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神經(jīng)科學(xué)是一個派別林立的領(lǐng)域,。全球大約有10000家實驗室在研究大腦的各種問題，但彼此間跨越了廣闊的時空尺度,，并涉及不同動物的種屬,、行為和發(fā)育期時間點。在任何一個大型神經(jīng)科學(xué)會議上,，你會為新發(fā)現(xiàn)的速度所震驚,，這是超過50000人的各個領(lǐng)域的科研人員在遠(yuǎn)離彼此的情況下做出的，而這就如同一種科學(xué)大爆炸,。 雖然這種獨立性是必要的,，但它也是神經(jīng)科學(xué)進(jìn)入一個更加成熟階段的障礙，而這個階段涉及到開展共同標(biāo)準(zhǔn)的制定和協(xié)作項目的規(guī)劃,。神經(jīng)生理學(xué)家更傾向于互相借用彼此的“牙刷”而不是彼此的數(shù)據(jù)和軟件,；生理學(xué)結(jié)果通常被積壓起來，而很難通過在線獲??；分子化合物和轉(zhuǎn)基因動物也只有在文章發(fā)表后才能分享。所有這些都使實驗室之間很難互相比較,，并且使進(jìn)展放緩,。
在華盛頓州西雅圖的艾倫腦科學(xué)研究所里，我們及同事們正忙于開展一個社會神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域的實驗--這一努力將會帶動研究所里的數(shù)百位科學(xué)家,、工程師和技術(shù)人員。慈善家保羅.G.艾倫于2003年建立這家研究機(jī)構(gòu),，曾承諾為一個將會極大促進(jìn)神經(jīng)科學(xué)進(jìn)步的野心勃勃的十年計劃的最初的四年投入3億美元,，而迄今他所答應(yīng)投入的資金已達(dá)5億美元,。我們的意圖就是吸引最棒的年輕科學(xué)家并且建立一系列“大腦的瞭望臺”，目的就是在小鼠大腦最外層的的大腦皮層實現(xiàn)：識別,、記錄和干預(yù),。與那些點對點的觀測遙遠(yuǎn)時空事件的望遠(yuǎn)鏡不同，我們的儀器能夠追蹤只有一微米厚的組織薄層里錯綜復(fù)雜的神經(jīng)環(huán)路的信息流,。 我們的目標(biāo)就是綜合所有相關(guān)學(xué)科的知識----從基因組學(xué),、解剖學(xué)和生理學(xué)到計算機(jī)建模----從而形成一個揭示小鼠如何利用其大腦皮層獲得視力的詳盡的理論。依照艾倫在創(chuàng)始時的要求,，我們將會策展和公開發(fā)表分享所有的免費(fèi)數(shù)據(jù)和其它資源（如轉(zhuǎn)基因動物,、探針和神經(jīng)元形態(tài)圖譜），甚至在正式發(fā)表之前,。 我們相信,，這一舉措將標(biāo)志著這個一直盛行小團(tuán)體的領(lǐng)域的大科學(xué)時代的到來。為了促進(jìn)集體協(xié)作效應(yīng),，需要我們對整個團(tuán)隊進(jìn)行激勵,，而不是少數(shù)幾個研究人員。我們預(yù)計在不久的將來,，先進(jìn)而裝備精良的大腦瞭望臺----“大腦望遠(yuǎn)鏡”---將會輔助許多大學(xué)的神經(jīng)科學(xué)實驗室,，從而繼續(xù)做出大量發(fā)現(xiàn)。 雖然研究所的項目將集中于小鼠的視覺刺激上,，它也會涉及大腦高級功能的基礎(chǔ)方面：感知,、自覺的意識和決策，以及它們?nèi)绾螌?dǎo)致活動,。一旦神經(jīng)科學(xué)家了解了小鼠的基本機(jī)制,，他們將能開始理解包括人類在內(nèi)的其它動物的更復(fù)雜的感知活動。簡言之,，我們相信,，這個項目能偶革新我們對哺乳動物大腦的認(rèn)識。
展望2020 大腦瞭望臺的原初計劃側(cè)重于大腦皮層上----即總所周知的“灰質(zhì)”,，這一區(qū)域是哺乳動物的標(biāo)志之一,，也是認(rèn)知和智力的處所。相較于其體積,，皮質(zhì)是現(xiàn)知宇宙里有組織物質(zhì)中最復(fù)雜的一塊,。但是僅依靠一小塊皮質(zhì)，我們很難分辨出它到底取自哪種哺乳動物,。我們都用于相同的基礎(chǔ)硬件-----人類的只不過恰巧比小鼠的大一千倍罷了,。（參見“人與小鼠”）  這個項目將從皮層神經(jīng)元的解剖學(xué)開始，利用分子技術(shù)來統(tǒng)計并歸類視皮層中起傳遞信息進(jìn)進(jìn)出出的多樣的細(xì)胞叢，以及那些完全位于皮層深部的神經(jīng)元,。