美國腦活動圖譜計劃解析

張 婷 王曉民

(首都醫科大學基礎醫學院神經生物學系，北京100068)

1 BAM項目提出的背景

美國卡弗里基金會在2011年9月組織了一次頭腦風暴，召集者是該基金會的科學項目副總裁全美永，牽頭人是哈佛大學醫學院的遺傳學家喬治丘奇，此人是人類基因組計劃的創始人之一。另外，哥倫比亞大學的神經科學家拉斐爾 尤斯特等人參加了會議。此次頭腦風暴最終形成了腦活動圖譜(brain activity mapping，BAM)的項目建議書。2012年1月6日，卡弗里基金會未來研討會又一次將BAM作為一項主要議題進行討論，并將該項目實施的目標、相關細節和初步方案發表在《Neuron》雜志上。這一文章很快被白宮科學與技術政策辦公室所注意，正好奧巴馬總統想從科學上尋求突破，于是就有了今年2月美國總統國情咨文中關于推動腦科學研究和4月初奧巴馬總統關于啟動“大腦活動圖譜”計劃的講話。最近《Science》雜志編輯撰文，再一次詳盡解釋了BAM項目，力圖讓公眾了解BAM的真正價值。

2 BAM項目的目標

BAM項目旨在記錄一個神經環路中每一個神經元的動作電位。這一記錄必須與行為輸出或思維狀態在時間上匹配，才能實現對一個神經環路的完整功能描述。該圖譜將超越“結構連接組”而實現“功能連接組”。通過將神經環路的放電活動與功能或行為輸出相匹配，使人們了解神經編碼及其對行為或思維的調控。這一研究還對大腦正常生理狀態及病理狀態進行診斷和存儲，促進更廣泛的生物醫學應用，產生相關經濟效益［1］。

BAM項目實際上是一個技術研發項目，目標有3個:①對大腦神經環路中大部分甚至所有神經元同時進行影像學或電生理記錄的工具的研發;②對神經環路中每一個神經元單獨進行調控的工具的研發;③了解神經環路的功能［2］。

3 BAM項目需要的研究方法［1］

3.1 影像學記錄神經元放電(圖1)

圖1 雙光子鈣成像顯示海馬神經元活動［2］

腦磁圖(magnetoencephalography，MEG)和功能磁共振成像(functional magnetic resonance imaging，fMRI)等技術可對全腦活動模式進行捕捉，但缺乏單個神經元信息。因此，人們做了大量的努力，以期在研究神經環路功能的同時對單個神經元的活動進行記錄。

光學技術的侵入性最小，時間和空間自由度最大，具有單細胞分辨率且可用于活組織甚至清醒動物。鈣成像可記錄一個神經環路中的多個神經元活動，盡管時間分辨率有限，該技術可以離體或在體的部分重構大量神經元的放電模式。電壓成像在時間上的精度比較高，但信噪比太低。因此，高信噪比的電壓指示劑一直在積極研發中，納米顆粒顯示出巨大前景。

無論應用何種方法對神經元活動進行成像，如果要記錄所有神經元，那么成像神經元的數目以及成像組織的深度都需要提高。于是，光學硬件和計算機手段的發展將用以解決這些問題，例如雙光子激發熒光顯微鏡對活體組織能達到很高深度的探測，最深可達1 mm。這些新技術的結合可能會對清醒動物不同腦區神經元進行3D影像記錄，而光纖和內窺鏡的應用則使深層組織如海馬得以記錄。

3.2 應用納米探針大范圍記錄電信號(圖2)

對神經元活動的電生理記錄目前可通過硅基納米探針實現，包含幾十個電極的硅基探針目前已商業化，每個探針可記錄幾十個位點。如果將這些二維陣列級聯成三維探針陣列就可以記錄幾十萬個位點。目前仍有很多技術難題有待攻克，而當技術日臻完美，通過高級峰電位分類算法可以記錄到數以千計的神經元放電。理想狀態時(Holy Grail)，該系統可同時記錄百萬個電極，保持相同帶寬，將電極間距降至約15微米，并在皮層水平將探針長度增加到幾厘米。這些需要系統工程學的重大創新。

3.3 無線技術及合成生物學手段(圖3)

圖2 硅基納米探針陣列［1］

圖3 合成生物學方法示意圖［1］

對神經元群活性進行無線、非侵入的記錄也非常重要。實現這一目標需要硅基超大規模集成電路(VLSI)的無線電子電路或合成生物學成分，或者二者的結合。未來，將無線微芯片植入活體腦組織檢測神經元活動將成為可能。合成生物學手段作為替代硅基VLSI的方法也可以實現神經元活動的非侵入性記錄。例如，DNA聚合酶可作為神經元放電感受器，因為它們的出錯率取決于陽離子濃度。一個預先設計好的DNA分子通過合成過程可記錄出錯情況，而這一情況反映了每個細胞的放電情況。該手段的信息存儲量巨大。一般一個直徑5 μm的合成細胞可至少攜帶6千萬對DNA堿基對，編碼7 d的100Hz放電數據。

4 BAM項目的十五年計劃［1］

BAM項目起初計劃對模式生物進行研究。第一個五年，對較小且簡單的神經環路(少于7萬個神經元)的活動進行重構。線蟲是這一階段最合適的模式動物，整個大腦連接組可進行研究。而果蠅大腦的一些獨立區域如延髓，小鼠視網膜神經節細胞的功能在這一階段可進行研究。第二個五年，對100萬個以內的神經元活動進行研究，包括完整的果蠅大腦、斑馬魚的中樞神經系統、小鼠視網膜或海馬等?？蓪σ吧蚣膊∧Ｐ托∈蟮钠踊顒舆M行重構，甚至對最小的哺乳動物小臭鼩的皮層進行研究。第三個五年，人們期望對清醒小鼠的整個新皮層進行研究，并推及靈長類動物，不排除人類。

5 BAM項目可能帶來的收益［1］

BAM項目將會帶來科學、醫學、技術、教育以及社會經濟收益。

科學意義:對神經環路的完整功能解析將對神經科學基礎研究帶來巨大推動，許多基礎問題的迎刃而解將最終實現神經編碼的解密，同時使神經環路的逆向工程成為可能。

醫學意義:在促進科學研究的同時，BAM項目還會帶來醫學收益，包括對重大腦疾病的早期、敏感性診斷，精神疾病的生物標記物的出現，在動物模型上對重大腦疾病病理生理學假說的驗證以及新型設備或手段用以精細控制刺激水平使疾病狀態下的神經環路回歸平衡。最終，人們希望對精神分裂癥、孤獨癥等較難處理的疾病有新的認識和治療手段。

技術突破:BAM會帶來巨大的技術突破，它將是生物技術和納米技術的融合。這些新技術包括光學手段形成3D影像，在生命科學、醫學、工程學及環境應用中使用敏感的、微小的智能納米系統，存儲和處理海量數據，研發基于生物學出發的計算機裝置。

經濟效益:據統計，對人類基因組計劃而言，每1美元的投資都帶來了141美元的經濟收益。BAM項目中產生的技術和計算創新也會帶來經濟效益，可能產生全新的工業和經濟模式。

教育意義:這種跨學科項目對年輕一代科學家的培養提供了大量機會。

［1］Alivisatos A P，Chun M，Church G M，et al.The brain activity map project and the challenge of functional connectomics［J］.Neuron，2012，74(6):970-974.

［2］Alivisatos A P，Chun M，Church G M，et al.Neuroscience.The brain activity map［J］.Science，2013，339(6125):1284-1285.