互动科普

攻克大脑

大脑是世界上最复杂的“机器”，

多个国家将投入数十亿美元，

研发新工具、新技术，

在未来几十年里彻底破解大脑的秘密。

撰文 拉斐尔 · 尤斯蒂（Rafael Yuste） 乔治 · M · 邱奇（George M. Church）

翻译 冯泽君

想要在人类中，把生物学机制与各种行为一一对应起来，是一个更加艰难的任务。媒体经常报道，大脑扫描显示，人的特定行为（比如当我们认为自己被拒绝，或者在讲一门外语时）会让大脑的特定部位“亮起来”。这些报道可能让人觉得，目前的技术已经能够对大脑的工作原理做出基本解释，但这种印象其实是一种错觉。

举个有名的例子。之前有项备受瞩目的研究发现，大脑里有一个“看见”演员珍妮弗·安妮斯顿（Jennifer Aniston）就会放电的神经元（参见《环球科学》2013年第3期《我们的记忆由谁编码》）。“珍妮弗神经元”的发现，有点像来自外星的信息，虽然标志着宇宙中存在智慧生命，但信息的含义是什么，却不得而知。我们并不清楚，那些神经元的电活动是通过何种方式，让人们认出安妮斯顿的脸，并将其与美剧《老友记》的画面联系起来。要让大脑认出明星，应该需要激活一群共用一个“神经密码”的神经元，而我们要做的，就是解开这个密码。

“珍妮弗神经元”的发现，也标志着神经科学走到了一个十字路口。我们已经拥有记录活人大脑内单个神经元活动的技术，但要想深入研究，就需要一系列新技术，来监控甚至改变成千上万神经元的电活动，来揭秘西班牙神经解剖学先驱圣地亚哥·拉蒙·卡哈尔（Santiago Ramóny Cajal）所说的“让诸多科学家迷失、无法逾越的丛林”。

这种突破性的技术，可以从根本上弥合从神经元放电到认知之间的差距，其中包括感知、情感、决策，最终是意识本身。破译思想与行为背后的精确的脑活动模式，也有助于理解在精神和神经疾病（精神分裂症、自闭症、老年痴呆症或帕金森病等）中，神经回路是如何失常的。脑科学亟需技术飞跃的呼声渐渐传开，奥巴马政府已于去年宣布启动“脑计划”（Brain Research through Advancing Innovative Neurotechnologies，简称BRAIN），这也是奥巴马在第二个任期内，在“大科学”项目上所做的最大努力。

“大脑计划”在2014年的启动资金为1亿多美元，致力于开发能记录大群神经元，甚至是整片脑区的电活动的新技术。而在美国之外，全球还有很多其他大规模的脑科学项目。比如，欧盟的“人类大脑计划”（The Human Brain Project），这一计划为期10年，将耗资16亿美元，致力于构建能真正模拟人脑的超级计算机。此外，中国、日本和以色列也都有雄心勃勃的脑科学研究计划。推进脑科学投资已经成为全球共识，这似乎让人想起了第二次世界大战后，那些足以决定一个国家竞争力的“大科学项目”：核武器、原子武器、太空探索、计算机、替代能源和基因组测序。脑科学的时代已经到来。

当下的技术瓶颈

目前，想要弄清楚大脑细胞是如何生成珍妮弗·安妮斯顿这个概念的，还是一件无法完成的任务——实际上，对于我们的经历感受，对外部世界的认知，我们都还没法深入到神经元的层面去了解内在机制。要做到这一点，我们得弄清楚，一群神经元如何相互作用，形成一个更大的整体，具备特定的功能，也就是科学家口中的“突显特性”（emergent property）。这就像任何材料的温度或牢固性，或是某种金属的磁性，都是通过大量分子或原子的相互作用而来一样。比如碳原子，同样的原子既能组成耐久的钻石，也能形成柔软的石墨，由于极易剥落所以被制成铅笔。无论软硬，这些“突显特性”不由单个原子决定，而是取决于原子的相互作用。

