探索生命的星云

宇宙中，恒星形成的巨大分子云醞釀著生命的可能;海洋里，化石凝固了生命起步時的縮影。從宇宙到地球，從陸地到海洋，關(guān)于生命的秘密不可勝數(shù)，未知的世界永遠(yuǎn)比我們已知的更廣闊。即便我們將目光集中到人類本身，再進一步凝聚到成人1.4kg的大腦上，人腦中那100多億神經(jīng)元交錯的世界，仍然能組成另一片充滿未知的“宇宙”。

德國哲學(xué)家伊曼努爾·康德說：“有兩種東西，我對它們的思考越是深沉和持久，它們在我心中喚起的驚奇和敬畏就會日新月異、不斷增長，這就是我頭頂?shù)男强蘸托闹械牡赖隆！?/p>

幸運的是，人腦中的“宇宙”賦予了人類天生的好奇心和探索未知的能力。人類在宇宙中進化，同時也在觀察著人腦中這片“宇宙”的進化歷程。

夢想人物：鮑進

身份卡：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)特任研究員，德國喬治-奧古斯都-哥廷根大學(xué)博士，法國國家科學(xué)研究中心博士后，瑪麗·居里學(xué)者

[一]

生命從無到有，一路發(fā)展進化出千姿百態(tài)。生物的結(jié)構(gòu)、功能、發(fā)生和發(fā)展的規(guī)律譜成生命的樂章，人類是其中的一個音符。但和其他生物不同，人類不滿足于在有限的生命舞臺上演奏微弱的單音，而是希望探索生命的奧秘，真正聽到完整的生命之歌。所以，人類開始研究生命，便有了生命科學(xué)。生命科學(xué)又稱“生物學(xué)”，研究內(nèi)容包羅萬象，涵蓋動物、植物、微生物，以及與這些生命存在發(fā)展息息相關(guān)的領(lǐng)域。

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的生命科學(xué)學(xué)院實力雄厚，在生命科學(xué)領(lǐng)域中發(fā)展出神經(jīng)科學(xué)、免疫學(xué)、腫瘤和蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)等重點研究方向，而鮑進作為中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的特任研究員，她的研究方向是神經(jīng)科學(xué)，實驗室主要的小方向是研究神經(jīng)系統(tǒng)對光線的感知、對光信號的處理以及自然界中的光信號如何影響生物的生理以及認(rèn)知。通俗點說，她研究的是光與大腦的互動。

雖然研究對象是大腦，但鮑進走上這條科研路，并非由大腦的某次突發(fā)奇想決定，它更像是“命運的安排”。在上初中時，鮑進學(xué)得最好的科目是物理，如無意外，考大學(xué)時她會選擇物理專業(yè)。不過，一位高中生物老師改變了她的想法。這位老師學(xué)識淵博，課堂上從不照本宣科，講課內(nèi)容總是信手拈來，學(xué)生們都聽得津津有味。這位老師的專業(yè)魅力深深感染了鮑進，填寫高考志愿時，她看到浙江大學(xué)的專業(yè)目錄上有帶有“生物”兩個字的專業(yè)，便毫不猶豫地畫了個圈。

浙江大學(xué)作為一所全國重點大學(xué)，生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)在全國排名數(shù)一數(shù)二，是浙江大學(xué)的熱門專業(yè)。但這個專業(yè)不同于一般的生物專業(yè)，它與物理、化學(xué)、數(shù)學(xué)和計算機工程學(xué)相結(jié)合，與電子儀器的聯(lián)系尤其密切。

由于醫(yī)院里的病人做CT、核磁共振等檢查后都會產(chǎn)生大量影像資料，人工難以處理，所以20世紀(jì)90年代末，生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)往計算機讀圖方向發(fā)展出一個分支，以培養(yǎng)開發(fā)智能圖像處理技術(shù)的人才為目標(biāo)。就這樣，“誤入”此專業(yè)的鮑進沉浸在電子線路、計算機軟硬件的學(xué)習(xí)中，離想象中探索生命奧秘的研究漸行漸遠(yuǎn)，唯一能聊以自慰之處，大概就是她正在和潛在的“硅基生命”（即人工智能，其被大眾視為廣義的“硅基生命”）打交道吧！

在編寫計算機識圖程序時，鮑進認(rèn)為，讓程序在復(fù)雜的圖像中找出特征性的東西實在太困難了——人類肉眼很容易辨認(rèn)的腫瘤，在計算機程序里卻需要通過一組組復(fù)雜代碼來識別，還必須經(jīng)過反復(fù)驗證，排除錯誤和障礙。在這個過程中，鮑進對人類的大腦和視覺系統(tǒng)產(chǎn)生了興趣——人類是如何在一堆蘊含各種信息的圖片里快速找出特定信息的？人類的大腦為什么在某些方面比計算機優(yōu)越？

