大腦成像技術推動腦科學研究的發展

■ 文/丁秋萍 何宏建 鐘健暉

丁秋萍，浙江大學生物醫學工程與儀器科學學院，腦影像科學技術中心技術人員。

何宏建，浙江大學生物醫學工程與儀器科學學院，腦影像科學技術中心副教授。

鐘健暉，浙江大學生物醫學工程與儀器科學學院，腦影像科學技術中心主任、教授。

腦科學研究的終極目的是“認識腦”、從而“保護腦”，并最終“創造腦”。

大腦是人體最復雜的器官。破譯大腦運轉密碼、揭開生命之謎，是令無數科學家殫精竭慮的課題。電子信息技術、精準檢測設備的發展，為腦科學的發展插上了強有力的翅膀；反之，人類對大腦的不斷認識也為多門技術發展開啟了創新之路。腦科學這個最富有挑戰性的科學問題，逐漸成為國際科學前沿的熱點領域，被視為未來新的經濟增長點和引領新科技革命的潛在引擎。

人類大腦，神秘的存在

大腦是人體中最復雜的系統，由超過800億個神經元組成，每個神經元又衍生出成百上千個分支。這些神經元有機結合，形成龐大而精細的神經網絡。將大腦作為一個“系統”而不是簡單單元的堆積，可能是理解大腦在正常狀態下如何工作以及異常導致的神經系統疾病的關鍵。

大腦分工精細、組織有序，不同的腦區各司其職又互相協作，腦區之間有著超強的代償能力。例如，7歲的澳大利亞男孩，缺失了大部分視覺皮層，視力卻正常。經磁共振掃描分析發現，視覺激活區轉移到了丘腦部位，丘腦枕下端扛起了初級視覺皮層的責任。美國有個科研人員，只有半個腦，生活可以完全自理，他的運動、科研能力甚至超過正常擁有全腦的人。事實上，即使同是健康人，大腦的結構和功能也存在較大的個體差異，這可能和基因、文化背景以及生活環境等因素都息息相關。

腦科學研究時機成熟，序幕拉開

隨著信息技術的迅速發展，神經科學和信息科學相結合的人類腦計劃應運而生。計算機處理海量數據的能力不斷得到提升，腦科學研究得以更加深入,神經網絡在內的新技術的不斷涌入，將該領域的研究提升到了一個更高的層次。

在過去的幾十年間，腦科學研究的武器，特別是成像技術裝備得到了全新升級。宏觀的活體檢測成像方法常見的有磁共振成像（MRI）、正電子發射斷層掃描技術（PET）、腦電技術（EEG）等。以MRI為例，20世紀80年代，臨床MRI設備誕生，使得活體檢測大腦圖像成為可能，當時完成一次檢查需要1.5小時。隨著超導磁體的出現，成像速度和圖像質量得到了很大提升。近期，MRI設備空間分辨率的發展使我們可以觀察并分析大腦活體基本信息處理單元網絡（大概為200微米大小），對人腦從結構、功能、血流和代謝、網絡連接等全方面、多角度進行了解。利用MRI設備開展活體無損的人腦圖譜研究也是當前腦科學研究的熱點之一。美國神經科學家已經對大腦的結構和分區進行了精細的描繪。我國宣武醫院、浙江大學等團隊多中心聯合采集了不同地區不同年齡的近千例健康人群磁共振和認知行為數據，擬建立中國人自己的腦圖譜，結合計算機科學技術，人類對大腦的工作原理將有更加深入的理解。

近年來，腦電（EEG）技術也得到了快速發展，強磁場環境兼容的EEG可以在掃描磁共振的同時記錄腦電信號，將腦電的高時間分辨率和磁共振的高空間分辨率、多模態相結合，得到更全面的信息。PET通過檢測注入體內的放射物質產生圖像，人體不同組織的代謝狀態不同，在高代謝的惡性腫瘤組織中葡萄糖代謝旺盛，聚集較多，這些特點能通過圖像反映出來，從而對病變進行診斷。PET與MRI、電子計算機斷層掃描（CT）優勢互補，又出現了PET-MRI、PET-CT。

