人脑活动图将解开思维奥秘

李双文

当人们对人类基因组计划（HGP）耳熟能详并领略了其后的人类蛋白质组计划（HPP）、人类微生物组计划（HMP）和人类肠道宏基因组学（MHIT）后，一个新的生命科学的庞大计划也开始规划并将很快动工，这就是人脑活动图计划（BAM）。如同人类基因组计划是由美国科学家首先提出和实施一样，人脑活动图计划的发起者和实施者同样是美国研究人员。

投入产出比极高

2013年2月18日，美国政府宣布，将启动人脑活动图计划，这个计划的目的是要构建一个大脑活动时的全面图谱，或一个广阔的人类精神活动图谱，从而弄清人的大脑是如何工作的。由于任务的艰巨性，初步设想这个计划需要10年时间，这个计划的意义可与已经完成的人类基因组计划媲美。

美国政府初步确定在2013年3月出台这一计划，全球的许多顶级科学家，包括神经和纳米领域的科学家都将参与这个计划。同时，除了美国一些联邦科研机构外，一些私人基金会也会积极支持该项计划。研究人员希望通过合作和努力，在了解大脑的上千亿个神经元的基础上来解读人的认知、智能以及最终了解人的意识。

当然，研究人员还对BAM抱有更高的期望，通过该计划除了能理解大脑的全面功能外，还能帮助人们发现各类神经精神疾病，如阿尔茨海默氏症、帕金森氏症等疾病的病因，同时找到治疗这些疾病的新方法。不仅如此，这个计划还有望为研究人工智能提供线索，并为实现人工智能铺平道路。

虽然美国政府预算经费并不充裕，但是此计划的预算额度至少30亿美元。奥巴马在其2013年2月13日的国情咨文中提出，BAM应当是政府最有创意的投资之一。他说，“过去我们投资人类基因组每1美元获得了140美元回报。今天我们的科学家正要描绘人的大脑图谱以便弄清阿尔茨海默氏症的原因。他们正在发明的药物可让受损的器官再生，用新材料设计的电池能提高电量10倍。现在，不是砍掉科技革新领域可创造就业方面的投资的时候。我们需要进行这些投资”。

人类基因组计划始于1990年，耗资38亿美元。该计划在2003年4月完成，至2010年，该计划已经获得8000亿美元的回报。

参与BAM规划的科学家表示，他们希望美国联邦政府每年提供超过3亿美元的资金。这与人类基因组计划的经费差距不大，不过BAM能带来更多的经济增长。曾帮助创建人类基因组计划的哈佛大学分子生物学家乔治·丘奇也正在帮助规划人脑活动图计划，他认为，与BAM相关的神经科学和纳米科学的研究总开支或许会超过人类基因组计划所花的钱，但是，对BAM的投入会得到更多回报。

人脑活动图研究的内容

人脑约有1000亿个神经元（神经细胞），每个神经元不仅有自己的活动，而且要通过突触把神经冲动（生物电流）传导到其他神经元，从而产生、获取和交流信息、指令，以指挥人的各种行为，并产生思想和意识。

过去的研究初步探明，神经元是靠突触来构筑神经元与神经元之间的相互联系并传递信息的。根据大脑解剖的结果，研究人员发现，突触有多种类型，可分为轴突-胞体突触、轴突-树突突触、轴突-轴突突触三类，这些突触类型可以执行不同的神经传导功能。

从突触的结构来看，突触由突触前膜、突触间隙和突触后膜三部分组成。构成突触前膜部分的神经元轴突末梢呈球形，形成突触小体，里面有大量的突触小泡，小泡内贮存有神经递质。神经递质是神经末梢释放的、具有传递信息功能的特殊化学物质。由下一个神经元构成的突触后膜上有能与相应递质结合的受体。某种神经递质，如乙酰胆碱、多巴胺等，被前一个神经元释放后，能与突触后膜上的受体结合，从而引起下一个神经元的兴奋或抑制，以传导特定的信息。

按功能不同，突触又可分为兴奋性突触和抑制性突触。兴奋性突触是指突触前神经元兴奋时，由突触小泡释放出具有兴奋作用的神经递质，如乙酰胆碱、去甲肾上腺素、5羟色胺等。这些神经递质可使突触后神经元产生兴奋。如果兴奋性突触受到阻碍，就可能引起疾病或死亡。例如，某些阻碍乙酰胆碱释放的药物能引起致命性的肌肉瘫痪。而抑制性突触是指突触前神经元兴奋时，由突触小泡释放出具有抑制作用的神经递质，如多巴胺、甘氨酸等。这些递质使突触后膜“超极化”，从而显示抑制性的效应。

由于人类大脑的神经元很多，神经网络又非常复杂，过去研究人员只能通过解剖、生理、生化和脑电图，如磁共振成像（MRI）、正电子发射计算机断层显像（PET）等来了解大脑神经元的活动。由于方法的局限，研究人员只能同时记录少量神经元的活动，而且多数情况下，还要利用探针进行有创检查。

2012年6月，美国6位科学家在美国《神经元》期刊上发表文章，提出用一些新技术和新方法绘制人脑活动图，这些方法能够对大脑既不损伤，又能记录和研究其活动情况，他们就是人脑活动图计划的创建者。这些研究人员包括，美国哈佛大学分子生物学家乔治·丘奇、加利福尼亚大学卡弗里大脑和心灵研究所副主任拉尔夫·格林斯潘、加利福尼亚伯克利国家实验

