破解了结构之谜，就能再造大脑吗

这位是记者张家星

大约50个大脑区域的“拼图玩具”可以形成“器官之王”——大脑。根据德国神经解剖学家Bruderman绘制的大脑区域图，大脑皮层分为52块(其中两块属于猴子)，其中1、2和3区控制体感...37区负责人脸识别...

尽管这种功能划分在脑研究和疾病治疗中发挥着重要作用，但离理解和重建大脑还很远。

不久前，“细胞”在网上发表了中国科学家利用单细胞质谱、光遗传学、分子生物学、电生理学、动物行为学等技术方法揭示的太阳辐射改善学习和记忆的分子和神经回路机制。这一发现揭示了影响大脑神经回路的因素之一，并引发了一系列关于提高智力和强化大脑的可能幻想。

越来越深入的研究使人们能够探索大脑中越来越多的秘密，但是大脑谜题一点也没有减少。大脑中有多少未知的谜题？所有的谜题都能被解答，并且在解答之后大脑能被重建吗？

人类对大脑了解多少？

不久前，“现代神经科学之父”圣地亚哥·拉蒙-卡哈尔的一些神经元在社交媒体上变得流行起来。那些现在看起来粗糙简单的神经元实际上是“你看到的就是你画的”。手绘在显微镜下显示了大脑切片的真实形状，每一个都有自己的特征，但是“尖端”在纸张没有的地方消失了。

然而，使用一系列显微光学切片断层成像技术，科学家可以观察到整个大脑中的某个细胞。华中科技大学的龚辉教授说:“以前，人们习惯手动切片并逐片扫描大脑，通过细胞染色研究神经元或神经回路。这种信息是分散的。”

新的成像技术使人类能够走出“坐在井里看天空”的切片视野。"神经元细胞原本可以跨越多个大脑区域，这让人类对大脑有了新的认识."转基因标记、断层扫描、三维重建算法等多学科整合，“使脑图谱不再是一个离散截面图像的集合，而是一个准连续、完整的脑结构和功能连接图谱，具有清晰的空间尺度和位置信息。”华中科技大学副校长罗庆明说。例如，在断层扫描之前，一种病毒被用来转染神经细胞，使它们发出荧光，这就像在黑夜中给神经元“通电”。此时，大脑中荧光标记神经元的“部署”可以通过成像系统获得。

然而，在对功能的进一步探索中，科学家发现一些神经元细胞发挥不止一种作用。“兼职”使神经回路的网络关系更加复杂。罗庆明把它比作现实中的各种网络。“就像我们有电网、供水网、公路网、通讯网一样...我们的大脑也会根据不同的需求构建多维网络。”

在这个可能的多维网络中，人们甚至还没有弄清楚神经元的类型，更不用说回路的维度了。这使得它更容易与乐高玩具竞争。我们仍然不知道哪些成分在颜色或形状上是不同的，更不用说与什么样的网络竞争，以及跨区域拼接的线索了。

至于大脑，科学家们面临着一个巨大的未知，无法想象它有多大，有多少影响因素。

“三观”能承担重建的重任吗？

大脑如此复杂，充满了谜题，我们如何得到谜题的答案？罗庆明认为，由于人脑的高度复杂性，为了实现充分揭示人脑高级功能的最终目标，神经回路的解密需要从低等动物到高等动物进行多层次、多角度的研究。业界的多层次共识是“宏观”、“中观”和“微观”。

过去，对不同形式的神经细胞进行切片、染色和显微观察是宏观研究的主要手段。现在，光、电和磁的应用使宏观研究离开了“死亡”的领域。核磁共振、正电子发射计算机断层扫描和其他脑功能成像技术的应用使得在体内进行宏观研究成为可能。

美国人脑连接计划(HCP)已经收集并公开了数千人的高质量多模态磁共振成像数据，这些数据基于5年内的年轻人。数据是“号角”。“这导致了国内外利用这些数据绘制大脑皮层精细功能图谱和整个大脑结构联系图谱的工作。”北京大学的高家红教授说。英国和其他国家也开始根据本国人民的大脑绘制宏观地图。“在未来，体现大脑信息的动态进化版本，如基因表达、化学递质、新陈代谢和其他维度，如生长和疾病，也可能被绘制出来。”高家红说，北京大学在2018年发布了中国人脑的精细结构模板，使得基于西方人结构模板的中国人脑研究变得没有必要。

从宏观到微观，人类就像“飞向大海”，面对难以想象和无法控制的数据量。中国科学院自动化研究所研究员韩华表示:“2016年初，美国高级情报研究署(IARPA)拨款2800万美元支持哈佛大学获取1立方毫米大鼠大脑突触连接的结构和功能数据。电子显微数据的数量高达PB。”

几个数字的鲜明对比表明，微观探索超出了目前人类的能力。因此，量子计算被认为是一种能够提供这种计算能力的潜在技术。

“介观”介于宏观和微观之间，也就是说，它不像微观那样“盯着局部”，而可能弥补宏观脑图谱结构和功能界面之间的空白。"不仅可以看到森林(整个大脑)，还可以看到树木(神经元)，甚至树叶(神经连接)."中国科学院神经科学研究所的研究员杜九林说，这张图片。介观研究目前处于模型动物阶段，中国将于2020年绘制斑马鱼全脑介观图。

如何在再造中加入“灵魂”？

然而，在“三视图”研究之后，我们能重建大脑吗？

面对两堆距离、新鲜度、香味和数量相同的稻草，驴子会怎么选择？答案是随机的。机器将如何选择？它不会选择，它只会无休止地计算，直到它倒下。

中国科学院院士、量子物理学家潘建伟在演讲中表示，经典算法很难实现随机性。

这种所谓的“随机”对于生物来说非常简单，但对于无生命的物体来说却是遥不可及的。相似性如何走向相似性将成为“重构”中最令人困惑的部分。

在“三个观点”之后，你需要添加一些“灵魂”吗？科学家也偶尔会问一些问题，比如“在生物死亡时，大脑中是否有任何未知的物质发生了变化？”最著名的实验来自美国医生邓肯·麦克杜格尔，他用灵敏的平衡木测量出灵魂的重量约为21克。

这是记忆和思维方式吗？那么，死亡带走或改变了什么？由于目前的研究方法仍然是基于脑组织的体外检测，这样的问题总是无法调查。

目前，也有科学家在探索定位、跟踪和观察生物脑电图的方法。例如，中国科学院神经研究所研究员杜九林的团队已经实现了对斑马鱼捕食和游泳时神经细胞电磁信号的观察，但准确性仍有待提高。也许宏观脑区域检测技术的未来变化将发生在介观或微观。当有可能检测到活体而不是标本时，人类对大脑的认识可能进入一个新的世界。

然而，有一点是肯定的:人脑的重建将不仅限于神经科学家的研究领域，甚至可能涉及所有科学力量，如物理、化学和计算。