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破解了结构之谜,就能再造大脑吗

破解了结构之谜,就能再造大脑吗

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人工智能朗读:

50块左右的脑区“拼图”可以拼起“器官之王”——大脑。前不久,“现代神经科学之父”圣地亚哥·拉蒙-卡哈尔的一些神经元手绘图走红社交媒体,那些现在看来粗糙简单的神经元是真正的“所见即所绘”。利用显微光学切片断层成像系列技术,科学家们就有可能在全脑范围内观察某一个细胞。

  视觉中国

50块左右的脑区“拼图”可以拼起“器官之王”——大脑。根据德国神经解剖学家布鲁德曼绘制的脑区图,大脑皮层被分为52块(其中两块是猴子的)其中1、2、3区控制体感……37区负责人脸识别……

虽然这样的功能划分对大脑研究和疾病治疗起到了重要的作用,但距离了解大脑并重构它还差得远。

不久前《细胞》在线发表了中国科学家利用单细胞质谱、光遗传、分子生物学、电生理及动物行为学等技术方法,揭示的日光照射改善学习记忆的分子及神经环路机制。这一发现让光也成为影响大脑神经环路的因子之一,牵起了一连串关于益智、健脑的可能遐想。

越来越深入的研究,让人们探查到大脑中越来越多的秘密,但大脑谜题却丝毫没有因此减少。到底大脑里还有多少未知的谜题?所有的谜题能不能得到答案,解题后又能否再造一个大脑呢?

人类对大脑了解多少?

前不久,“现代神经科学之父”圣地亚哥·拉蒙-卡哈尔的一些神经元手绘图走红社交媒体,那些现在看来粗糙简单的神经元是真正的“所见即所绘”。手绘图显示的是大脑切片在显微镜下的真实形状,每张都有各自的特点,但“末梢”消失在纸张未及之处。

然而利用显微光学切片断层成像系列技术,科学家们就有可能在全脑范围内观察某一个细胞。华中科技大学教授龚辉说:“之前人们将大脑手工切片、逐片扫描,通过细胞染色对神经元或神经环路进行研究,这样的信息是割裂的。”

全新的成像技术,让人类从“坐井观天”的切片视野中走出来。“神经元细胞原来是可以跨越多个脑区的,这刷新了人类对大脑的认识。”转基因标记、断层扫描、三维重构算法等多学科的交融,“使大脑图谱不再是离散的断面图片的集合,而是准连续的、有明确空间尺度和位置信息的全脑结构及功能联接图谱。”华中科技大学副校长骆清铭说。例如,在断层扫描前,用病毒转染神经细胞,让神经元发出荧光,就像给神经元在暗夜里通了“电”,这时候再通过成像系统就可以获得脑内荧光标记的神经元在全脑的“部署”。

然而在功能的进一步探索中,科学家们发现,有些神经元细胞不只扮演一个角色。“兼职”使得神经环路的网络关系愈加复杂。骆清铭将其比喻为现实中的各大网路。“就像我们有电网、水网、道路网、通信网……大脑里也会根据不同的需求构建出多维的网络。”

在这个可能的多维网络中,人们甚至没有厘清神经元的类型,更别提环路的维度。这就好比拼“乐高”玩具,有哪些不同颜色或形状的组件还不知道,就更不知道要拼的是哪类网络、跨区拼接又有哪些线索。

对于大脑,科学家面对的是一个无法想象拥有多大体量、多少影响因素的巨大未知。

“三观”能担重构大任?

大脑是如此复杂,充满谜题,我们要用怎样的方法来获取谜题的答案?骆清铭认为,由于人脑的高度复杂性,为实现全面揭示人脑高级功能的最终目标,神经环路的解密需要从低等动物到高等动物,开展多层次多角度的研究。其中的多层次在行业内的共识为“宏观”“介观”“微观”。

过去切片、染色、上镜观察神经细胞的不同形态等是宏观研究的主要手段。而今光、电、磁的应用,使得宏观研究离开了“死神”的地盘。核磁共振(MRI)、正电子发射型计算机断层显像(PET)等多种脑功能成像技术的应用,让脑活体的宏观研究成为可能。

美国人脑连接组计划(HCP)用5年时间采集和公开了千人量级、基于青年人的高质量多模态MRI数据。数据就是“号角”。“这带动了国内外共同利用该数据绘制大脑皮层精细功能图谱和全脑结构连接图谱等工作。”北京大学教授高家红说。英国等国也相继开展绘制基于本民族人脑的宏观图谱。“未来,体现基因表达、化学递质、代谢等大脑信息,加入成长、疾病等维度的动态演化版也可能被绘制出来。”高家红介绍,北京大学2018年发布了中国人脑精细结构模板,使得中国人脑研究无需基于西方人的结构模板。

从宏观到微观,人类犹如“凌空入海”,面临难以想象和掌控的数据量。中科院自动化研究所研究员韩华介绍:“2016年初,美国高级情报研究计划署(IARPA)拨款2800万美元支持哈佛大学获取1立方毫米鼠脑突触连接的结构和功能数据,电镜数据量高达PB规模。”

几个数字的鲜明对比,已经可以看出微观的探究超出了目前人类能力之外。因此,量子计算被视为可以担负起这一计算能力的潜力技术。

“介观”介于宏观与微观之间,即不像微观那样“紧盯局部”,又可能弥补宏观脑图谱在结构和功能对接方面的空白。“既见森林(全脑)、又见树木(神经元)甚至树叶(神经联接)。”中科院神经科学研究所研究员杜久林说得形象。介观研究目前处于模式动物阶段,中国将于2020年绘成斑马鱼全脑介观图谱。

再造如何加点“灵魂”?

然而,“三观”研究之后,我们就可以重构大脑了吗?

面对两堆一样距离、一样新鲜度、一样香、一样多的稻草,驴子会怎么选择?答案是随机。机器会怎么选择?它不会选择,只会无休止地计算下去,直到宕机。

在一次讲座中,中科院院士、量子物理学家潘建伟表示,对于经典算法来说,随机性是难以实现的。

这个被称为“随机”的东西,对于生命体来说极其简单,却是非生命体望尘莫及的。形似如何走向神似或将成为“再造”中最令人费解的部分。

“三观”之后,用不用加点“灵魂”?科学家们也会时不常地提出疑问,例如“有没有我们未知的物质在生物死亡之时,已经在大脑中发生了变化”。最著名的实验来自美国大夫邓肯·麦克道高,他用灵敏的光束天平测出了灵魂的重量约为21克。

这是不是记忆与思维方式?那么,死亡究竟带走了什么,或者改变了什么?由于目前的研究方法仍旧是基于大脑组织的离体检测,这样的疑问始终无从考究。

目前,也有科学家探索对生物进行活体脑电定位追踪和观察的方法,例如中科院神经所杜久林研究员团队实现了在斑马鱼捕食、游动时观测神经细胞的电磁信号,但精度还有待提高。或许未来发生在宏观脑区探测技术的变革,将发生在介观或者微观。当可以对活体而非标本进行探测时,人类对大脑的认识可能会进入新天地。

不过可以确定的一点是,对于人脑的重建工作,将不会局限于神经科学家的研究领域,甚至可能是举物理、化学、计算等全科学之力。

[责任编辑:田志强]