解析大腦奧秘 這張“地圖”很重要
——訪中國科學院院士、海南大學校長駱清銘

文／畢文婷

世界上最復雜、最精密的物質結構不是定義時間的原子鐘，不是探索太空的望遠鏡，而是人類的大腦。

人腦擁有至少1000億個神經元和1015個神經聯接構成的復雜神經網絡，被稱為人類認識自然的“最后疆域”。但這些神經網絡是如何交織在一起的？在每一次的意識與行為產生時，神經元在“暗地里”進行了怎樣的操作？想探明這些問題，我們首先要擁有一張“腦內地圖”——腦聯接圖譜。

利用傳統技術進行研究時，繪制腦聯接圖譜的阻礙包括時空分辨率低、重復性差、成像速度慢等。2010年，中國科學院院士、海南大學校長駱清銘帶領團隊圍繞小鼠大腦展開研究，發明了顯微光學切片斷層成像技術（Micro-Optical Sectioning Tomography，MOST）。經過10余年的技術迭代，駱清銘團隊手執MOST畫筆，為我們描繪了小鼠腦內錯綜復雜的神經元聯接地圖。近日科技日報記者對駱清銘進行了專訪，請他闡述自己對腦聯接圖譜研究的理解。

腦聯接圖譜是認識腦的基礎

記者：關于小鼠腦聯接圖譜，您的團隊幾乎每隔一兩年就會發布一項重大進展。當初您為什么選擇小鼠作為主要研究對象？小鼠大腦與人類大腦之間有怎樣的聯系？

駱清銘：研究大腦活動就和研究交通狀況一樣。城市之間有縱橫交錯的公路與鐵路聯接，我們大腦腦區之間也有不同的神經環路聯接。當我們不掌握公路、鐵路的情況時，如何去研究交通？同樣，如果我們對神經元、神經環路、神經網絡間的聯接都不清楚，又何談研究大腦活動？因此，我萌生了研究腦聯接圖譜的想法。

在網絡水平上開展對人類大腦的研究，難度非常大，所以我們先選擇與人類大腦具有相似性的小鼠。經過研究我們發現，無論是人腦還是鼠腦，其神經聯接、神經投射的很多信息是有共通之處的。比如相當一部分神經元在大腦中的投射并非局域化的，而是會投射到多個腦區，這種情況在鼠腦和人腦中都有體現。

當然，雖然二者在基因水平上有一定的相似性，但實際差別依舊非常大，所以我們先針對鼠腦將技術發展完善，計劃將來在適當的時候再應用于人腦。

記者：在鼠腦中應用的技術發展到了什么階段？

駱清銘：在國際上，關于腦圖譜的研究有不同的技術，如功能磁共振成像（fMRI）、電鏡等。fMRI無法分辨出每一個神經元，像“霧里看花”，而電鏡又只能看到神經元的局部，好比我們說的“只見樹木不見森林”。但我認為，在全腦范圍內分辨出每一個神經元的腦聯接圖譜是很重要的。

從2000年開始謀劃，到2010年在《科學》上首次發表，經過近10年的努力，我們發明了一種新的技術——MOST，通過對鼠腦里3%—5%的神經元進行高爾基染色，看到了這些神經元間的聯接情況，獲得了世界上第一套小鼠全腦圖譜。時至今日，在國際上還只有我們團隊能夠測繪并提供全腦介觀聯接圖譜的數據。

2010年至今，MOST系列技術已經發展到第四代。2013年，我們建立了熒光顯微光學切片斷層成像方法和技術（fMOST）；2016年，實現雙色成像（dfMOST），既可以看到神經元也能夠看到神經元所在的位置，建立了一種類似全球定位系統（GPS）的全腦定位系統（BPS）；2021年，我們又把圖像信噪比提高，實現了“在太陽旁邊觀察星星”，發展出更高清的成像技術HD-fMOST，能夠更清晰地看到神經元的聯接，并解決了龐大數據量壓縮等一系列難題。