除了宏觀檢測裝備的快速發展之外，干預腦疾病、腦功能的設備和技術也越來越朝著精細化的方向發展。自古以來，人們探索用電鰩魚放電來治療頭疼、癲癇，隨著認識的深入與技術逐步成熟，經顱直流電刺激(tDCS)可以實現神經興奮性的雙向調節，受到臨床的青睞。神經刺激技術越來越受到大眾的關注，經顱直流電刺激（tDCS）、深部腦刺激（DBS）、經顱磁刺激（TMS）等技術開始得到快速發展，干預大腦疾病和認知的工具越來越發達，干預方式越來越精細化、定量化。

從微觀角度來看，17世紀，英國博物學家羅伯特·胡克利用自己制作的顯微鏡發現了“細胞”。隨著技術的發展，人們可以借助電子顯微鏡觀察到神經細胞之間突觸連接的精細結構。更進一步，借助包括共聚焦、雙光子成像等各種熒光顯微成像技術，人們開始細化研究大腦組織中大量神經元如何相互連接形成神經環路。最近，北京大學的程和平教授等在《自然》（Nature）雜志子刊《自然·方法》（Nature Methods）上發布了一項最新的研究成果——新一代高速高分辨微型化雙光子熒光顯微鏡，它改變了觀察自由活動動物的亞細胞結構的方式，在動物覓食、睡眠等自然行為條件下，可以長時程觀察神經突觸、神經元、神經網絡、遠程連接的腦區等多尺度、多層次動態變化。

盛大網絡首席執行官陳天橋認為：腦科學涉及的計算能力、顯影技術以及其他重大技術，都到了能夠利用科學解決問題的時候，產業的發展，腦科學的全民認識也都到了臨界點。繼歐盟腦計劃提出之后，各國都圍繞認識腦、研究腦、開發腦和保護腦的最終目標，相繼提出腦研究相關計劃。各國啟動的腦計劃各有側重，美國重點關注研發新型腦研究技術；歐盟主攻以超級計算機技術來模擬腦功能；日本主要以狨猴為模型研究腦功能和腦疾病。

我國的科學家和政府部門也開始重視腦科學的研究。2016年，“腦科學與類腦研究”被“十三五”規劃綱要確定為重大科技創新項目和工程之一，作為“科技創新2030重大項目”的四個試點之一。2017年年底即將推出“腦科學研究計劃”，主要針對腦科學和類腦研究進行名為“一體兩翼”的戰略部署。“一體”指以闡釋人類認知的神經為主體，“兩翼”包括對腦重大疾病的研究和通過計算和系統模擬推進人工智能的研究。

人工智能學家劉鋒博士在北京圓恩空間作了題為“互聯網云腦，新科學革命的前夜與人類的未來”的講座，認為這次新科技革命將發生在互聯網、腦科學與人工智能的交叉領域，其產生的成果將對諸多領域產生影響，包括互聯網、人工智能、智慧城市、物聯網、云計算、大數據、機器人，甚至腦科學、科技哲學、生物的進化都會從這個領域的發展過程中得到推動力。

腦科學研究旅途遙遙，路在腳下

如果腦科學是一座冰山，那么我們只看到了它露出水面的一角。腦科學研究的終極目的是“認識腦”、從而“保護腦”，并最終“創造腦”。“認識腦”就是要揭示腦功能的本質，“保護腦”就是要預防和治療腦疾病，“創造腦”就是要激發人腦的潛在能力，開發人工智能。

互聯網和人工智能的發展某種意義上解放了人腦，也延伸、拓展了人腦。腦科學和類腦智能技術二者相互借鑒、相互融合是國際科學界涌現的新趨勢。近年來，人工智能、深度學習的高度發展，使得智能家居、無人駕駛汽車等變得觸手可及。

我國楊雄里、蒲慕明院士等科學家一直在呼吁開展適合中國國情的腦計劃。中國大腦項目希望在基礎和應用神經科學之間實現平衡，使得一部分科學家能夠追求他們的興趣探索大腦的秘密，同時其他人可以應用我們已經獲得的研究成果，來預防和治療腦疾病并開發腦的相關智能技術。

理解人類大腦認知是人類認識自然、利用自然的終極挑戰，造出像人腦那樣有高度智能的機器一直是人類世代的夢想。真正實現腦科學的突破，有待多學科交叉、多領域攜手，旅途遙遙，路在腳下……