人脑神经连接线路图有望绘出

整理撰稿人：中科院上海生命科学信息中心人口健康与生物医药团队

许丽（E-mail:xuli@sibs.ac.cn）、李祯祺、王玥

审稿专家：中科院生物物理所赫荣乔研究员

人脑是自然界中最复杂的系统之一。据估计，成年人大脑中约有1011个神经元，这些神经元通过约1015个突触互相连接，形成了高度复杂的大脑结构网络，因此，在单神经元甚至是神经突触分辨水平可视化全脑神经元网络研究上实现突破，是理解脑功能和脑疾病的基础。人脑连接组是对脑功能的神经连接通路及其网络结构进行全面解析、模拟以揭示人脑工作机理的研究。人脑连接组研究力图从宏观（大脑脑区）到微观（单个神经元）的各个层次上，全面而细致地刻画从总体到个体水平的人类大脑结构网络图谱，是对人脑结构和功能连接模式的综合研究。人脑连接组研究将为理解大脑工作机制以及洞悉脑部疾病形成、发作机理及防治产生重要意义，并将为人工智能系统带来进步。

1 国际发展现状

绘制人脑神经连接线路图已成为国际生命科学研究和未来发展的制高点。2004年，美国NIH提出了“神经科学研究蓝图”框架，并设立人脑连接组项目（Human Connectome Project，HCP），旨在从毫米水平研究大脑各区域的神经连接，绘制出不同活体人脑功能、结构图谱。2013年2月，美国总统奥巴马提出的“脑活动图谱计划”（Brain Activity Map，BAM）则计划绘制出活体大脑内“每一个神经细胞上的每一个电脉冲”的图谱。同年4月，美国正式启动为期10年的“通过推动创新型神经技术开展大脑研究”（Brain Research through Advancing Innovative Neurotechnologies，BRAIN）计划。2013年初，欧盟也决定投资10亿欧元开展为期10年的“人类脑计划”，旨在建立一个由计算机模拟的完整大脑。日本、英国、德国等也纷纷部署脑科学相关研究计划。

影像技术、光遗传学、纳米技术、侵入性先进材料、神经科学生物库、远程监控技术等多种技术的发展与革新推动了人脑连接组研究的快速发展。弥散张量成像技术（diffusion tensor imaging，DTI）和功能磁共振成像技术（magnetic resonance imaging，MRI）是目前研究人脑结构、功能联系的主要影像手段；光遗传学技术则可利用光调控大脑环路对神经元细胞之间如何相互作用形成功能进行进一步分析；而网络分析算法为研究大规模脑网络的拓扑结构提供了重要工具。

人脑连接组学发展迅速，被Science杂志列为2013年6大值得关注的科学领域之一。2013年上半年，HCP对外公布了其前两批研究数据，并首次绘制了3D大脑思维连接图，总数据量达4TB[1,2]。6月，首张超高精度的三维脑图——“BigBrain”绘制成功，可展示皮质层细胞结构甚至是脑神经元之间的微电流，为医学和药物研发提供了基准图谱[3]。2013年8月，研究人员成功利用超级计算机模拟了1秒钟的人脑神经网络活动。目前，德国研究人员正着手通过将神经元注入硅片，在硅芯片上呈现神经形态（neuromorph）系统，为人脑计算机模型的构建奠定基石。

2 中国现状

中国在脑科学研究领域一直给予高度支持。《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020）》、《国家“十二五”科学和技术发展规划》、《“十二五”生物技术发展规划》和《国家自然科学基金“十二五”发展规划》均针对脑科学研究进行了部署。2010年，科技部启动“973”计划项目“影像的脑网络研究及其临床应用”。国家自然科学基金委于2011年启动的“情感和记忆的神经环路基础”重大研究计划，针对“情感”和“记忆”两类认知功能及其障碍的脑网络表征与相关技术的研究进行支持。中科院也于2012年启动了“脑功能联结图谱”战略性先导科技专项（B类），旨在描述各脑区特殊种类神经细胞群之间有功能的连接和运作，并根据脑科学发展态势和最新技术条件，选择重要的脑功能（感觉、情绪、学习记忆、决策），力求完整地描述在正常生理状态和病理状态下，这些承担重要功能的神经网络连接的构造和运作机制，以绘制一张完整的大脑活动图谱。

在政策支持下，中科院、北京师范大学、清华大学等多个机构开展了脑科学研究，并取得多项成果。2007年，北京师范大学科研人员建立了世界首张活体人脑结构连接网络草图，发现人脑不同区域之间的灰质厚度具有“小世界”组织方式[4]；首次发现遗忘型轻度认知障碍和恢复期老年抑郁症存在相似的神经环路损害模式，为了解阿尔茨海默病的发病机制提供了新思路[5]；北京师范大学联合美国NIH揭示血流供应和大脑功能拓扑结构间存在紧密联系[6]；中科院研究人员正式提出“脑网络组学（Brainnetome）”的概念[7]。技术上，华东理工大学研究人员开发了一种全新的光激活操控系统Light On系统[8]；中科院研究人员最新开发的神经细胞双色钙成像技术（dual color calcium imaging）可用于获取神经细胞电活动的动态信息，将对人类“智力蓝图”的绘制起到推动作用[9]；华中科技大学也正着手研发高分辨全脑神经元网络可视化仪器，为揭示大脑奥秘制造“人脑遥感卫星”。同时，中科院等研究机构的科学家为未来基于大型数据库的人脑功能连接组关联研究提供了标准化基础[10]。

全球的大量集中投入，技术的快速发展，推动脑科学发展迈入新时代，堪比人类基因组计划的人脑神经连接线路图将有望绘出，并将带来巨大的科学、社会和经济回报。

1 NIH Blueprint:The Human Connectome Project.Human Connectome Project releases major dataset on brain connectivity.2013.http://humanconnectome.org/about/pressroom/press-releases/human-connectome-project-releasesmajor-dataset-brain-connectivity/.

2 NIH Blueprint:The Human Connectome Project.HCP Releases Q2 Data.2013.http://humanconnectome.org/data/.

3 KatrinAmunts，Claude Lepage，Louis Borgeat et al.BigBrain:An Ultrahigh-Resolution 3D Human Brain Model.Science，2013,340（6139）：1472-1475.

4 Yong He，Zhang J Chen，Alan C Evans Y et al.Smallworld anatomical networks in the human brain revealed by cortical thickness from MRI.Cereb Cortex,2007,17（10）：2407-2419.

5 Bai F，Shu N，Yuan Y et al.Topologically convergent and divergent structural connectivity patterns between patients with remitted geriatric depression and amnestic mild cognitive impairment.J Neurosci,2012,32:4307-4318.

6 Liang X，Zou Q，He Y et al.Coupling of functional connectivity and regional cerebral blood flow reveals a physiological basis for network hubs of the human brain.PNAS,2013,110（5）：1929-1934.

7 Jiang T.Brainnetome:Anew-ome to understand the brain and its disorders.Neuroimage,2013,80:263-272.

8 Xue Wang，Xianjun Chen，Yi Yang.Spatiotemporal control of gene expression by a light-switchable ransgene system.Nature Methods,2012,9:266-269.

9 Hao Li，Yiming Li，Zhengchang Lei et al.Transformation of odor selectivity from projection neurons to single mushroom body neurons mapped with dual-color calcium imaging.PNAS,2013,07.01（online）.

10 Yan C G，Craddock R C，Zuo X N et al.Standardizing the intrinsic brain:Towards robust measurement of inter-individual variation in 1000 functional connectomes.Neuroimage,2013,80:246-262.