解构亿万脑回路 各国相继推出人脑研究项目

美国和欧洲都计划投资数十亿美元来了解大脑是如何工作的。然而，研究中面临的技术挑战是巨大的。

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加州斯坦福大学医学院的神经生物学家比尔·纽瑟姆接到了美国国家卫生研究院院长弗朗西斯·柯林斯的电话。他的第一反应是恐慌。柯林斯突然联系他，问纽瑟姆是否愿意共同主持一个为期10年的大脑研究项目。

对Newsome来说，这听起来像是一份吃力不讨好、无组织且繁琐的工作，会毁掉一个美好的夏天。然而，经过24小时的思想斗争，纽瑟姆对工作的热情终于战胜了恐慌。他接受了这项任务。纽瑟姆说:“时机很好。在21世纪，研究大脑是学术界一个有趣的话题。”

早在4月2日，美国总统巴拉克·奥巴马就宣布计划投资1亿美元启动“大脑项目”，该项目旨在研究大脑，最终成本可能是预算的10倍。同样，欧盟委员会也有类似的雄心。今年年初，欧盟委员会宣布将启动其旗舰项目“人类大脑项目”，该项目2013年预算为5400万欧元(6900万美元)，未来10年将获得10亿欧元。

尽管美国和欧盟的大脑项目目标不同，但事实上，它们都指向神经科学家的终极问题:如何在人脑中组织数十亿个神经元和数万亿个连接或突触，以形成有效的神经回路，从而使人类能够坠入爱河、开战、解决数学定理或写诗。此外，研究人员还想知道大脑中的神经回路如何变化。

为了实现这一目标，新技术(如纳米技术、遗传学、光学等。)来捕捉神经元之间发生的脑电活动，然后刺激这些神经元找出它们的工作状态，并画出详细的潜在结构回路等。芝加哥西北大学的神经科学家康拉德·科丁说:“人脑在30秒内产生的数据量相当于哈勃太空望远镜一生中产生的信息量。”

研究人员已经在寻找一些切入点来解决这个问题。在过去的几年里，人们也见证了惊人的技术进步。例如，科学家已经构建了极其精确的人脑解剖图。到目前为止，大多数神经科学家都在用更简单的物种如老鼠或蠕虫来研究一些基本原理。在这里，《自然》杂志审视了一些帮助人们更好地理解大脑如何工作的技术进步。

测量神经元

如果研究人员想了解流经大脑回路的电信号，他们需要同时记录尽可能多的神经元。

目前，研究人员主要通过在大脑中嵌入金属电极来测量神经元的活动。但是这种方法伴随着巨大的挑战。每个电极都需要导线来测量模拟信号——电压变化，但信号在传输过程中很容易丢失或失真。

此外，电线必须像头发一样细，以避免组织损伤。电极技术的进步使得同时记录数百个神经元成为可能。但是为了解决这个终极难题，研究人员需要探测尽可能多的细胞，并捕获更好质量的信号。

由硅制成的新一代神经探测设备(具有极度小型化的特点)的出现使这一切成为可能。今年2月，这种神经探索装置的原型(只有1厘米长，像一张美元钞票一样薄)在加州旧金山举行的国际固态电路会议上亮相。该设备由Imec(总部位于比利时鲁汶)推出，这是一家专门从事纳米电子学的组织。

当该设备嵌入到鼠标的大脑中时，Imec设备上的电极可以同时记录鼠标所有大脑皮层的信息。这有助于神经科学家分解大脑中相互连接的复杂回路。Imec生物和纳米电子学主管彼得·普曼斯说:“这个原型可以扩展。”在3年内，这种神经探测装置将有多达2000个电极和200多根电线。

画一张地图

研究人员一直在收集有关神经元活动和回路的信息，这对于绘制一幅可靠且高度详细的大脑解剖图是必要的。

一个多世纪以来，各种绘制神经解剖图的方法一直试图将大脑切成尽可能薄的切片，然后科学家将在光学显微镜下仔细研究这些切片。然而，通过计算方法将这些数量惊人的切片有序排列(以便在人脑中重建复杂的神经网络)是极具挑战性的。