大學(xué)畢業(yè)后，鮑進在清華大學(xué)物理系攻讀碩士，雖然不再接觸生物，但是這個問題一直困擾著她。碩士畢業(yè)后，她作出重要決定——轉(zhuǎn)入神經(jīng)科學(xué)專業(yè)繼續(xù)深造。

當(dāng)時，中國的神經(jīng)科學(xué)研究剛剛起步，相關(guān)專業(yè)不多，鮑進決定出國學(xué)習(xí)，在德國喬治-奧古斯都-哥廷根大學(xué)攻讀神經(jīng)科學(xué)方向的博士。雖然她沒有生命科學(xué)方面的學(xué)術(shù)背景，但她有極強的學(xué)習(xí)能力，并不擔(dān)心自己跟不上學(xué)習(xí)進度。

可這種自信在她第一次上實驗課時，就受到了巨大挑戰(zhàn)。

為了對生命現(xiàn)象進行研究，獲得有關(guān)生物學(xué)、醫(yī)學(xué)等方面的新知識，科研工作者會用動物做實驗，這是生命科學(xué)專業(yè)的常態(tài)。但對第一次接觸動物實驗的鮑進來說，這造成了極大的心理障礙。在第一堂實驗課上，一人一鼠相互對峙，鮑進在籠子前足足站了30分鐘也沒能克服恐懼。最后，是她的導(dǎo)師將小鼠取了出來。

第二次走進實驗室，小鼠還是那只小鼠，依然會在人類靠近時不斷躲避，露出尖利的牙齒。鮑進在籠子前又站了30分鐘，但是這一次，她把手伸進了籠子里，觸摸到小鼠毛茸茸的背脊，將它拎了出來。

仿佛就在此刻，她真正有了在生命科學(xué)求索過程中付出、犧牲、堅持的感受。這門探索生命的科學(xué)，建立在生命的奉獻(xiàn)之上，人類必須保持對生命的尊重和憐憫，才能獲得大自然交予的生命密碼。

[二]

雖然選擇了神經(jīng)科學(xué)的研究方向，但研究至今，鮑進仍覺得自己對神經(jīng)科學(xué)的奧秘知之甚少。

神經(jīng)科學(xué)是生命科學(xué)里比較年輕的一個學(xué)科。盡管在很久以前，人類就對大腦產(chǎn)生了研究的興趣。比如外科醫(yī)生在治療時，發(fā)現(xiàn)病人大腦的某個部分受到損傷，會引發(fā)語言和記憶等方面的障礙，他們據(jù)此將人的大腦分出了語言區(qū)、動作控制區(qū)等區(qū)域。但要將大腦真正納入研究范疇，人類卻面臨很多難以逾越的困難。人腦的結(jié)構(gòu)層面非常復(fù)雜，幾百億神經(jīng)元組成的神經(jīng)系統(tǒng)是一個龐大的網(wǎng)絡(luò)，人腦很難用想象力來建構(gòu)它自身的復(fù)雜性。就像身處三維空間的我們，很難跳出現(xiàn)有維度，去看向更高維度的世界。

舉一個例子，我們通常認(rèn)為那些最聰明的人就是大腦空間活躍度最高的人，假如世界上有種聰明藥，吃了以后可以激活大腦里所有空間，是不是意味著我們都能變得聰明無比？

答案是“不確定”。

鮑進告訴我們，人的大腦既“大方”又“吝嗇”。“大方”之處在于，它的神經(jīng)系統(tǒng)有非常大的冗余度，就像城市里的道路，從一個地點到另一個地點，有很多條路線，通常你只要選擇一條道路就能到達(dá)目的地了。“吝嗇”之處在于，大腦可能安排了分時工作機制，不會讓所有神經(jīng)元同時活躍，一起為人類服務(wù)。同時，它也不會任由大腦中的其他區(qū)域被浪費。例如，當(dāng)盲人的視覺輸入減少后，大腦便會讓原本處理視覺信息的區(qū)域慢慢接收和處理聽覺信息，讓盲人擁有越來越敏銳的聽覺。

此外，智力的定義也非常復(fù)雜，人類目前并不知道聰明的大腦和普通的大腦有什么區(qū)別。它不能被簡單地歸結(jié)于形象思維和邏輯思維好不好、學(xué)習(xí)能力高不高等問題，它需要一個更客觀清晰的判斷方法。

科學(xué)研究首先從能清晰定義的東西開始研究，比如大腦怎么調(diào)控呼吸、調(diào)控生命的晝夜節(jié)律、調(diào)控覺醒和睡眠等可以被測量和定義的生理規(guī)律。智力和意識是更高層面的東西，它需要人類在積累更多對大腦的認(rèn)識后，才能獲得研究它的鑰匙。

所以，一個人聰明與否和他的大腦運用之間的關(guān)系到底如何，科學(xué)家至今還沒有得到明確的答案。但幸運的是，科學(xué)研究是一座寶庫，蘊含了豐富的寶藏，從不會讓虔誠探求的人空手而歸。