然后我們將觀測一定規(guī)模的這些神經(jīng)元的電活動,，已了解皮層的功能是如何與其結(jié)構(gòu)相一致的。這是一個大問題,，但是只要你認(rèn)識到皮層只不過是有許多基本的局部環(huán)路組成的話,，就能少些畏懼。 磁共振成像技術(shù)的應(yīng)用徹底變革了對人類大腦的研究,，從而揭示了大腦區(qū)域的激活時即時的,。然而，相關(guān)的信號又慢又模糊,，并且大腦區(qū)域也不是神智的組成模塊---而擁有極大復(fù)雜性的神經(jīng)元,，才是感知和思想的“原子”。 幸運(yùn)的是,，科學(xué)家現(xiàn)在能夠應(yīng)用基因工程使神經(jīng)元發(fā)放熒光從而在活體上研究哺乳動物的單獨一個神經(jīng)元,。神經(jīng)元能夠經(jīng)過改造從而在被激活時發(fā)出閃光，或者運(yùn)用最近熱門的光遺傳學(xué)技術(shù),，用光來操縱細(xì)胞（被《自然方法》推薦為2010年度方法）,。如此，研究人員可以在特定的時刻暫時性或可逆性地控制特定細(xì)胞類型的一些事件,。對神經(jīng)系統(tǒng)的擾動讓神經(jīng)科學(xué)從相關(guān)性轉(zhuǎn)移到了因果性,，從觀察無論動物是否有決策時的特定環(huán)路的激活情況，轉(zhuǎn)移到了推斷這一環(huán)路是否是決策機(jī)制所必需的,。 其它的技術(shù)進(jìn)展也使神經(jīng)科學(xué)家能運(yùn)用三維電子顯微鏡觀測環(huán)路中的每個軸突,、樹突和突觸。視覺-腦項目中的另一個平臺是用來同時記錄上千個神經(jīng)元的電活動,。若所有這些技術(shù)都整合起來的話,，你就能夠想象整個大腦區(qū)域的完整的生理和結(jié)構(gòu)特性。 最后,，我們將應(yīng)用所以這些信息以形成小鼠皮層及其相關(guān)結(jié)構(gòu)的切合實際的和動態(tài)的計算機(jī)模型,，并用這些模型來構(gòu)建視皮層是如何活動的理論。模型的靈活性將會成為實驗室之間交流的一個窗口從而讓實驗人員能夠容易的交融,。這應(yīng)該能縮短預(yù)測和實驗驗證之間的時間,，而這一個良性循環(huán)會反復(fù)進(jìn)行指導(dǎo)模型能夠忠實地再現(xiàn)數(shù)據(jù)。
數(shù)字危機(jī) 雖然神經(jīng)科學(xué)家在過去120年間一直探索哺乳動物大腦的組成部分,，我們依舊無法理解高級腦活動如何發(fā)生的,。然而這一認(rèn)識是至關(guān)重要的，尤其是因為個人,、家庭和社會中罹患神經(jīng)系統(tǒng)損傷和功能紊亂的人數(shù)極為龐大,。 雖然挑戰(zhàn)可能看是讓人畏懼，但我們卻也不是第一個提出這種龐大項目的。譬如,，由洛桑的瑞士聯(lián)邦技術(shù)研究所的亨利.馬克拉姆領(lǐng)導(dǎo)的歐洲人類大腦計劃,，就希望能夠帶領(lǐng)22個國家的大約150位獨立研究員一起創(chuàng)造小鼠,、大鼠,、猴子和人類大腦的可運(yùn)行的計算機(jī)模型。而艾倫研究所的大腦瞭望臺項目的不同在于我們集中于一種感覺,、一種物種,、以及一種框架。 我們明白這種耗資巨大的計劃會招致批評：所需要的資源能夠支持上百個其它項目,，所以為何還要如此集中?我們的回應(yīng)是基金支持機(jī)構(gòu)已經(jīng)花費(fèi)了數(shù)十億美元支持生物醫(yī)學(xué)研究的所有領(lǐng)域的很多稍小的計劃,，而艾倫研究所希望開辟一種新的方式。我們希望通過整合各種技術(shù)的知識和規(guī)模來了解一片腦組織,，而不是廣泛的分散資金,。 誠然，我們也可能會面臨這個計劃不能實現(xiàn)我們所期望的目的的風(fēng)險,，以及各種大腦瞭望臺項目---如解剖學(xué),、生理學(xué)和模型構(gòu)建等等---或許不能協(xié)同起來形成小鼠視皮層的一個成熟的認(rèn)識。我們也沒有神經(jīng)科學(xué)是否準(zhǔn)備好成為大科學(xué)的保證---所以,，解決這一問題的唯一途徑就是去嘗試,。 焦點人物： 克里斯托弗.科赫（Christof Koch）任職于艾倫腦科學(xué)研究所和加州理工學(xué)院 R. 克萊.里德（R. Clay Reid ）任職于哈佛醫(yī)學(xué)院，這個暑假將加入艾倫研究所
1. Nature Methods 8, 1 (2011). |
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