打造戰略科技力量，為大腦繪制地圖：《中國經(jīng)濟大講堂》“對話(huà)”駱清銘院士
發(fā)布人：傳感器技術(shù)
時(shí)間：2022-09-15
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2021年國際權威期《Science》發(fā)布125個(gè)最前沿的科學(xué)問(wèn)題，其中有22個(gè)問(wèn)題與腦科學(xué)相關(guān)。人的大腦中有大約1,000億個(gè)神經(jīng)元，它們互相連接構成一個(gè)復雜的網(wǎng)絡(luò )，指揮著(zhù)我們的思維和行動(dòng)，左右著(zhù)我們的喜怒哀樂(lè )，怎樣才能清晰的了解它的工作原理，甚至看到它的工作狀態(tài)，這些問(wèn)題都需要我們有一張清晰的大腦運行腦圖譜，在這方面中國的科學(xué)家已經(jīng)取得了原創(chuàng )性的研究成果。
如何為大腦繪制清晰的地圖，給探索大腦奧秘指引方向，破解大腦之謎將會(huì )如何造福人類(lèi)。《中國經(jīng)濟大講堂》走進(jìn)海南大學(xué)，特邀中國科學(xué)院院士駱清銘深度解讀“打造戰略科技力量”之《為大腦繪制地圖》。
一
繪制腦連接圖譜的科學(xué)史
1906年諾貝爾獎授予了兩位神經(jīng)科學(xué)家，叫做高爾基和卡哈爾?？ü栍酶郀柣l(fā)明的染色的方法，對腦片進(jìn)行染色。染色之后，卡哈爾根據他想象的結果，把腦子里的神經(jīng)元形態(tài)給繪畫(huà)出來(lái)。一個(gè)多世紀以來(lái)，目前我們在大學(xué)里用的教材，關(guān)于神經(jīng)元的認識，都還是卡哈爾那個(gè)時(shí)候畫(huà)的。實(shí)際上一個(gè)多世紀以來(lái)，大家對腦子里頭神經(jīng)元的認識還是基于當時(shí)卡哈爾和高爾基的工作，因此他們的工作被稱(chēng)為現代神經(jīng)科學(xué)的起點(diǎn)，標志著(zhù)現代神經(jīng)科學(xué)的誕生。
在卡哈爾之后，科學(xué)家們用卡哈爾切片的方式，試圖從三維的角度來(lái)理解大腦大概是分成什么區域，德國解剖學(xué)家布羅德曼，曾經(jīng)把大腦分成52個(gè)不同的區域。進(jìn)入20世紀的后半葉，德國的于利希研究所，在此基礎上又通過(guò)三維層面上把大腦分成120多個(gè)區域。美國在2009年也啟動(dòng)了人類(lèi)腦連接組計劃，基于核磁共振成像，在宏觀(guān)的尺度上去分析大腦不同腦區的連接關(guān)系。以上研究雖然取得了很多令人興奮的成果，但是總體來(lái)講，人類(lèi)對腦的認識還是非常粗淺。
1962年諾貝爾獎獲得者，弗朗西斯·克里克曾在《Nature》上發(fā)表文章，說(shuō)到?jīng)]有人類(lèi)大腦連接圖譜，很難有希望理解我們的大腦是如何工作的。要理解弗朗西斯·克里克所說(shuō)的腦連接圖譜，需要我們更細致的去分析大腦中神經(jīng)元和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )到底是一個(gè)什么樣的分布，它是如何工作的？
二
繪制腦連接圖譜的挑戰
腦子里神經(jīng)元到底長(cháng)什么樣？這里展示皮層的單個(gè)神經(jīng)元，我們可以看到這些神經(jīng)元的胞體是朝著(zhù)各個(gè)方向很豐富的投射，可以把腦子里的神經(jīng)元比喻成一棵樹(shù)，有樹(shù)冠（樹(shù)突），它接收信號，還有很多樹(shù)根（軸突），這個(gè)樹(shù)根很長(cháng)，它可以擴展到很多地方，它就會(huì )把信息傳遞到其他的地方。小鼠大腦中一個(gè)神經(jīng)元的軸突長(cháng)度有20厘米，而人腦里頭的單個(gè)神經(jīng)元的軸突長(cháng)度可以達到差不多200米，因此從連接來(lái)講這是一個(gè)非常復雜的一個(gè)過(guò)程。為揭開(kāi)大腦奧秘，科學(xué)家們從未放棄給大腦繪制地圖，但人腦的復雜程度超乎想象，要想清楚的分辨出單個(gè)神經(jīng)元，并理清楚它們之間的連接方式是一項極其艱巨的工程，這相當于給一個(gè)擁有千億棵樹(shù)木的巨大森林，拍攝超精細的三維立體照片。既要能看全整個(gè)森林，又要能看見(jiàn)每一棵樹(shù)，甚至還要能看清楚每一根樹(shù)枝，每一片樹(shù)葉。