2019年，鮑進所在的研究團隊在國際知名學(xué)術(shù)期刊上在線發(fā)表論文，描述他們?nèi)〉玫闹匾芯砍晒t外視覺。

任何生物的眼睛都不能感知超過700納米的紅外線，它無法在大腦中形成相應(yīng)的圖像。即使是可以分辨紅外線的響尾蛇，也僅是因為它有探測周圍環(huán)境中溫度變化的紅外線感受器，但經(jīng)過鮑進所在的團隊改造后的小鼠，卻能看見紅外線。

[三]

有趣的是，這項科研成果的靈感是偶然間得來的。

在科學(xué)研究中，一個項目通常從一個假設(shè)開始。科學(xué)家在觀察生活中的現(xiàn)象后產(chǎn)生假設(shè)，再從假設(shè)出發(fā)，設(shè)計驗證假設(shè)的實驗。在反復(fù)實驗的同時，科學(xué)家要確保數(shù)據(jù)在收集分析時的準(zhǔn)確性，并根據(jù)實驗結(jié)果，判斷假設(shè)成立與否：假設(shè)被推翻，他們就調(diào)整假設(shè)，再設(shè)計第二個實驗;假設(shè)成立，他們就繼續(xù)研究該假設(shè)背后的原理和機制。

神經(jīng)科學(xué)里有個研究方法叫“光遺傳”——通過光打開大腦神經(jīng)元上，通過外源基因表達(dá)的離子通道，來激活或者抑制神經(jīng)元，誘發(fā)行為。實驗中通常使用藍(lán)光，但它穿透性弱，進入不了大腦的深層，想要研究深部腦區(qū)時，只能通過光纖將光導(dǎo)入，但這樣做容易損傷大腦。鮑進所在團隊中的薛天教授設(shè)想，紅外線比藍(lán)光穿透性強，是否可以將紅外線在大腦中轉(zhuǎn)換成藍(lán)光，再去激活大腦中的神經(jīng)元？

他們用一種可以把紅外線轉(zhuǎn)換成藍(lán)光的納米材料做實驗，但紅外線轉(zhuǎn)換藍(lán)光的轉(zhuǎn)換效率和藍(lán)光激發(fā)細(xì)胞的激發(fā)效率都不夠高，導(dǎo)致實驗不成功。為了測量轉(zhuǎn)換效率，他們決定在眼睛中做實驗，因為眼睛中的感光細(xì)胞對光特別敏感。當(dāng)他們把納米材料打入眼睛中時，突然有了一個新想法：如果紅外線在眼睛中被轉(zhuǎn)換為藍(lán)光，生物是否可以感受到紅外線，擁有紅外視覺？

他們設(shè)計了各種實驗。比如，讓小鼠在一只暗箱和一只被紅外線“照亮”的箱子間進行選擇。普通小鼠對兩只箱子沒有任何偏好，但經(jīng)過改造的小鼠明顯傾向于暗箱，因為它有躲避光線的本能;他們還將小鼠放入水迷宮中。水迷宮末端有兩個通道，每個通道的盡頭有一塊屏幕，一個小小的逃生平臺會隨機放在兩個通道的屏幕下方。逃生平臺上方的屏幕會顯示綠色的三角形圖案，沒有逃生平臺的屏幕會顯示綠色的圓形圖案。經(jīng)過幾輪訓(xùn)練，小鼠理解了逃生平臺與三角形圖案的關(guān)聯(lián)，進入水迷宮時，它會立刻游向逃生平臺。當(dāng)所有小鼠都如此后，兩個屏幕上的圖案分別被換成了紅外線照出的三角形和圓形。此時，只有注射了納米材料的小鼠能立刻游向三角形所在的通道，找到逃生平臺，成功率接近100%;而普通小鼠因為看不到圖像，沒有信息引導(dǎo)它們選擇通道，只能隨機進行嘗試，成功率在50%左右。

從開始研究到論文發(fā)表，紅外視覺的研究前后用了5年時間。它的前景絕不止“看見紅外線”那么簡單——它可以用于人類某些視覺缺陷疾病的治療，例如紅色色盲。

“這是科學(xué)研究的魅力！當(dāng)自然界中的現(xiàn)象以現(xiàn)有的知識不能理解時，天生的好奇心會驅(qū)使你去探索。在探索未知的過程中，你的收獲也是未知的，因為它意味著無限的可能！”

鮑進的話讓我聯(lián)想起波蘭詩人維斯拉瓦·辛波斯卡的一段演講：“‘我不知道這詞匯雖小，卻張著強有力的翅膀飛翔。它擴大我們的生活領(lǐng)域，使之涵蓋我們內(nèi)在的心靈空間，也涵蓋我們渺小地球懸浮其間的廣袤宇宙。”

從過去、現(xiàn)在到未來，這份“我不知道”的探索精神將永遠(yuǎn)伴隨人類開拓、進步和突破的腳步！