一名已死亡的自閉癥患者的大腦部分區域制作成了3D透明大腦。用這種方法同樣可以對保存在福爾馬林中的大腦制作3D透明大腦。

不過，一些研究人員也對清晰技術提出了一些質疑。研究人員承認，清晰技術可以用來觀察人的整個大腦，但是卻需要制造一個非常大的顯微鏡鏡頭來攝影。迪賽諾思承認，他們目前還不能到達這個水平。現有的顯微鏡僅僅可以同時觀察6～8毫米直徑的大腦組織，這大概是一個完整的成年小鼠大腦。不過，這也可以較為深入和全面地觀察人腦了，因為人類大腦皮質的核心單元大約就是這么大。

奧地利維也納科技大學的神經影像專家漢斯·烏里奇·多德特認為清晰技術是一個巨大的進步，但是該技術可能存在危險，并且比較昂貴。因為丙烯酰胺有劇毒和致癌性，所以只能用以觀察死亡的大腦，而不能用于觀察活體大腦。而要觀察活體大腦，則需要找到新的不致癌的物質和易于應用的技術。

當然，隨著清晰技術的進一步改進和完善，制作死亡者的3D透明大腦將不會是難題，甚至在未來還可以建立起活體的3D透明大腦。當大腦能被清楚地看見時，研究大腦就會變得更為容易，解開大腦的秘密也會水到渠成。

【責任編輯】張田勘