記者：是否可以說，您的團隊已經獲得了完整的小鼠腦聯接圖譜？

駱清銘：從嚴格意義上講，小鼠的腦圖譜不能說是全部完成了。

腦圖譜有多種類型，有時候這個概念會讓大家比較困惑。在最初的工作中，我們只是證明了MOST技術可用，但圖譜本身的科學意義很難挖掘。之后為了進一步區分出與特定功能或特定腦區對應的圖譜，我們進一步發展技術，針對多巴胺能、膽堿能、五羥色胺能等，將某一種神經遞質對應的特定功能神經元標記出來，進而又產生了一系列圖譜。

這些特定功能的圖譜對未來生物學研究具有更大的意義。比如大家想知道“意識是怎樣產生的”，人們通常認為意識與屏狀核相關，但是要深入研究這一高級功能，需要先搞清楚與屏狀核有關的、從屏狀核進來或出去的神經元是怎樣的，再針對這群神經元繪制相應的腦圖譜。

所以說，關于小鼠腦圖譜的工作并沒有完成，想要利用現有的技術去解析腦的功能，還有很長的路要走，需要更多科研團隊的參與。

記者：我們應該如何看待腦圖譜與認識腦、理解腦之間的關系？您計劃如何將從小鼠大腦中得到的成果推進到人類大腦研究？

駱清銘：對腦科學研究來講，認識腦、理解腦是基礎。當然，對于認識腦，不同的科學家、不同的實驗室可能會選擇不同的路徑，我自己堅持這樣一個觀點——腦聯接圖譜是認識腦的基礎。如果腦中神經元究竟是怎樣聯接的都搞不清楚，就談認識腦、理解腦，我覺得不太靠譜。這是我的觀點。

我經常會把神經網絡比喻成電路。電路里有電容、電阻、電感等基本元器件，這些基本元器件先組成基本電路，很多個基本電路再組成集成電路，就像神經網絡有小環路與大環路一樣。我們知道，基本電路和集成電路在功能上有很大差別。那么腦內的神經網絡是不是也是如此——小環路與大環路間天差地別？

另外，以電阻為例，電路中可能有10歐姆的電阻，也可能有1000歐姆的電阻，電阻值不同讓其承擔了不同的功能。腦內的神經元會不會也是這樣——同一類型的神經元會有不同的使命？

我們尚未知曉這些問題的答案。但我認為，可以通過研究神經元的聯接圖譜為理解腦提供一些重要知識。

2020年，蒲慕明院士帶我們申請了“全腦介觀神經聯接圖譜”大科學計劃，希望發揮中國在非人靈長類研究領域和全腦介觀神經聯接圖譜成像檢測技術方面的優勢，通過廣泛的國內外合作，率先測繪出非人靈長類的腦圖譜，為理解腦、解析腦作出貢獻。待技術成熟后，我們可以再嘗試針對特定人腦腦區的聯接圖譜進行研究。

狂熱追逐類腦智能為時尚早

記者：關于腦圖譜的研究您已經有了一個相對清晰的規劃。放大到整個腦科學領域，國際上普遍都在走什么樣的發展路徑？我國與他們相比有哪些不同？

駱清銘：關于腦科學的研究國際上最典型的是歐盟和美國的腦計劃。

歐盟腦計劃曾想通過對腦的研究來發展類腦智能方面的工作。目前來看，其實質性成果不多。2年前，歐盟腦計劃的負責人亨利·馬克拉姆在《細胞》上發表了一篇文章，但嚴格地講，這個結果離認識腦的目標還差得很遠。一個主要原因是他沒有獲取真正意義上全腦尺度的神經元，而是僅選擇一個局部并期望據此放大到全腦，這是行不通的。就像我們研究交通狀況，對海口的交通狀況做了充分研究，就認為西藏乃至全國的交通狀況都是如此肯定不對。所以，大腦研究不能簡單地復制放大。