過(guò)去的100多年當中，科學(xué)家在腦連接圖譜方面做了很多的工作，從局部的到整個(gè)全腦，從二維的發(fā)展到三維，其中用到了光學(xué)成像切片的技術(shù)，也用了磁共振成像的技術(shù)，但是最終還是沒(méi)有畫(huà)出弗朗西斯·克里克想要的這種很精細連接圖譜。人類(lèi)現在的所有成像技術(shù)都還無(wú)法對全腦的神經(jīng)連接進(jìn)行測繪，一個(gè)多世紀以來(lái)繪制人腦地圖的工作幾乎毫無(wú)進(jìn)展。
三
繪制腦連接圖譜的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題
駱清銘院士團隊開(kāi)發(fā)的顯微光學(xué)切片斷層成像系統（MOST），可以非常精細的切削小鼠的大腦，同時(shí)自動(dòng)拍攝識別出全腦的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )和血管數據，但是要想看清楚這些照片也不是一件容易的事情。第一個(gè)問(wèn)題看的見(jiàn)的問(wèn)題，也就是照片中如何獲得自己感興趣的信息，這需要我們對信息進(jìn)行特異性的標記，讓被觀(guān)測的對象能夠產(chǎn)生足夠的對比度。
除了看得見(jiàn)之外，第二個(gè)問(wèn)題是還要看得清楚。通常的標記以后，神經(jīng)元的胞體和突起纖維的亮度會(huì )相差3~4個(gè)數量級，那么是對成像技術(shù)的挑戰。只有突破了成像過(guò)程中的這些技術(shù)問(wèn)題，我們才能夠真正的通過(guò)那些顯微照片，看得見(jiàn)看得清大腦的微觀(guān)結構。
對鼠腦的冠狀面的一個(gè)切片進(jìn)行成像，要20×10個(gè)馬賽克（像素塊），就是200個(gè)馬賽克才能夠成像，那么如果是一個(gè)完整的人腦的一個(gè)切面，可能要52,000多個(gè)像素塊，這就需要很多的工作，如果是要變成一個(gè)三維的一個(gè)腦子，假如說(shuō)以一個(gè)成人腦的尺寸，就是14厘米乘9.3厘米乘16.7厘米，可能需要的像素塊達86億個(gè)，想在這么大的一個(gè)范圍內看的全，分辨出每一個(gè)神經(jīng)元、每一條毛細血管的要求就特別高。
當然除了看得見(jiàn)，看得清，看得全之外，我們還要能看得懂。也就是說(shuō)有一堆數據在這，一堆圖片在這，這是不夠，我們還要對它進(jìn)行分析，這里就涉及到計算的問(wèn)題。1個(gè)鼠腦的數據量大概是8個(gè)TB（太字節）的數據量，而人腦可能到幾十個(gè)PB（拍字節），那幾十個(gè)PB是什么概念？如果用現在的光盤(pán)存儲這些數據，那這些光盤(pán)壘起來(lái)的高度可能會(huì )超過(guò)珠穆朗瑪峰，這么大的數據，要讀取它，要分析它，最后還要把感興趣的結果展示出來(lái)，這個(gè)對我們的計算機的技術(shù)提出了非常大的挑戰。四
繪制腦連接圖譜的應用范圍
