“大脑活动图谱”的研究费思量

杨雄里

杨雄里院士

美国总统奥巴马在2013年度的国情咨文中提到了大脑活动图谱 （Brain ActivityMapping，BAM）项目计划，与此同时，欧盟委员会以10亿欧元启动了相关的人脑计划（Human Brain Project，HBP）。 这引起了科学界以及国内外媒体的广泛关注。本期《世界科学》就BAM以及HBP项目提出的背景、研究主题以及前景展望作了较详尽的介绍。

“大脑活动图谱”的研究颇费思量

这一项目的提出反映了人类对探索大脑奥秘这一重要科学问题的高度关注。阐明脑和神经系统工作原理和机制通常被认为是自然科学的“最后疆域”（last frontier），它所蕴涵的科学意义以及对人类社会发展的推动作用日益深刻地为人们所认识。以脑和神经系统为研究目标的统一学科——神经科学自上世纪60年代初诞生以来，已成为生命科学、乃至所有自然科学中，发展得最为迅速的领域之一，引起了科学界和政府的高度重视。

美国国会把20世纪90年代命名为 “脑的十年”，大力加强对脑科学研究的支持和宣传，并得到了许多国家的支持，日本推出的“脑科学时代”的庞大计划随即应运而生。中国神经科学家们，以不遑多让的历史使命，大力呼吁加强我国脑科学研究，得到了政府积极的回应，“攀登计划”、“973项目”中有关脑研究项目的设立即是明证。二十年来，这一领域新的成果不断涌现，新的发现接踵而至，人们对脑的认识早非往昔可同日而语！

脑科学研究正进入一个新时代。在脑研究飞速发展的背景下，有远见的睿智科学家们清醒地认识到，尽管在细胞、分子水平上对神经系统的活动已经十分深入，而在整体水平，运用正电子发射断层扫描术（PET）和磁共振成像术（MRI），也已能无创监测脑内各区神经元的活动状况，但是在这两方面的研究之间还存在着巨大的鸿沟，对于产生知觉或思维的涉及数千乃至上百万神经元活动的监测以及细致的分析，仍然缺少有效的技术手段。

在笔者来看，这正是BAM项目提出的科学背景。因此，以此为契机，大力发展新的技术，特别是新的成像技术、电子探针、纳米技术，从而有可能探索神经元集群的功能状态及动态变化，了解不同脑区间的功能连接，切实弥补目前脑研究中显而易见的鸿沟，这无疑是对脑研究的重大推动；而其研究成果也将有助于进一步了解某些神经、精神疾患（如癫痫、精神分裂症）的大脑活动的异常，从而提出更有针对性的治疗对策。

十年时间太短，甚至几十年都太短

但是，我们需要充分认识到问题的复杂性。在众多介绍BAM项目的文章中，多把这一计划与人类基因组计划（HGP）相类比，还有人预期“在不久的将来会如同HGP一样获得巨额回报”。笔者认为，这样的类比值得商榷。且不说开发上述新技术并非易事，有待时日，更重要的是对脑的高级功能研究，特别是高级认知功能的研究，有其固有的复杂性。

脑的功能是一种涉及大群神经元活动以及相互作用的动态过程，这种过程会因内外环境的变化呈现出极其复杂的、多维度的改变，这种变化所导致的后果便是：脑活动的不确定性和难以重复（例如，几乎无法在相同的物理环境中重复同样的梦境）。这意味着脑高级活动（精神活动）遵循的规律并不完全与物质世界运动的规律相同，需要探索新的规律。

脑研究的另一个复杂性是神经系统结构和功能不是一成不变的，会随着环境、刺激等状态而发生可塑性变化。总之，神经系统是一个不同于一般物理、化学系统，甚至一般生物学系统的一种特殊的系统，与这样的系统打交道的研究计划，与HGP计划的不同是不言而喻的。

对脑的复杂性在科学界是有共识的，正是基于这种共识，即使建议这项计划的科学家也认为，应该先从神经元数量十分有限的简单的生物体（如线虫、果蝇）入手，而在第一个十年中，计划的大部分经费主要用于“模式生物”的实验。当然，随着新技术、新方法的不断问世，随着对问题的理解的日益深入，我们将有可能把实验逐渐过渡到哺乳动物、灵长类、乃至人类的大脑。但这将是一个漫长而艰难的征程。

笔者在有关BAM的一篇记者采访中曾说：“科学家对阿尔兹海默氏症的病因，至今还是众说纷纭，这就很生动地说明了对脑的重大问题的研究不是通过几年的努力便能一蹴而就的。”因此，要努力避免一种误解，即在十年后科学家就有可能提供一幅人脑活动的全景图。实现这个宏大的目标，十年太短，甚至几十年都太短，但是，不懈的努力无疑将使我们逐渐逼近这个目标。