利用大腦活動圖譜尋找神經元代碼開啟之鎖

張長青/編譯

大腦神經元活動圖譜

●科學家們雖經幾十年的研究，但迄今仍未搞清楚神經元放電是如何解碼人類思想和行為的。為了解開此過程之謎，一組科學家提出了一項雄心勃勃的大腦活動圖譜(BAM)項目計劃，旨在將大腦中每一根神經元活動繪成圖譜，以期發現人類行為和疾病狀態的關聯數據。

在2013年度的國情咨文中，美國總統奧巴馬提到了大腦活動圖譜(BAM)項目計劃，BAM項目支持者據此認為，BAM將會出現在總統推出的聯邦預算提案中。因為，BAM項目類似早期開展的人類基因組計劃（HGP），如果這一項目得以實施，則標志著是一項對未來技術和基礎研究的投資，相信在不久的將來會如同HGP一樣獲得巨額回報。

據協助開發BAM項目提案的紐約市哥倫比亞大學教授拉斐爾·尤斯特（Rafael Yuste）稱，BAM項目的發現可能最終會使諸如帕金森氏癥、癲癇、精神分裂癥等疾病得到更好的治療。據悉，BAM項目擬先從動物模型著手開發非侵入性技術，并最終實施對人類大腦的研究。盡管大眾媒體都在重點報道人類大腦圖譜的消息，但要真正展開對人類的研究還尚需時日。

呼之欲出的BAM項目

在接受采訪時，密蘇里州圣路易斯華盛頓大學的戴維·范·埃森（David Van Essen）說：“BAM 項目是一項需要深思熟慮且極具挑戰性的系統工程，但會加速人們致力于解讀復雜大腦的進程。”范·埃森并未參與BAM提案工作，然而他曾聯合組織過人類大腦聯絡圖工程，即另一項廣泛的大腦圖譜首創倡議——正在進行中的圖譜研究可將人類大腦結構連接成網絡，包括通過應用功能性磁共振成像(fMRI)技術還能收集到整個大腦的活動數據。

范·埃森表示，擬議中的BAM項目屆時將會提供巨大的數據量，進而可以作為人類大腦聯絡圖工程的補充。通過對動物模型中單個神經元集合活動的測試，BAM項目或許可以幫助研究人員開發出大腦回路運行的計算模型，包括利用功能性磁共振成像技術，在整個大腦活動中獲得的數據將會為我們奠定一個更好的解讀和了解的基礎。

鑒于美國聯邦預算還在決策之中，目前尚不清楚BAM項目到底能夠獲得多少資金的資助。據美國國立神經疾病與中風研究所（NINDS)的斯特瑞·蘭迪斯（Story Landis）表示，BAM項目仍處于計劃階段。當下，蘭迪斯與負責美國國立精神心理衛生研究所 (NIMH)的托馬斯·英塞爾（Thomas Insel）正在開展這方面的籌劃與管理工作。蘭迪斯稱，至少BAM項目會得到NIMH神經科學研究計劃的資助。參與BAM項目的科學家聲稱，盡管白宮在資金細節方面依然保持沉默，但一些私人基金會已表現出對該項目的興趣并愿意資助。相比之下，政府在過去13年間花在人類基因組項目上的總投資達40億美元，而到目前為止，全美阿爾茨海默氏癥計劃法案已獲1.3億美元的資助。

納米探針技術助陣

BAM項目源自于一次研討會，并得到了美國科維理基金會、英國蓋茨比慈善基金會和艾倫腦科學研究所的支持。六位參與其中的科學家在2012年6月發表的有關神經元論文指出，需要用數據在傳統的電生理學之間架起一座橋梁。因為樣品數據只是從少量的神經元上得到的，而利用功能性磁共振儀對整個大腦所做的成像，其分辨率卻又不夠清晰。