我們的團隊大概2000年的時(shí)候就開(kāi)始這方面的工作，做了差不多10年，我們就發(fā)展出第一代成像技術(shù)，叫做顯微光學(xué)切片斷層成像系統。通俗一點(diǎn)說(shuō)就是一個(gè)相機，這個(gè)相機能夠對腦子的三維結構進(jìn)行成像，這是在國際上第一次實(shí)現可以分辨出每一個(gè)神經(jīng)元的一個(gè)成像技術(shù)。 我們的團隊在20多年的時(shí)間內攻克了一個(gè)又一個(gè)的難關(guān)。在今年3月份，《Nature Neuroscience》期刊以封面文章發(fā)表了一篇論文《小鼠前額葉單神經(jīng)元投射圖譜》（本公眾號次條推文詳細解讀這項研究成果），這個(gè)工作是中科院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越研究中心，上海腦科學(xué)與類(lèi)腦研究中心，神經(jīng)科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗室我們華中科技大學(xué)蘇州腦空間信息研究院，武漢光電國家研究中心，大家一起合作做的一個(gè)工作。這個(gè)工作我們針對161只小鼠的全腦進(jìn)行了成像，然后從中我們重構出了6000多個(gè)前額葉神經(jīng)元它的軸突的形態(tài)，我們就可以看到這些神經(jīng)元從哪來(lái)到，哪里去。它的形態(tài)是什么樣子，我們對它進(jìn)行了分析，分出了64個(gè)神經(jīng)元的亞型。由于我們發(fā)展的一系列的技術(shù)，所以在國際上就引起了我們同行的一個(gè)重視。所以在國際上有很多著(zhù)名的實(shí)驗室都來(lái)跟我們合作。
如果我們對腦子里頭這些腦地圖清楚，那么對于我們去理解腦，和對腦疾病進(jìn)行治療也會(huì )有幫助。比方說(shuō)像癲癇、帕金森等一些重大的腦疾病，被認為是腦子里某些特定的神經(jīng)環(huán)路出了問(wèn)題。如果知道了這些出來(lái)問(wèn)題的環(huán)路連接，那我們有可能去阻斷這些環(huán)路，或是修復這些環(huán)路，對于我們治療疾病很有幫助，事實(shí)上現在臨床醫學(xué)上也在發(fā)展類(lèi)似的技術(shù)。
另外一方面是類(lèi)腦智能，也就是計算機怎么樣像人一樣的思考。事實(shí)上在計算機發(fā)展的早期，無(wú)論是圖靈還是馮·諾依曼，他們在做這些東西的過(guò)程當中，就已經(jīng)在思考這些問(wèn)題?，F在我們計算機里的二進(jìn)制0和1，實(shí)際上也是對應神經(jīng)原理的靜息和興奮兩種狀態(tài)。所以這也是為什么現在大家一直非常關(guān)注類(lèi)腦智能，大家都很希望進(jìn)一步通過(guò)對腦的認識，我們能夠去設計一些腦的思維信息處理模式，用于我們發(fā)展新一代的類(lèi)腦的計算機。
在美國腦計劃里，其中有一個(gè)工作叫做BICCN，它的核心的任務(wù)就是對腦子里的神經(jīng)元進(jìn)行普查，到底有多少個(gè)神經(jīng)元，然后對它進(jìn)行分型，對于神經(jīng)元到底分多少類(lèi)？這神經(jīng)元長(cháng)得什么樣？那么這些神經(jīng)元從哪來(lái)到哪去，相互之間是什么聯(lián)系，那么這是它很基礎性的數據。這里頭所有跟單神經(jīng)元形態(tài)方面的工作，這些數據的獲取都是在我的實(shí)驗室完成的。
可能大家想問(wèn)把這些形態(tài)搞清楚以后到底有什么用？那我想還是那句話(huà)，一方面對于我們疾病診斷治療能夠提供一些重要知識。另外一個(gè)方面了解這些神經(jīng)元所組成的網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行信息處理的機制，有助于我們未來(lái)去進(jìn)一步優(yōu)化人工智能類(lèi)腦智能的一些算法。所以了解真實(shí)世界的真實(shí)大腦的網(wǎng)絡(luò )的運算的模型，對于我們未來(lái)發(fā)展智能技術(shù)是具有非常重要的意義。其實(shí)無(wú)論是美國腦計劃還是歐盟腦計劃，這都是他們的重要目標之一。