大脑可能也一样，我们无法从单个神经元的监测中看到大脑的“突显特性”，甚至对一大群神经元活动的了解不够精细，都无法看出“突显特性”。想要了解大脑如何感知一朵花或是回想一段童年往事，也许只能观察成百上千神经元组成的神经回路，看神经信号如何在神经回路中传递。尽管科学家早就知道这一事实，但一直苦于没有好的技术来记录神经回路的活动，比如与认知相关，或者产生记忆、复杂行为和认知功能的回路。

为了突破这一瓶颈，科学家做过诸多尝试，比如连接组学（connectomics），也就是全面监测神经元之间的联系（即突触）。美国近期启动的人类连接组计划（Human Connectome Project），目的就是绘制大脑内部结构的连接图谱。但是，就像之前提到的线虫研究一样，这幅图谱仅仅是个开始。单靠这张图，还不足以解释不断变化的电信号产生特定认知的过程。

要记录大脑回路中的电信号传递，需要全新的、远超目前水平的记录技术。现在的技术要么只能精确记录一小群神经元的活动，要么虽然能记录一大片脑区的活动，但分辨率却低得不足以确定特定神经回路是活跃的，还是处于静息状态。目前的精细记录方法是把针样电极插入实验动物的大脑，从而记录单个神经元的电活动——一个神经元接收到其他神经元发出的化学信号时，就会发放电脉冲。神经元受到适当刺激后，细胞膜上的电压会反转；而电压的变化会导致膜上的离子通道打开，钠离子或其他阳离子会涌入神经元内。接着，离子流的涌入，会让神经元产生一个电脉冲，沿着神经元的分支轴突传递，并刺激轴突释放化学信号，传递给其他神经元，从而完成电信号的传递。只记录一个神经元，就好比想要知道一部高清电影的情节，却只关注一个像素，这是不可能看懂“电影”的。而且这种记录是侵入式的，电极插入大脑时，也会损害脑组织。

而监测大脑神经元整体活动的方法，同样存在缺陷。20世纪20年代，汉斯·伯格（Hans Berger）发明了脑电图（electroencephalograph，EEG）技术，电极贴在脑袋上面，就可以记录大脑中10万多个神经元的集体电活动。EEG可以记录几毫秒内脑电波的起伏震荡，但无法监测单个神经元的活动。功能性磁共振成像（functional magnetic resonance imaging，fMRI）技术中，研究人员用明亮色块表示活跃脑区，以非侵入的方式记录整个大脑的活动，但记录过程缓慢，分辨率也很低。每个图像单元，即立体像素，包含了大约8万个神经元。还有，fMRI并不能直接追踪神经活动，而只能通过监测血流变化来间接表示神经活动。

要通过神经元活动来反映大脑活动的“突显特性”，研究人员需要新的探测设备，同时记录上千神经元的活动。通过使用新型材料，纳米技术可以记录单个分子的活动，这也许可以用于大规模记录。

目前，科学家已经制造出了这类设备的原型产品，在一片硅基材料上安置了10万个以上的电极，可以记录视网膜上数万个神经元的电活动。进一步改进技术以后，科学家应该能把这样的电极硅片“堆积”起来，制成三维结构，缩小体积，延长长度之后，也许就能深入到大脑的最外层——大脑皮层中。使用这种设备，就有可能同时记录数万个神经元的活动，并且可以分辨出每一个神经元的活动特性。

电极记录只是追踪神经元活动的方法之一。近年来，科学家还发明了很多其他方法。生物学家开始借用物理学、化学和遗传学领域的新技术，观察清醒动物的神经元在日常生活中是如何活动的。

举例来说，去年，美国霍华德·休斯医学研究所珍妮莉娅法姆研究学院的米莎·阿伦斯（Misha Ahrens），用幼年斑马鱼做了一次全脑显微成像研究。斑马鱼是神经科学家钟爱的研究对象之一，因为幼年斑马鱼全身透明，有利于科学家观察其内脏器官，包括大脑。这项研究中，斑马鱼的神经元经过基因改造，当神经元发出电脉冲，钙离子流进细胞内时，神经元就会发出荧光。这种方法让斑马鱼的整个大脑“亮”了起来，这样研究人员就可以用相机进行连续拍摄，记录发光的神经元。

