三磅的宇宙

仇子龍

我們每個人都有一個“小宇宙”——大腦，雖然它只有三磅（1.36kg）重，但為了研究這“三磅的宇宙”，近十年間，世界各國神經科學家開展了一項探索大腦奧秘的宏偉工程——連接組計劃，希望全面認識大腦中神經元之間的連接。

具體而言，研究大腦的連接組，就是要對近千億神經元之間相互連接的情況進行全面的研究與分析?？上攵?，這可能是人類歷史上信息量最大的艱巨工程。

探索大腦奧秘的宏偉工程

“連接組”一詞是從“基因組”衍變而來的。二十世紀九十年代，美國啟動人類基因組計劃，歷經十余年，耗資30億美元，完成了人類基因組30億個堿基的全測序，使人類攻克復雜疾病、尋找遺傳病病因的能力大大加強。

2013年，美國又啟動了研究大腦的“腦科學計劃”。過去三年，美國、歐洲及日本都陸續宣布了專攻神經科學的“腦科學計劃”。中國科學院也在2012年啟動研究大腦功能性聯結圖譜的戰略先導專項。從2014至2016年，中國腦計劃經過反復研討，呼之欲出。人類，終于要向“最后的前沿”進軍了！

先天還是后天決定了大腦？

究竟是先天因素還是后天因素決定了大腦？這是生物學界一個非常重要的爭論。

人類的大腦功能不僅是由神經元之間的連接決定的，更被編碼蛋白質的遺傳物質——基因組所決定?；蚪M代表先天因素，從父母遺傳而來，無法輕易改變；連接組象征后天因素，是我們在這個繽紛世界中接受無數外界信息后塑造的大腦。

在這個問題上，并非說基因組和連接組就是誰壓倒誰的問題，而是在何種層次上相互協調，并對大腦功能產生貢獻的問題。

比如，在成年人的大腦中，雖然神經網絡已基本定型，但基因組也并非對大腦功能毫無貢獻。人類在學習與認知時，大腦神經網絡中的電信號會激活神經元，進而讀取神經元中基因組的信息，將許多基因打開或關閉。通過改變神經元的重要功能蛋白質水平，來對神經元之間的連接（突觸）做出可塑性的改變。因此，連接組其實也是基因組在大腦中的功能投射。

動態變化的連接組能被認識嗎？

近年來，神經科學家們認識到，人類高等認知功能及腦疾病的起因，比如帕金森癥、抑郁癥等，往往與大腦中神經元的功能性連接改變關系甚密。

但是，大腦連接組是具有可塑性的動態組成——在大腦接收處理了外界信息后，神經元之間的突觸很可能發生可塑性改變，這些改變代表了我們的思考、記憶等過程。因此，即便在某一個時間點看清楚了大腦的所有神經連接，下一個時間點大腦的神經連接就不同了。

那么，在暫時無法洞察活人大腦的情況下，研究大腦連接組還有意義么？

答案是肯定的?，F在，科學家們已經可以通過動物的大腦，如大、小鼠，人類的近親——猴等，來對大腦中的特定神經連接環路進行研究，包括在高等認知功能中有哪些神經連接組成的環路發生了激活與抑制，在病理狀態包括老年癡呆癥、帕金森癥、自閉癥、抑郁癥及精神分裂癥中，大腦中哪些神經連接組成的環路發生了破壞性改變等問題。

我們相信，如果能認識到大腦中這些特定神經元的連接模式及細節，就可以極大促進我們對大腦工作原理的了解，得知腦疾病的起因與病理進程。

成年后大腦還具有可塑性嗎？

通常認為，在人類發育過程中，最具有可塑性潛能的時期是孩童階段。人類在幼年學習知識并學會適應外界復雜的社會，一些嚴重的神經系統疾病，如自閉癥也從孩童階段開始表現出來。那么成年以后，大腦還是否具有可塑性？患有自閉癥的兒童長大后是否還能被治愈？

最近幾年，科學家發現，一些作為人類自閉癥疾病模型的基因突變小鼠，在長至成年、表現出疾病癥狀后，仍可以通過基因修復，來恢復大腦的正常功能。這些研究，為自閉癥患者成年后的有效臨床治療與干預提供了重要線索。

“一體兩翼”的中國腦計劃

大腦連接組計劃耗資甚巨，目前世界各國的“腦科學計劃”都還沒有將連接組計劃作為主攻方向。

美國的腦計劃希望先搭橋鋪路——繼續創新研究大腦的工具手段，讓我們可以看到以前看不到的細節，如神經元間突觸的動態變化等。備受爭議的歐洲腦計劃，原本打算利用計算機模擬方法構建人類大腦的計算模型，無奈受到歐洲各國神經科學家們的強力反對，很有可能改弦易轍。日本于2014年啟動的腦計劃決定從一種非人靈長類（狨猴）入手，研究大腦的結構與功能。

西方國家已發展了逾一個世紀的現代神經科學，目前還處于“學徒”階段的中國神經科學家們將如何作出自己的貢獻？令人欣喜的是，近幾年來中國科學家們已經利用中國特有的靈長類動物（猴類）資源作出了一系列震驚世界的發現，例如世界第一個基因編輯猴與第一個可作為自閉癥模型的基因工程猴等，為腦疾病研究提供了前所未有的平臺與機遇。

其實，大眾更為關心的是：是否可以治愈或至少延緩腦疾病的發生發展？是否能促進少年兒童的智力發育？是否能讓大腦跳“廣場舞”，從而使其永葆青春？

據參與中國腦計劃制定的中國科學院外籍院士、美國國家科學院院士蒲慕明教授介紹，即將面世的中國腦計劃架構可以概括為“一體兩翼”：一體是以理解大腦為中心的基礎研究，兩翼是側重應用研究的診治腦疾病和類腦智能技術。中國腦計劃兼備基礎與應用研究的宏圖，期待中國科學家能交出一份滿意的答卷。

著名科幻電影《星際穿越》中，地球即將耗盡資源時，平時看起來毫無用處的宇航科學和尖端物理學成了讓人類拯救自身的救命稻草。腦科學研究也是一樣，它看似無用，卻關系到人類生活的方方面面。人類正是在攻克一個又一個前沿中創造了燦爛的文明，屹立于茫茫宇宙之中。面對著人類“最后的前沿”，讓我們像第一次飛入太空的尤里·加加林那樣，豪情萬丈地說：“讓我們出發！”（編輯/南之嶺）