神秘的大腦（140129）

閔應(yīng)驊

大腦的研究被列為IEEE 2014十大技術(shù)創(chuàng)新之第五,。大腦很神秘,、很復(fù)雜，人類(lèi)對(duì)它有很多猜想和推測(cè),，也可能是感想,，但真正建立在科學(xué)基礎(chǔ)上的結(jié)論，少之又少,。那么,，怎么研究呢？IT行業(yè)的人能干什么呢？記得在做基金委SOC重大專(zhuān)項(xiàng)的時(shí)候,，東南大學(xué)王志功教授做老鼠神經(jīng)試驗(yàn),，看集成電路能不能傳遞神經(jīng)信號(hào)。這是一項(xiàng)很有新意的研究,。人腦的研究無(wú)疑是非常值得探索的課題,。

大腦很神秘，它的細(xì)胞比銀河系星球還要多,，相互聯(lián)結(jié)更復(fù)雜,。細(xì)胞之間的電氣和化學(xué)活動(dòng)，研究了幾十年不知道怎么會(huì)變成我耳朵里的音樂(lè),。我們既不能模型化情感,，也不能使癡呆病人保持原先的感覺(jué)幾十年。開(kāi)始回答這些問(wèn)題是一個(gè)驚人而又宏偉的腦研究項(xiàng)目,。美國(guó)奧巴馬總統(tǒng)在2013年4月宣布第一年1.1億美元的計(jì)劃,，分配給國(guó)家衛(wèi)生研究院（NIH），國(guó)家科學(xué)基金委（NSF）和美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃署（DARPA）,。四個(gè)私人研究機(jī)構(gòu)也答應(yīng)在2014年投入1.22億美元進(jìn)行腦研究,，從而形成一個(gè)世紀(jì)的研究項(xiàng)目。

最早,，人們只是研究新的工具,，去記錄幾個(gè)神經(jīng)元之間的腦電活動(dòng)，企圖最后能夠記錄整個(gè)大腦的功能圖,。根據(jù)這個(gè)圖,，科學(xué)家們能夠更多地了解大腦生物學(xué)：了解當(dāng)人們思想和感覺(jué)的時(shí)候大腦發(fā)生了什么，以及某些失靈怎么會(huì)變成疾病,。這個(gè)想法老早就有,，但直到今天，技術(shù)的和計(jì)算的能力才達(dá)到可能解決這些問(wèn)題的程度,。人腦很神奇,，感情、記憶,、行動(dòng),，一個(gè)細(xì)胞的集合怎么能做這么多？不論多么老資格的神經(jīng)科學(xué)家都感嘆如此神奇的一個(gè)生物部件,。

現(xiàn)在的人腦分析工具比較粗糙,，不可能詳細(xì)記錄神經(jīng)活動(dòng)，但是,，大規(guī)模,、細(xì)粒度描繪是否現(xiàn)實(shí)呢,？譬如，現(xiàn)在的神經(jīng)學(xué)可以記錄斑馬魚(yú),，有8萬(wàn)神經(jīng)元,，但不能用于人腦。因?yàn)槔鲜筮€有7500萬(wàn)神經(jīng)元,，而人有860億神經(jīng)元,。即使你能記錄所有這些信息，你能做什么呢,？相比之下,，基因組大數(shù)據(jù)也不過(guò)是小菜一碟。許多人認(rèn)為,，這個(gè)項(xiàng)目野心太大,，不實(shí)際。為此,，NIH,、NSF、DARPA開(kāi)了一系列的會(huì)來(lái)討論這個(gè)項(xiàng)目,。結(jié)果是要搞,，重點(diǎn)是基礎(chǔ)研究和強(qiáng)大的作圖工具開(kāi)發(fā)。NIH將普查腦細(xì)胞的類(lèi)型,，不但包括許多種的神經(jīng)元，而且包括神經(jīng)膠質(zhì),，那是長(zhǎng)期被人忽視的一類(lèi)細(xì)胞,，其數(shù)目比神經(jīng)元還多。老鼠和其他動(dòng)物的這類(lèi)細(xì)胞將首先加以研究,，包括其分子和基因的性質(zhì),、他們的位置，以及最后他們?cè)趺聪嗷蝹€(gè)連結(jié)和成組連結(jié),。