上述技术叫做钙成像（calcium imaging），本文作者尤斯蒂最先使用这种技术记录神经回路的电活动，在斑马鱼的10万个神经元中，80%的神经元的活动都能记录到。记录结果发现，即使处于休息状态，斑马鱼的神经系统也在以一种神秘的方式“闪烁”不停。自从伯格发明EEG技术以来，科学家发现神经系统其实一直处于活跃状态。斑马鱼的实验说明，新的成像技术也许能帮科学家解开神经科学中的一个重大问题：大群神经元持续、自发放电的原因。

斑马鱼实验仅仅是个开始，科学家仍需要更好的技术来发掘神经活动和行为之间的对应关系。我们还需要开发新的显微成像技术，以便同时记录一个三维立体结构中的神经活动。此外，钙成像需要的时间太长，很难追踪神经元快速发放的电脉冲，也无法检测削弱神经活动的抑制信号。

神经科学家正和遗传学家、物理学家及化学家一起，努力改进光学成像技术，希望能直接记录细胞膜电位的变化来观察神经活动，而不是探测神经细胞内钙离子浓度的变化。会随着电压变化而改变光学特性的染料，也许能起到比钙成像更好的效果——这些染料可以沉积到神经元上，或是通过基因工程技术整合到细胞膜上。这种技术叫做电压成像（voltage imaging），最终也许能帮助科学家记录一条神经回路上每个神经元的电活动。

不过，电压成像技术还处于起步阶段。化学家还需要改进染料，让它们对神经元的电活动更为敏感，更快地对电压变化作出响应，同时还得保证这些染料不会对细胞造成伤害。目前，分子生物学家正利用基因工程方法，构建“电压感受器”的基因序列，拥有这些序列的神经元，将会合成荧光蛋白，并把荧光蛋白输送到细胞膜的外层，当神经元的电压发生变化时，这些荧光蛋白就可以迅速作出反应——根据神经元电压变化而改变荧光强度。

就“电压感受器”来说，来自纳米技术领域的非生物材料也许同样可用。除了有机染料和荧光蛋白，“电压感受器”也可以由量子点组成——所谓量子点，就是一些微小的半导体颗粒，它们具有量子-机械特性，研究人员可以精确调控它们的颜色或发光强度。再如量子光学中使用的另一种新型材料-纳米金刚石（Nanodiamond），它们对电场的变化非常敏感——当神经元的电活动有所变化时，电场也会变化。纳米颗粒还可以与传统的有机染料，或者荧光蛋白联合，形成“杂交”分子。当神经元的活动只能让有机染料，或者荧光蛋白发出微弱的信号时，纳米颗粒就可以像“天线”一样，放大荧光信号。

“分子磁带”

直接观察神经元活动的另一个技术难点在于，如何将光线传向大脑深处的神经回路，再将产生的信号收集回来。为了解决这个问题，神经科学家开始同其他领域的科学家合作，比如计算光学、材料工程和药学专家，因为他们也需要以非侵入式的方法观察物体深处的情况，不管是透过皮肤，头骨，还是计算机芯片。科学家早就知道，有时候，光线碰到固体对象后会发生散射，而理论上来说，散射出的光子可以反映出固体表面的细节特征。

比如，用手电筒照射手掌，光线穿过手掌后会非常散乱，无法告诉我们关于骨骼、皮下血管的任何位置信息。但是，穿过手掌的光线并未完全失去有关传播路径的信息。这些散乱的光线会发生散射，继而相互干扰。用相机拍下光线相互干扰的模式，再用新的计算方法就能重构光线携带的信息。去年，利用这种方法，美国科罗拉多大学博尔德分校的拉斐尔·皮斯顿（Rafael Piestun） 和同事“看穿”了不透明材料。这种技术可以同其他光学技术结合起来，比如天文学家用来校正图片，消除大气对恒星星光的影响的技术。这就是所谓的计算光学技术，可以帮助科学家监测大脑深处的神经元放电时，荧光蛋白或染料发出的荧光。

