“大腦活動圖譜”的研究費思量

楊雄里

楊雄里院士

美國總統(tǒng)奧巴馬在2013年度的國情咨文中提到了大腦活動圖譜 （Brain ActivityMapping，BAM）項目計劃，與此同時，歐盟委員會以10億歐元啟動了相關的人腦計劃（Human Brain Project，HBP）。 這引起了科學界以及國內外媒體的廣泛關注。本期《世界科學》就BAM以及HBP項目提出的背景、研究主題以及前景展望作了較詳盡的介紹。

“大腦活動圖譜”的研究頗費思量

這一項目的提出反映了人類對探索大腦奧秘這一重要科學問題的高度關注。闡明腦和神經系統(tǒng)工作原理和機制通常被認為是自然科學的“最后疆域”（last frontier），它所蘊涵的科學意義以及對人類社會發(fā)展的推動作用日益深刻地為人們所認識。以腦和神經系統(tǒng)為研究目標的統(tǒng)一學科——神經科學自上世紀60年代初誕生以來，已成為生命科學、乃至所有自然科學中，發(fā)展得最為迅速的領域之一，引起了科學界和政府的高度重視。

美國國會把20世紀90年代命名為 “腦的十年”，大力加強對腦科學研究的支持和宣傳，并得到了許多國家的支持，日本推出的“腦科學時代”的龐大計劃隨即應運而生。中國神經科學家們，以不遑多讓的歷史使命，大力呼吁加強我國腦科學研究，得到了政府積極的回應，“攀登計劃”、“973項目”中有關腦研究項目的設立即是明證。二十年來，這一領域新的成果不斷涌現(xiàn)，新的發(fā)現(xiàn)接踵而至，人們對腦的認識早非往昔可同日而語！

腦科學研究正進入一個新時代。在腦研究飛速發(fā)展的背景下，有遠見的睿智科學家們清醒地認識到，盡管在細胞、分子水平上對神經系統(tǒng)的活動已經十分深入，而在整體水平，運用正電子發(fā)射斷層掃描術（PET）和磁共振成像術（MRI），也已能無創(chuàng)監(jiān)測腦內各區(qū)神經元的活動狀況，但是在這兩方面的研究之間還存在著巨大的鴻溝，對于產生知覺或思維的涉及數(shù)千乃至上百萬神經元活動的監(jiān)測以及細致的分析，仍然缺少有效的技術手段。

在筆者來看，這正是BAM項目提出的科學背景。因此，以此為契機，大力發(fā)展新的技術，特別是新的成像技術、電子探針、納米技術，從而有可能探索神經元集群的功能狀態(tài)及動態(tài)變化，了解不同腦區(qū)間的功能連接，切實彌補目前腦研究中顯而易見的鴻溝，這無疑是對腦研究的重大推動；而其研究成果也將有助于進一步了解某些神經、精神疾患（如癲癇、精神分裂癥）的大腦活動的異常，從而提出更有針對性的治療對策。

十年時間太短，甚至幾十年都太短

但是，我們需要充分認識到問題的復雜性。在眾多介紹BAM項目的文章中，多把這一計劃與人類基因組計劃（HGP）相類比，還有人預期“在不久的將來會如同HGP一樣獲得巨額回報”。筆者認為，這樣的類比值得商榷。且不說開發(fā)上述新技術并非易事，有待時日，更重要的是對腦的高級功能研究，特別是高級認知功能的研究，有其固有的復雜性。

腦的功能是一種涉及大群神經元活動以及相互作用的動態(tài)過程，這種過程會因內外環(huán)境的變化呈現(xiàn)出極其復雜的、多維度的改變，這種變化所導致的后果便是：腦活動的不確定性和難以重復（例如，幾乎無法在相同的物理環(huán)境中重復同樣的夢境）。這意味著腦高級活動（精神活動）遵循的規(guī)律并不完全與物質世界運動的規(guī)律相同，需要探索新的規(guī)律。

腦研究的另一個復雜性是神經系統(tǒng)結構和功能不是一成不變的，會隨著環(huán)境、刺激等狀態(tài)而發(fā)生可塑性變化。總之，神經系統(tǒng)是一個不同于一般物理、化學系統(tǒng)，甚至一般生物學系統(tǒng)的一種特殊的系統(tǒng)，與這樣的系統(tǒng)打交道的研究計劃，與HGP計劃的不同是不言而喻的。

對腦的復雜性在科學界是有共識的，正是基于這種共識，即使建議這項計劃的科學家也認為，應該先從神經元數(shù)量十分有限的簡單的生物體（如線蟲、果蠅）入手，而在第一個十年中，計劃的大部分經費主要用于“模式生物”的實驗。當然，隨著新技術、新方法的不斷問世，隨著對問題的理解的日益深入，我們將有可能把實驗逐漸過渡到哺乳動物、靈長類、乃至人類的大腦。但這將是一個漫長而艱難的征程。

筆者在有關BAM的一篇記者采訪中曾說：“科學家對阿爾茲海默氏癥的病因，至今還是眾說紛紜，這就很生動地說明了對腦的重大問題的研究不是通過幾年的努力便能一蹴而就的。”因此，要努力避免一種誤解，即在十年后科學家就有可能提供一幅人腦活動的全景圖。實現(xiàn)這個宏大的目標，十年太短，甚至幾十年都太短，但是，不懈的努力無疑將使我們逐漸逼近這個目標。