室的化学家保罗·阿利维萨托斯、卡弗里基金会的分子遗传学家全美永、加利福尼亚技术研究所的物理学家迈克尔·罗可斯和美国哥伦比亚大学的神经科学家拉斐尔·尤斯特。

研究人员提出的探索大脑神经元活动情况的方法包括，采用硅纳米探针、光学和激光技术，同时还可以利用未来的合成生物学技术，例如可以设计一种分子级别的生物机器人，其作用就像传感器一样，利用这种分子机器人，不用开颅就可以收集大脑的信息。目前一个比较可行的方法是，通过制造一批分子大小的机器人（纳米机器人），用无创方式充当传感器，在细胞层次上检测并记录大脑活动，以此构建完整的人脑活动图。要完成这种研究，不仅要有纳米技术的成熟，而且需要用合成DNA来储存和记录大脑神经元和神经网络，包括大脑局部和全部神经网络的活动。这也是为何人脑活动图计划需要纳米研究人员参加的原因。

现在，科学家已经利用激光探测到小鼠大脑皮质神经元的活动。而BAM首先需要从只有比较少的神经元的简单动物开始研究，然后过渡到对有更多神经元的更为复杂的动物进行研究，最后才会对人进行研究。例如，秀丽隐杆线虫只有302个神经元，7000个突触，研究人员已经绘制了它的静止的脑图，或称为“连接体”。这是目前唯一的一个动物静止脑图。

下一步研究人员计划对有135000个神经元的果蝇大脑进行研究，随后是对有100万个神经元的斑马鱼大脑进行研究，再然后对小鼠、最小的哺乳动物小臭鼩（其大脑皮质由约100万个神经元构成）进行研究。

研究人员也承认，如同人类基因组计划一样，BAM也会涉及伦理问题，包括隐私、读心（术），甚至目前的科学神话——心灵控制。所有这些也是BAM计划实施之前需要解决的问题。

当然，描绘人脑活动图不只是能获得正常人神经活动的类型、功能、分子机制，甚至意识产生的过程和机理，而且能够获得有关精神分裂症和自闭症等疾病的新认识和新疗法。因为，精神分裂症和自闭症等疾病在很大程度上，都是神经元活动不正常的结果。

不同的意见

也有相当一些研究人员对人脑活动图计划提出了怀疑，主要体现在两个方面，一是美国联邦科研基金的使用是否合理，二是BAM能否像人类基因组计划一样获得成功。

人类基因组计划取得了巨大成功，不仅按计划完成，而且回报了政府的投资（本质上是纳税人的投资），但是人类基因组计划也并非完美无缺。例如，随后的另一个工程是DNA元件百科全书计划（ENCODE），其中涉及对大量“垃圾DNA”的研究。加利福尼亚大学伯克利分校的生物学家迈克尔·艾森认为，ENCODE并不是一个好主意。现在应当清醒了，大生物学并不是一个为个人发现驱动的科学气球，它正在形成一种对自身的巨大威胁。

因为，这样的研究把太多的鸡蛋放在了一个篮子里。也许BAM只是一个为神经科学研究获得更多基金的公关项目。如果BAM不能获得成果或结果一般，联邦政府的巨额投资未必不会打水漂。相反，联邦政府应当对科研进行多样化的投资，不能把鸡蛋都装在一个篮子里，一些只有百万美元投入的研究同样可能出大成果。

另一方面，也有研究人员对BAM能研究出什么名堂表示了怀疑。比如，有人指出，我们现在并不了解果蝇的大脑，研究果蝇的大脑能给人带来什么呢？有人能解释果蝇的大脑与人的大脑的区别吗？

就连BAM的发起人之一格林斯潘也承认，人类基因组的任务是非常具体的而且容易完成，但BAM的目标尽管吸引人，却很困难。

与人类基因组计划相比，人脑活动图更为复杂，因为这项庞大的研究是要记录约1000亿个神经元的活动。而人类基因组是静态的，只是测序人类不同细胞染色体中基因密码，即四种碱基胞嘧啶（C）、胸腺嘧啶（T）、腺嘌呤（A）和鸟嘌呤（G）的排序，它们的排列是有规律的，基本上是下面几种：A-T、G-C、T-A和C-G。如果碱基序列出错，如出现跳跃、错

位、重叠等，就会产生疾病。

但是，研究大脑神经元的活动更难，除了单个神经元的信息传导、神经递质的不同外，还需要了解整个神经网络同步或不同的活动，才能知道整个大脑的活动模式是怎样的，这些活动最终如何驱使人做出各种举动，以及如何产生意识。同时，尽管不同人的意识的产生有相同的模式，但却有不同的特点。人脑活动图是否真的能弄清每个人的意识是如何产生的确实很困难。

一些研究人员对BAM能否出成果的怀疑类似于对欧洲相同的大脑研究计划的质疑。欧洲的人脑研究计划是，由瑞士主导，投资10亿欧元（约合83亿元人民币），制造一个基于硅的“大脑”。这是在有关大脑内部运作的研究成果基础之上，构建一个超级计算机模拟系统。但是，有人认为，这样的模拟系统依赖的仍然是尚处于理论阶段的并不完备也并不准确的知识。因此，这样的“大脑”研制出来可能意义和作用有限。

同理，对于BAM，人们怀疑的是，尚无可靠的理论和可行的技术来研究。正如加利福尼亚大学的物理学和神经生物学研究人员大卫·克莱因菲尔德所言，在对大量的人进行磁共振成像（MRI）扫描之前，他会做更基础的神经科学研究。

【责任编辑】张田勘