這種網(wǎng)狀的線路圖被稱為連接組(Connectome),。一個(gè)知覺(jué)或認(rèn)知行為不只牽涉到大腦的一個(gè)區(qū)域，而是牽涉復(fù)雜的神經(jīng)線路,，在多個(gè)區(qū)域之間穿梭,。雖然在1986年對(duì)于蛔蟲(chóng)的連接組已有研究，而且,，NIH 2009年已有一個(gè)人類(lèi)連接組項(xiàng)目,，但是不夠全面，而且沒(méi)有進(jìn)一步的展望,。為了詳細(xì)研究細(xì)胞及其網(wǎng)絡(luò),，研究者需要新的工具，譬如觀察大腦大截面的顯微鏡和能穿透大腦深度組織的光學(xué)探針。除了被動(dòng)成像之外,，要使研究人員能夠在活的動(dòng)物頭腦里激活細(xì)胞或整個(gè)網(wǎng)絡(luò),，使他們弄懂細(xì)胞起什么作用，網(wǎng)絡(luò)動(dòng)力學(xué)和最后怎么導(dǎo)致行為,。譬如說(shuō),，光基因技術(shù)用對(duì)光敏感的分子，通過(guò)光纖管用光脈沖去刺激靶細(xì)胞,。

大腦研究還需要記錄神經(jīng)的活動(dòng),，因而需要新的工具。一個(gè)方法是用成千上萬(wàn)納米線電極制造的靈活的片,，去適應(yīng)大腦的形態(tài),，以無(wú)損傷地記錄其活動(dòng)。研究人員還在爭(zhēng)論究竟要記錄多少,。目前,，同時(shí)直接記錄100神經(jīng)元的活動(dòng)是可能的，用很小的埋藏電極測(cè)量電毛刺脈沖,，記錄其磁共振圖像,，以測(cè)量包含百萬(wàn)細(xì)胞區(qū)域的血流。但這需要記錄一段大腦活躍時(shí)間,，而不是一個(gè)點(diǎn),。在大腦靜態(tài)之下，連接還是變動(dòng)著的,。連接組在大腦受到打擊時(shí)會(huì)連接到剛受傷的區(qū)域,。處理收集到的數(shù)據(jù)也需要工具。研究人員需要算法和處理技術(shù),，解釋這些原始數(shù)據(jù),，理解神經(jīng)活動(dòng)是如何編碼信息的，就像計(jì)算機(jī)程序怎么就是一些0,，1串?，F(xiàn)在沒(méi)有很好的工具來(lái)數(shù)學(xué)分析這些系統(tǒng)。

NIH 2014年的一個(gè)項(xiàng)目集中在動(dòng)物身上,。然后,，NSF就會(huì)上關(guān)于生物物理學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)方面的題目。根據(jù)NIH報(bào)告的優(yōu)先級(jí),，進(jìn)行大腦結(jié)果和活動(dòng)圖像的研究,，從大型圖像中得到的海量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和分析方法的研究等。

DARPA的研究比較神秘,，他們追求近期對(duì)戰(zhàn)士有用的研究,，譬如腦成像技術(shù),，幫助戰(zhàn)士的腦受傷；戰(zhàn)士神經(jīng)減壓技術(shù),；受傷戰(zhàn)士的半機(jī)器人治療,，譬如假肢的神經(jīng)聯(lián)結(jié)，假肢修復(fù)和記憶恢復(fù)等,。

雖然大腦研究者期望更多的資助,，但2014不會(huì)有更多。大腦項(xiàng)目潛在的應(yīng)用,，譬如自理解,，疾病和修復(fù)，是很清楚的,，但是以后幾年期望突破或回答潛在問(wèn)題都是不現(xiàn)實(shí)的,。國(guó)會(huì)和大眾對(duì)于理論研究和基礎(chǔ)研究不會(huì)有太多的耐心?？茖W(xué)家過(guò)分的承諾將引來(lái)最后的失望和強(qiáng)烈的抵制,。大腦研究不過(guò)是一個(gè)雄心勃勃的探索未知的項(xiàng)目。生物學(xué)現(xiàn)在這么熱門(mén),，論文多得不得了,，影響因子也高得不得了，但是真正解決問(wèn)題的結(jié)果很少很少,。大腦研究也可能是這樣下場(chǎng),，但是這樣探索性的研究還是應(yīng)該做，IT行業(yè)的任務(wù)主要是給他們做工具,，提出分析方法,。沒(méi)有這些，他們是做不下去的,。