為大腦繪“地圖”

鄒丹

我們都知道，出門旅游，地圖是必不可少的。不管是紙質地圖，還是電子地圖，都標滿了道路和建筑物，能指引我們到達目的地。

那么，什么是大腦的“地圖”呢？我們又不能去大腦里旅游，為什么要給大腦繪“地圖”呢？回答這兩個問題，我要從大腦的功能和基礎結構說起。

大腦是所有脊椎動物和大部分無脊椎動物的神經系統控制中心，也是神經系統最高級的部分。它參與了我們日常生活的方方面面，我們的情感、行為、決策等都與它密切相關。被尊稱為“西方醫學之父”的古希臘醫師希波克拉底曾經說：“我們的歡樂、開懷的大笑、說的俏皮話以及我們感到的難過、悲傷、意志消沉……都是只來源于我們的大腦，而不是別的什么東西。”另一方面，對于有關大腦的疾病，例如孤獨癥、阿爾茨海默癥等，目前我們仍然缺少有效的檢測手段，一個重要的原因是我們對大腦工作的機制知道得很少。所以，探究大腦是如何工作的，為大腦繪“地圖”，至關重要。

人類的大腦雖然只重約1.5千克，但是包含約1000億個神經元。神經元由細胞體和從細胞體伸出的突起（軸突和樹突）兩部分組成，以復雜的空間結構分布在大腦中，神經元與神經元通過軸突和樹突相互連接。如果我們把大腦想象成地球，那么神經元就像分散在空中、地上和地下各個角落的無數城市。

大腦的功能是由大腦的結構決定的。因此，要充分理解大腦的功能，科學家就要從了解大腦的基礎結構入手，即了解、標定神經元的位置及連接關系，這就像給大腦繪地圖。

在地圖測繪領域，人們通過航拍的方式獲取大量照片，然后根據照片里建筑和道路的位置繪地圖。在腦科學領域，科學家也用類似的研究思路：先通過腦成像技術獲取大腦內部結構的三維圖片，然后尋找神經元的位置、摸清它們的連接關系，最終繪出大腦的“地圖”——全腦神經元連接圖譜。

經過多年研究，科學家已經初步掌握腦成像技術。其中，我國科學家在這方面開展了深入研究，取得了一定成果。以華中科技大學武漢光電國家研究中心自主研發的熒光顯微光學切片斷層成像系統為例，研究人員使用高精度的設備對小鼠大腦超薄切片進行光學成像，而且采用“切片同時進行成像”的數據獲取方法，獲取突起水平（亞微米分辨率）的完整腦數據。雖然大腦并不大，但是腦成像數據量非常大。比如，小鼠的大腦體積很小，小鼠的腦成像數據量卻可超過10萬億字節。

面對這樣大規模的數據，普通計算機“無能為力”，這時就需要超級計算機“登場”。超級計算機將大量處理器集中在一起，有極大的數據存儲容量、極快的數據處理速度，因此可以在多種領域進行一些普通計算機難以進行的工作。

近年來，科學家正在運用超級計算機全力研究動物的全腦成像和數據處理技術。比如，我國有一個課題叫“神經回路大數據的定量分析與可視化”，研究人員借助我國自主研制的超級計算機，實現了小鼠酌全腦成像數據并行處理，只用2小時就得到了小鼠腦部的所有神經元位置和連接信息。

為大腦繪“地圖”的工作仍在進行，還有很多需要解決的問題。但隨著科學技術的進步，相信在不久的未來，我們能夠獲取人類的全腦成像數據，為人腦繪出精準的“地圖”，治愈與大腦有關的疾病，真正破解人類智能的秘密。