然而，德国胡里奇研究中心的卡特琳·阿蒙茨和他的同事们宣布，他们上个月已经完成了这项艰巨的任务。

研究人员通过切片和分析一名65岁女性的大脑样本，制作了迄今为止最详细的完整三维脑地图。人脑地图是由7400个脑切片汇编而成的，每个切片的厚度为20微米。在光学显微镜成像之后，两台超级计算机花了1000个小时来处理包含数万亿字节的数据。

阿蒙茨说整个项目花了10年时间。目前，阿蒙茨和她的同事们已经开始致力于下一个专注于个体差异的人类大脑项目，她预计新项目会进展得更快。

了解大脑数据处理功能

也许人脑研究中最大的挑战在于弄清楚大脑是如何储存和处理数据的。哈佛大学的杰夫·李奇曼和德国马克斯·普朗克神经生物学研究所的温弗里德·登克通过新显微镜获得的电子显微镜信息显示，大脑组织仅用1立方毫米就能处理2000兆字节。

登克估计，一个完整的老鼠大脑可以产生60个节拍字节的信息，而人类大脑可以处理200个ai字节的信息。李奇曼说，数据量相当于今天整个世界的数据量，包括脸书和所有其他大型数据储存库。

这只是开始。神经科学家最终将收集人脑的解剖信息(每个大脑的解剖信息都是独一无二的)，并逐层分析其背后的神经活动。科学家需要存储和系统地组织这些不同的数据模式，以便进一步探索大脑的奥秘。

欧洲的人脑项目旨在提供一个人脑模拟环境，以便研究人员能够与它实时互动，这是另一个层次的需求。西班牙巴塞罗那超级计算中心的耶稣·拉巴塔·曼科是人类大脑工程的合作伙伴之一，他说:“我们面临的挑战之一是开发一种计算机语言来更有效地利用超级计算机。”

目前，一些实验需要同时刺激不同大脑区域的不同部分，而超级计算机很难满足这一需求。因此，有必要开发一种新的方法，使超级计算机能够压缩其部分区域的信息，以便集中精力解决迫切需要解决的问题。

即使超级计算机能够包装和处理数据，理论家们仍然需要思考他们应该问什么问题。葡萄牙里斯本尚巴利莫德未知探索中心的理论神经学家克里斯蒂安·马钦斯说:“这首先是一个鸡还是蛋的问题。一旦我们了解大脑是如何工作的，我们就会知道如何处理数据。”

这项任务的规模和数量是理论家们争论的焦点。像许多人一样，科尔丁认为有太多的事情要做。他说:“相比之下，谷歌搜索就像一个儿童游戏。大脑中神经元的数量大致相当于互联网页面的数量。但问题是，互联网的页面是以直线连接的，每个神经元都连接到数千个神经元，而不是直线。”

然而，纽约冷泉港实验室的生物数学家帕萨·米特拉认为，要完全理解大脑如何工作，最大的挑战来自社会学。他说:“追踪大脑的工作方式不同于追踪希格斯玻色子。每个希格斯玻色子都和同一个目标一起运动。例如，团队中的每个人在设定团队目标时都会畅所欲言，一旦设定了目标，他们就会严格自律，共同完成团队目标。”

正如纽森所料，设定这些项目目标花费了他几乎整个夏天的时间。目前，他正在参加一系列旨在为美国“大脑项目”设定研究目标的专家研讨会，并修订将于9月发布的“大脑项目”研究报告。他说，该报告不能确保所有与大脑相关的问题都得到解决，但它将使研究走上正轨，并有可能在未来回答这些问题。

纽瑟姆说:“我们最终会理解大脑神经元活动对人类行为的影响，这对我们至关重要。”(段鑫)

《中国科学报》(2013-07-24，第三版国际版)