五
繪制腦連接圖譜的是勢在必行的大科學(xué)工程
當然我們也深知要繪制一個(gè)真正高質(zhì)量的腦地圖，它是一個(gè)非常重大的科學(xué)工程，繪制大腦地圖一直是科學(xué)家的夢(mèng)想。悉尼·布倫納因為繪制了線(xiàn)蟲(chóng)全部300個(gè)神經(jīng)元的連接圖譜拿了諾貝爾獎。在這之后大家又花了很多的時(shí)間做果蠅，果蠅大概有10萬(wàn)個(gè)神經(jīng)元，目前來(lái)說(shuō)對它的解析還不到一半。果蠅之后是斑馬魚(yú)，然后再到非人靈長(cháng)類(lèi)，總之大家一直是在想各種辦法，科學(xué)家一直在不懈的去努力，想去繪制出這個(gè)神經(jīng)的連接圖譜。那么我個(gè)人認為繪制腦地圖是一個(gè)勢在必行的大科學(xué)工程。
那么理想的這個(gè)腦地圖到底應該是什么樣？我想是有這幾個(gè)方面：第一個(gè)是應該在一個(gè)介觀(guān)的分辨水平，這里的介觀(guān)指能夠分辨出每一根神經(jīng)元，每一條毛細血管，這么一個(gè)分辨水平，從物理的尺度一般都是微米或亞微米的水平。第二個(gè)方面是要繪制這個(gè)腦地圖必須是全景的，也就是說(shuō)是在全腦的范圍。第三個(gè)方面是不光是在全腦，不光是把它連接繪制出來(lái)，還要有精準的定位，也就是說(shuō)它的位置在哪里？在哪些腦區。第四個(gè)方面就是要有特異性，就好說(shuō)在這個(gè)地圖里頭，鐵路在哪，公路在哪，這個(gè)水路在哪。當然更進(jìn)一步的話(huà)，是把它的時(shí)間動(dòng)力學(xué)特征能夠拿出來(lái)。
事實(shí)上現在的很多研究表明，我們特定的腦功能，像視覺(jué)、運動(dòng)、甚至意識等都會(huì )對應特定的腦網(wǎng)絡(luò )。雖然我們經(jīng)常說(shuō)腦的連接和活動(dòng)，它的時(shí)間、空間都是不斷的演化的，能量和信息也是高度耦合的，對我們解析這些行為帶來(lái)了很大的挑戰。但是我們還是有理由相信，理解最基本的這些腦連接圖譜，它所處的位置，它的作用，可以為最后實(shí)現保護腦和創(chuàng )造腦，就打下了非常好的基礎。當然在這個(gè)過(guò)程當中，如果我們把組學(xué)的一些信息，比如轉錄組、蛋白組、代謝組，如果把這些信息加上去當然就更好，那么這就好比我知道這條路，那么這個(gè)這條路上到底跑的是小汽車(chē)，還是跑的是貨車(chē)，還是跑的是火車(chē)，甚至是說(shuō)我這些車(chē)里頭運載的什么貨物，如果說(shuō)我們知道的這些當然更好。
總之來(lái)說(shuō)對于繪制腦圖譜這件事情它的意義是非常大的，那么我自己因為在這個(gè)基礎上經(jīng)過(guò)了多年的努力，我提出了一個(gè)新型的交叉學(xué)科，叫做腦空間信息學(xué)，所謂腦空間信息學(xué)是說(shuō)去示蹤、測量、分析、處理和呈現，具有明確空間定位信息的全腦三維時(shí)空信息數據，這是一個(gè)綜合集成的一個(gè)科學(xué)。
借今天這個(gè)機會(huì )，我想呼吁我們全社會(huì )能夠更加重視和支持原創(chuàng )性的基礎研究，我也想呼吁大家更加重視新技術(shù)新方法的研究。當前美國、歐盟和我們中國都相繼啟動(dòng)了腦科學(xué)研究計劃，還有很多其他的一些發(fā)達國家和國際組織也充分認識到了腦科學(xué)研究的重要性，大家都在努力去爭搶這個(gè)國際競爭的技術(shù)制高點(diǎn)。那么中國的科學(xué)家也完全有能力在腦科學(xué)與類(lèi)腦研究，特別是腦地圖的繪制方面，能夠搶占這個(gè)技術(shù)的制高點(diǎn)。來(lái)源：腦機接口社區
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