这类新技术中，已有一些成功用于观测动物和人类大脑：凭借此类技术，科学家已经可以观测到大脑皮层1毫米以下的神经活动（事先需要移除一小块头骨）。而且我们相信，通过技术改进，终能直接“看穿”颅骨。但是，这一技术始终无法有足够的“穿透力”，让我们观察到大脑深处的情况。不过，最近发明的一项新技术也许能在这方面帮上忙。该技术叫做显微内窥镜技术（microendoscopy），神经放射学家会将一根很细很软的管子，从股动脉插入人体内，再操控这根管子，深入到人体各个部位，甚至包括大脑，这样管子中的显微光导管就能发挥作用。2010年，瑞典卡罗林斯卡学院的一个研究小组发明了名为“extroducer”的设备，可以让内窥镜安全地穿过动脉或血管，让科学家可以利用各种成像技术和记录仪，对整个大脑——而不仅仅是血管系统——进行监测。

电子和光子是记录大脑活动最常用的介质，但不是只有它们可以帮助科学家完成记录。DNA技术也可以成为监测神经元活动的有效手段，不过目前还处于起步阶段。本文作者邱奇就从合成生物学得到启发——这个领域的研究内容，是把生物材料当成机器零件一样组装在一起。随着技术的进步，科学家已经能通过基因工程手段，让实验动物合成一种“分子磁带”——当神经元变得活跃，这种分子能以特定的、检测得到的方式发生改变。

在某种条件下，这种“分子磁带”可以由DNA聚合酶合成（这种酶的功能原本是在DNA模板的引导下，把核苷酸组装成一条DNA链，与DNA模板形成双链DNA）。神经元放电时，钙离子内流，会使DNA聚合酶的工作出现错误，把不正确的核苷酸放到DNA链里。随后，实验动物大脑中，每个神经元里有问题的DNA都可以检测出来。一种名为荧光原位测序（fluorescent in situ sequencing）的新技术，可以记显示DNA链上的各种错误——在给定体积的组织里，这些错误的发生方式，与神经元电活动的强度与时机密切相关。2012年，邱奇实验室利用一个可被镁、锰和钙离子改变的“DNA磁带”，显示了这种技术的可行性。

在合成生物学这条路上，科学家还想造出人工细胞，作为“生物学哨兵”在人体内巡逻。经过基因改造的细胞可以作为生物电极——直径比头发细多了，放置于神经元附近，监测其放电情况。神经元的放电模式可被合成细胞内的纳米级集成电路——“电子粉尘”记录下来，后者会通过无线的方式，将收集到的数据传给附近的电脑。这些纳米设备是电子设备和生物学元件结合的产物，可以由外部的超声波发射器供电，甚至还可以直接从细胞内的葡萄糖、腺苷三磷酸等分子上获取能量。

操控神经元

要弄清楚大脑的那张巨大神经网络中发生了什么，只是给大脑“照相”可不够。科学家必须能随意操控某些神经元的活动，比如让它们放电或静息，这样才能弄清楚这些神经元的作用是什么。光遗传学是近年来神经科学领域常用的一种技术，科学家会从细菌和藻类中寻找对光线敏感的蛋白，然后把编码这些蛋白的基因插入动物的基因组，让动物们合成光敏蛋白。当科学家通过光纤，用某种波长的光线照射光敏蛋白时，这些蛋白就会使神经元放电，或者静息。运用这种技术，科学家已经可以激活与愉悦、奖赏感以及帕金森病患者运动能力受损有关的神经回路，甚至还成功给小鼠植入了原本不存在的记忆。

这种技术对基因工程手段的依赖，意味着在短期内，还很难在人体上进行测试，更别说用于治疗疾病。更有可行性的一个替代方案是，将神经递质（传递神经信号的化学物质）和一种名为“笼子”的光敏化合物接合起来。在光照条件下，笼子会解体，释放出有活性的神经递质。2012年，明尼苏达大学的史蒂芬·罗斯曼（Steven Rothman）和尤蒂斯实验室合作，将γ-氨基丁酸，一种抑制神经元活性的神经递质，与钌元素形成的“笼子”接合，并置于大鼠的大脑皮层上——这只大鼠事先接受了化学物质的处理，诱导出了癫痫症状。此时，向大鼠的大脑照射一束蓝光，让“笼子”释放γ-氨基丁酸，大鼠的癫痫症状明显得到缓解。最近，科学家正用类似的“光化合物”方法，研究特定神经回路的功能。如果继续优化该技术，也许将来可以用于治疗某些神经或精神疾病。