為此他們建議，解決方案需從數以千計甚至數以百萬計的神經元上記錄下整個回路所顯示出的詳細行為，并計劃先從簡單的生物體入手，如線蟲或果蠅身上做試驗。因為它們的神經元數量是可控的。初始回路圖譜可以使用成熟的鈣成像技術（鈣電流能夠反映神經元的激活），并記錄下電壓。鑒于目前還沒有一個好使的電壓指示儀，科學家認為，引領未來發展且最有前途的將是納米技術。

BAM項目可以從美國 《國家納米技術創新》(NNI)中獲得技術上的支持。例如，一些無機納米粒子對周圍電場十分敏感，可以產生勵磁響應而發光，由此生產出前途廣闊的電壓指示儀。論文科學家宣稱，更有應用前景的是納米探針技術，即一種由小硅陣列塞滿電極的裝置?，F在已經有了幾十個電極的納米探針，這種探針可以控制數以千計的神經元，并允許在神經元回路中進行大規模的并行記錄。

然而，納米探針技術用在人體上或存有侵襲性不太適用。研究人員為此計劃開發非侵入性方法用于人體研究，其內容包括電氣或化學活動進行光學成像，或利用重組DNA分子存儲動作電位峰值數據。后一種方法，即包含由DNA在內的合成細胞充當大腦活動的“駐地記者”。由于DNA聚合酶的錯誤率依賴于陽離子濃度，其錯誤模式對應峰值頻率，因此該方法會利用DNA浩瀚的信息存量。但尤斯特強調，上述這些方法仍存有一定的風險。

盡管技術上存有障礙，但評論家們還是一致認為，該項目能進一步了解大腦的運作狀態。范·埃森說：“許多方法都有可能產生效果，尤其當新技術獲得大量投資的時候?！?/p>

支持者欲將其比肩HGP

據華盛頓大學的馬庫斯·賴希勒（Marcus Raichle）教授說：“在進行一項技術開發的同時，需要得到一流的經費支持。你可以想象，許多有趣的事情因此會突然出現，一些與我們所理解的人類大腦狀況有關聯的發現可能會出現，也可能不會?！?/p>

作為神經元論文的作者在比對HGP時，發現HGP在測序方法上引領了一場革命，不僅極大地降低了測序成本，而且激發了基因組產業的大發展。據美國巴特爾技術合作實踐研究所的分析報告，在基因組計劃中，每投入一美元就會有141美元的產出，在創造新的就業崗位的同時，還增加了稅收。不僅如此，報告還指出，HGP其科學影響還在持續發酵。BAM項目支持者堅信，BAM也有可能獲得同樣的效果。

志在從事BAM項目的研究人員相信，這項工作屆時會導致大量診療應用手段的出現。尤斯特說：“展開此項工作最關注的動機是要實現臨床化?！崩?，他希望通過精神分裂癥患者的大腦活動與健康組的比較，最終能發現其中異常的行為模式。“如果能做到這一點，我們或許可以制定出相應的計劃來改變這些異常模式或活動通道?！碧m迪斯預見到，這些發現還可能有助于治療其他回路紊亂性疾病，如癲癇，甚至自閉癥等。

目前，通常被稱為“腦起搏器”的腦深部刺激術(DBS)，是將電極放置在特定的大腦區域，通過該電極向控制人體運動的區域發送電脈沖；同時在患者的胸部皮下埋置一個類似起搏器的裝置，患者可以根據自身的癥狀和感覺，通過遙控器以控制脈沖發送的強度和頻率，以此緩解帕金森氏癥、抑郁癥的癥狀。

蘭迪斯說，為了能更好地理解大腦回路工作的過程，我們還能做出一些更加復雜的變化。即通過對這類知識的理解，研究人員可以開發出更好的與腦相通的機械接口，從而達到控制機械臂等裝置的目的。好在這方面的主題調研工作已經著手進行了。

最后，賴希勒強調，BAM項目作為腦研究方法的一種補充，但決不是替代?！埃ㄔ摲椒ǎ┛梢詼y試非常重要的大腦代謝過程，因此不一定要跟蹤動作電位的放電”。舉個例子，腦葡萄糖的使用和代謝，通過氟脫氧葡萄糖正電子發射計算機斷層掃描術（FDG-PET）就能得到顯示。