中国科学家将绘制最精细人脑三维“地图”

罗庆明正在检查实验结果。(受访者提供图纸)

新华社南京12月6日电——为什么有些人的大脑对宇宙的规律有着奇妙的洞察力，而有些人却能创作出激动人心的音乐和绘画？记忆和意识是如何形成的？

尽管人类已经能够观察数亿颗恒星并探测到时间和空间的波动，但他们对自己的大脑知之甚少，而大脑的精细结构只能估计。

为了揭开大脑的奥秘，中国科学家计划为人脑中复杂的神经元和血管绘制最详细的三维“地图”。

这个巨大的项目就像拍摄一张由近1000亿棵树组成的巨大森林的三维照片。有必要看看整个森林，看看每棵树上的每一根树枝和树叶。

主持这项研究的海南大学校长、华中科技大学苏州脑空间信息研究所首席科学家罗庆明说:“人类缺乏大脑观察手段，不能‘既看树木又看森林’。我们需要提供新的观察方法，以获得清晰的人脑图谱，并了解神经网络是如何连接的，这将有助于分析脑部疾病的机制，并促进类大脑人工智能的发展。”

苏州脑空间信息研究所副所长李安安说:“目前，我们对大脑的了解还处于非常初级的阶段。虽然我们能看到一些现象，但它们代表什么仍然不清楚。这就像在一个巨大的黑盒子里摸索一样。”

“大脑连接和大脑活动在时间和空间上不断进化，给大脑功能的分析带来巨大挑战，但我们有理由相信大脑功能和大脑活动依赖于最基本的细胞单位，就像电路网络依赖它们最基本的单位——电子元件一样。不同类型的神经元是分析脑功能的基础，也是诊断和治疗脑部疾病的重要基础。”罗庆明说道。

华中科技大学苏州脑空间信息研究所的研究人员正在进行实验。(受访者提供图纸)

创新之路

罗庆明，52岁，湖北蕲春人。他出生在一个农民家庭，有着艰苦的学习经历。20世纪90年代，从事光电子研究的罗庆明在美国留学期间，首次在世界范围内使用近红外光学成像技术检测大脑活动。这项发明技术在美国获得专利。1997年，罗庆明放弃了国外的优势，回到了他的母校华中科技大学。

“我很高兴能赶上改革开放后的好时光，我觉得我必须为国家做点什么。我当时的研究是一个新领域，我希望我能回到我的国家，继续做一个关于大脑研究的问题。”罗庆明说道。

尽管国际学术界认为绘制一幅精美的大脑图谱非常重要，但研究极其困难，课题跨度很大，而且没有取得任何成果。

罗庆明利用华中科技大学的跨学科优势，启动了一个资金20万元、实验室面积25平方米的大脑研究项目。

“大脑像豆腐一样软。很难固定大脑样本并标记其中的神经和血管。我们花了三年时间才单独解决大脑样本制备的问题。”罗庆明说道。

他说，这是一项真正的多学科交叉研究，需要有生物和化学背景的人员准备样本。有光学、机械、控制等工程技术人员开发成像仪器；我们还需要计算机人才来处理大数据并显示结果。

“我们重视新技术和新方法的开发，开发具有自主知识产权的科学仪器，然后利用它们开展应用研究和解决科学问题。”罗庆明说道。

那些年，罗庆明压力很大，不知道什么时候会有结果，但他总是带领团队持之以恒。

华中科技大学苏州脑空间信息研究所的研究人员正在对老鼠的大脑进行成像。(受访者提供图纸)

从“黑白”到“彩色”

经过八年的努力，罗庆明的团队终于开发出了显微光学切片断层成像系统，该系统于2010年底发表在《科学》杂志上，并于2011年被评为“中国科学十大进步”。

“如果我们把这个成像系统看作一个照相机，我们首先创造了一个黑白照相机，它可以拍摄老鼠大脑的黑白照片。”罗庆明说道。

从那以后，他的团队一直在取得突破，并拍摄了老鼠大脑的彩色地图。后来，地图集的颜色变得越来越丰富，显示的内容变得越来越精细。大脑结构的美丽让艺术家们惊叹不已。

然而，这种成像方法的速度非常慢，恐怕100年后也无法完成。

2016年，罗庆明团队获得江苏省、苏州市和苏州工业园区的支持，并获得4.5亿元投资，成立苏州脑空间信息研究所，实现脑地图的产业化。《自然》杂志对此进行了报道，并在学术界引起了轰动。

在研究所的洁净实验室里，研究人员用树脂包裹大鼠大脑，形成胶囊大小的“琥珀”。成像仪器的钻石刀片将浸泡在溶液中的大鼠大脑样本切割成1微米厚的切片，并在切割时拍照。老鼠的大脑被粗略地切割成10，000层，最后合成出一个三维大脑图谱。

电脑屏幕上显示的神经和血管网络密集而丰富多彩。每个神经纤维和血管都清晰可见。这是世界上最清晰的哺乳动物大脑图谱。

“我们已经在实验室老鼠身上取得了成功，并且正在挑战更先进、更复杂的灵长类动物，让它们在完成对人类大脑的精确扫描方面处于世界领先地位。”李安安说。

华中科技大学苏州脑空间信息研究所。(受访者提供图纸)

期待中国人才工程

科学家估计，老鼠大脑中有数千万个神经元，猴子大脑中有数十亿个，人类大脑中大约有860亿个。苏州脑空间信息研究所有几十台日夜工作的成像仪器。

“但是完成大脑成像绝不是一个可以通过增加机器来解决的问题。成像后的海量数据给存储和分析带来了巨大挑战。”李安安说。

据估计，人脑中的数据量相当于大约20万部4K高清电影。即使是中国最强大的超级计算机“太湖之光的神奇力量”，一组人脑数据也会填满它的存储空间。

罗庆明说，目前的计算是最大的技术瓶颈，而人脑的绘图需要等待技术的发展。

此外，李安安说，扫描人脑成像目前正面临伦理问题。“我们通常使用转基因技术和病毒标记技术来标记小鼠大脑中的神经元，但这些技术不能应用于人类大脑。”

“仍有许多技术问题需要解决，但我们相信，随着技术的发展，这些问题将会得到解决。”李安安说。

罗庆明说，在技术层面上绘制一幅精美的人脑图谱没有根本的障碍，主要问题是资金和机制的制约。改革人才评价机制，让研究人员长期安心从事研究，需要更多的投入。

罗庆明的团队被选中参加美国大脑项目，并为欧盟和其他国家的大脑项目提供数据。但是罗庆明希望中国能尽快启动脑科学项目。

据了解，脑科学和类脑科学研究已被列入“十三五”国家重大科技项目。

“我们期待着像开发“两枚炸弹和一颗卫星”一样启动中国人才计划。罗庆明说，“一旦我们有足够的资金支持并集中精力，就有可能在5到10年内获得一张详细的人脑地图。"

他说:“这项研究非常值得，并将产生100多倍的回报。它可以促进儿童教育，并促进脑部疾病如抑郁症、帕金森病和老年痴呆症的诊断和治疗。特别是在我国进入老龄化社会后，这项研究对于延缓老年疾病的发生，提高老年人的生活质量具有重要意义

“我们团队在未来10到20年的梦想是绘制一张人类大脑的地图。如果这辈子能做到，那将是一件非常值得骄傲的事情。”罗庆明说道。(记者于飞、胡哲、李波、彭霞)