美國腦計劃想做的事情很多，其中最基礎的是回答神經元的類型，以及構建腦結構圖譜。我認為美國腦計劃的頂層設計比歐盟腦計劃更科學一些。美國也有其他的腦研究計劃，如美國科學家想通過電鏡的方法去解析1立方毫米的腦組織，并以此來推動類腦計算發展。從學術上講，我認為這值得商榷，腦內很多神經元遠超過1立方毫米的空間范圍，這個計劃可以說是典型的“盲人摸象”。

雖然中國腦計劃相對于歐美較晚，但我國的布局比較全面，對基礎部分給予足夠重視的同時也高度關注應用，如腦疾病、兒童發育、基于腦科學研究成果的類腦智能等。我們很期待中國腦計劃盡快啟動，也期待通過中國腦計劃的實施，讓中國科學家在腦科學研究領域從過去的跟跑和部分并跑，在將來實現領跑。

記者：您剛才提到歐盟腦計劃對類腦智能格外重視，現在社會上對相關研究也越來越關注，我們經常會看到科幻作品里關于芯片操控肢體、獲取記憶和意識等的描述。那么，在科學領域，腦科學與人工智能的交叉融合已經可以算作科學研究的制高點了嗎？

駱清銘：對于類腦智能，我沒有這么樂觀。如果我們在對腦的工作機理還不清楚的情況下就去談類腦，還是有些早。當然，我們應該對其保持高度關注，但當前社會上的過熱現象，我認為沒有必要。腦科學的研究應該更注重基礎，近期更多的力量還是應該放在理解腦上，去探索大腦運轉的機理。在現階段過于狂熱地追逐類腦智能，是不明智的。

學科建設具備趕超條件

記者：“十四五”規劃把腦科學列入了關鍵攻關領域，就學習與科研的關系來看，我國從發展腦科學研究到建設相關學科方面做了哪些工作？

駱清銘：不只是清華大學、北京大學等知名高校，還有國內的很多學校都非常重視腦科學及相關學科建設。據我觀察，這些學校中有些是在放大學校原有優勢，也有些是經過整合開展多學科交叉研究，發展路徑是多樣化的，這比較符合腦研究及相關學科的發展趨勢和科研、人才培養的規律。

在腦科學研究隊伍建設方面，我們無論是規模還是質量上都與領先國家尚有一定差距，但在個別方向或某些具體的點上，我們處于世界領先水平。所以對于未來的發展，我個人很樂觀，且隨著我國整體科技實力的提升、國家戰略布局對此的重視以及科學家的學術積累，我認為我國腦科學的學科建設具備趕超條件。

記者：習近平總書記曾提出“要支持海南大學創建世界一流學科”。您作為海南大學校長，對海南大學腦科學的學科建設方面做了怎樣的規劃？

駱清銘：海南處在國內國際雙循環的交匯點上，在科技和教育領域，海南大學也必須要發揮特殊作用。對于腦科學等前沿交叉學科，我們給予高度重視。一方面，由于海南要對外開放，我們應該要承擔起自己的使命與擔當；另一方面，在海南進行腦科學研究也有得天獨厚的優勢。

前面我們提到，要把小鼠腦圖譜的研究推進到猴等非人靈長類。在猴的飼養和繁殖方面，海南具有獨特的氣候優勢，它們可以完全在自然環境下活動，不用像內陸城市一樣只能待在空調房里。我正在積極推動在海南建設非人靈長類繁育基地，并得到了政府和科學家的支持。非人靈長類也是一種很重要的種質資源，三亞崖州灣科技城正在加快建設的全球動植物種質資源引進中轉基地，也將對海南的非人靈長類腦科學研究起到積極的推進作用。

在科研國際合作方面，海南特色也十分明顯。海南已對59個國家免簽，國外科學家不用辦任何手續就可以來海南訪問、講學、做研究，有利于學術交流。

另外，在國家有關部委和海南省委省政府的大力支持下，海南大學也聯合國內優勢研究機構，啟動了相關研究基地的建設，預計2022年將完成主體基礎設施建設。