但是从基础研究到实际应用，还是有很长的路要走。每种大规模测量和操控神经活动的方法，都要经过从果蝇到线虫再到啮齿类动物的过程，最后才能用于人类。通过科学家的大量努力，也许在5年内，我们能够同时记录，并且用光控制果蝇大脑中10万个神经元的活动。而要在清醒的小鼠身上，监测、调控其大脑中的神经元活动，在最近10年内可能还无法做到。有些技术，如用细电极干预抑郁症或癫痫病人的神经回路，也许在几年内就能投入临床应用，而有些技术则还得等上10年或更长时间。

随着神经科学技术的日益成熟，研究者需要改进处理和共享海量数据的方法。对小鼠大脑皮层的所有神经元活动进行成像，一个小时就能产生300TB的压缩数据。不过，这绝不是无法完成的任务。同天文台、基因组研究中心以及粒子加速器一样，先进的研究设备可以获取、整合和分析这些海量的数据。正如人类基因组计划催生了生物信息学，用来处理和分析测序所得的数据一样，计算神经科学将能解码整个神经系统的运作。

分析来自大脑的海量数据不仅能让数据变得井井有条，也会给新理论的出现奠定基础：看似杂乱无章的神经元活动，是如何形成认知，完成学习与形成记忆的。不仅如此，这项工作还可以验证一些此前未经验证的理论，并且推翻一些错误的理论。一个有趣的理论就推测，一个活跃的神经回路中，很多神经元会以特定顺序放电，这种活动模式可能代表了大脑的某种“突显特性”——一个想法、一段记忆或一个决定。最近的一项研究中，小鼠需要穿过投射在屏幕上的虚拟迷宫，每当小鼠在某个岔路做出决定时，就会激活几十个神经元，这些神经元电活动的动态变化，和前述理论的描述很类似。

深入了解神经回路还将改善大脑疾病的诊断，比如阿尔茨海默病和自闭症，也将有助于我们深入了解这些疾病的成因。医生将不只靠外在症状来诊断和治疗这些疾病，还可以检测与这些疾病相关的神经回路在电活动上的变化，进而对神经回路进行矫正。而且，弄清楚了这些疾病的根源，还能给医药和生物技术行业带来经济利益。不过，和人类基因组计划一样，这些技术将面临伦理和法律问题，特别是，如果这类研究让人们找到了某些方法，可以辨别或改变病人的精神状态，就必须小心保护病人的知情权和隐私权。

不过，这些大脑研究项目要想成功，科学家以及他们的支持者必须把重点放在神经回路的记录与控制上。美国的“脑计划”最初源于《神经元》（Neuron）杂志在2012年刊登的一篇文章。在这篇文章中，我们和其他同事一起倡议，物理学家、化学家、纳米科学家、分子生物学家和神经科学家应该长期合作，利用新技术监测、调控整个大脑回路的电活动，从而构建“大脑活动图谱”。

我们要说的是，尽管雄心勃勃的“脑计划”已经取得了一些进展，但我们不能忘记初衷——开发和构建新工具。脑科学研究的范围很广，“脑计划”很容易就会演变成一个复杂的“愿望清单”，用于满足众多分支领域的神经科学家的各种兴趣。如果变成这样，“脑计划”就没什么意思了，最后就会成为各个实验室现有研究计划的补充。

如果真发生这种情况，就不大可能出现重大进展，当前的技术难题也无法得到解决。我们需要不同学科之间相互合作。要想开发新技术，同时监测某个大脑区域中数百万神经元的电压变化，只有通过跨学科团队的通力合作和持续努力才能实现。

这样，才有可能开发出新技术，然后在一个天文台那样的大型机构内，供神经科学界共享。我们有着足够的热情去开发新技术，以便记录、调控和解码大脑的电活动模式，弄懂大脑的“语言”。我们认为，如果没有新技术，神经科学将一直处于瓶颈状态，无法检测种种行为背后的大脑“突显特性”。只要我们能理解和运用大脑的“语言”——电脉冲，就能弄清楚，自然界中最复杂的“机器”到底是如何运作的。

本文译者 冯泽君在上海复旦大学获得博士学位，目前在瑞典卡罗林斯卡学院做博士后研究，主要研究方向是脑科学及神经退行性疾病。