楊先碧

就像人類基因組圖譜一樣，人腦活動圖譜也將十分復雜而深奧，因為它其實是一些數(shù)據(jù)的圖示，得借助專門的電腦軟件才能“讀懂”。把我們的腦部活動和這個圖譜進行對比，就知道我們的所思所想。

科學家已經(jīng)能對許多自然現(xiàn)象進行預測。比如，明天會不會下雨，明年小行星會不會撞擊地球，某地的活火山會不會在下個月爆發(fā)。但是，科學家卻很難預測一個人在下一分鐘想什么：他會產生一個積極的想法，還是會冒出一個罪惡的念頭？科學家的共識是，自然界中最復雜、最難研究的不是外在的東西，而是內在的東西，那就是人類的思維?？茖W家認為，如果能繪制出人腦活動圖譜，就可以了解人腦的運行機理，從而可以監(jiān)測人們的思維活動，也可以檢測腦部疾病。

人類腦計劃

2011年9月，在英國召開的一次科學會議上，美國哈佛大學分子遺傳學家喬治·丘奇和哥倫比亞大學神經(jīng)科學家拉斐爾·尤斯特的一份提議引起了廣泛關注。該提議內容是：通過合作來開發(fā)一些新技術，用于追蹤人腦各個區(qū)域的活動，最終達到可以測量每一個神經(jīng)細胞活動的水平。此后，不少科學家開始宣傳這項提議，最終引起了美國政府的關注。

2013年初，美國總統(tǒng)奧巴馬宣布，美國政府將“推進創(chuàng)新神經(jīng)技術腦研究計劃”（簡稱人類腦計劃）。2013年9月，美國國家衛(wèi)生研究院宣布，在2014財年將重點資助9個人腦研究領域。這是美國推出人類腦計劃后，相關政府科研機構首次公布具體研究與實施細節(jié)。美國采取“集中力量辦大事”的思路，吸納公立和私營的科研機構共同參與人類腦計劃。多家聯(lián)邦公立機構將為此計劃撥款。例如，美國國家科學基金會將提供2000萬美元，用于開發(fā)分子尺度的探測裝置，力爭能感知并記錄神經(jīng)網(wǎng)絡活動，并通過“大數(shù)據(jù)”技術增進對人腦思維、情感、記憶等活動的理解。

美國軍方也參與其中。美國國防部高級研究項目局計劃投入5000萬美元，著重開發(fā)一系列能捕捉、處理神經(jīng)元和染色體活動狀態(tài)的工具，建立相應的信息處理系統(tǒng)和修復機制，以期在士兵遭遇應激壓力、腦損傷、記憶損失等問題時協(xié)助診斷和治療。私營機構中的一些相關研究項目也納入到人類腦計劃中，例如，艾倫腦科學研究所每年將提供6000多萬美元用于開展探索人腦活動的研究項目?；羧A德·休斯醫(yī)學研究所有一片研究神經(jīng)網(wǎng)絡的科技園區(qū)，每年將提供至少3000萬美元的資助。

雖然人類腦計劃目前由美國科學界主導，但是大多數(shù)神經(jīng)科學家認為，這項研究不可能由美國“吃獨食”。就像人類基因組計劃當時由美國科學家主導一樣，龐大而復雜的人類腦計劃最終還得靠中國、英國、日本、德國、加拿大等多國科學家來合作完成。

人腦活動圖譜

在人類腦計劃中，一個核心的內容就是繪制人腦活動圖譜（英文簡稱為BAM）?；蛟S不少人會誤解人腦活動圖譜就是人腦的三維圖像，其實描繪人腦的“外貌”并不困難。人腦活動圖譜中最困難的部分是“活動”，主要是“記錄每一個神經(jīng)環(huán)路中每一個神經(jīng)元的每一個鋒電位”。也就是說，要記錄每個腦部位中各個神經(jīng)細胞的活動情況。最終完成的人腦活動圖譜將展示人腦中每一個神經(jīng)細胞的活動模式，也會展示何種神經(jīng)纖維在何時放電，以及各種神經(jīng)活動是以何種方式同步發(fā)生的。

雖然人腦活動圖譜名為圖譜，但是它不是簡簡單單的一張圖畫，而是一個龐大數(shù)據(jù)庫的集合，其中展示了人腦中的各種生物電活動。就像人類基因組圖譜一樣，人腦活動圖譜也十分復雜而深奧，我們是難以看懂的，甚至一些腦科學家也看不懂，因為它其實是一些數(shù)據(jù)的圖示，得借助專門的電腦軟件才能“讀懂”。人腦活動圖譜相當于一個標準，把我們的腦部活動和這個圖譜進行對比，就知道我們的所思所想。

目前，科學家只能對人腦活動進行粗略的測量。他們可以通過一些儀器對人腦廣闊區(qū)域的活動進行探測，或者測量單個或小群的神經(jīng)細胞的活動。然而，這些儀器掃描人腦生成的是一些模糊的圖像，缺乏對細節(jié)的描繪。聚焦于單個或小群的神經(jīng)細胞，倒是能生成相對清晰一些的圖像，但是這些圖像用途不大，因為人類的思維活動是人腦多個區(qū)域共同合作的結果，涉及的神經(jīng)細胞至少有幾千個，復雜一點的思維活動則需要幾百萬個神經(jīng)細胞和神經(jīng)纖維來完成。

正因為目前的人腦掃描方法存在局限性，科學家希望開發(fā)出新的方法來直觀地展現(xiàn)人腦的活動。這要求新型腦成像技術具有高時間、空間分辨率，并與電子探針、納米技術等密切結合。繪制人腦活動圖譜的方法與繪制人類基因組圖譜的方法有些類似，那就是從局部到整體。人類基因組是從單個基因開始，然后延續(xù)到一些基因片段，最后連接成整個人類基因組圖譜。同樣，繪制人腦活動圖譜得從神經(jīng)細胞開始，然后延續(xù)到功能區(qū)域，最后擴展到人腦乃至整個神經(jīng)系統(tǒng)。

盡管測繪人類人腦活動圖譜是一項更艱巨的任務，但這一巨大的挑戰(zhàn)是刺激新工具的研發(fā)以及跨學科的科學家通力協(xié)作所必需的。丘奇和尤斯特等人認為，人腦活動圖譜相關技術的開發(fā)將分四個階段：第一階段，集中研發(fā)新影像工具，可以利用光去穿透腦組織，探測并操控細胞功能；第二階段，通過利用新一代的電子探針，同時監(jiān)測和操控大量的細胞；第三階段，利用最新的納米技術，對單個神經(jīng)細胞內的活動進行實時匯報；第四階段，利用人類基因組計劃的相關模式，建立數(shù)據(jù)分析和共享系統(tǒng)，多國科學家合作繪制出完整的人腦活動圖譜。

從動物到人類

由于科學和道德的原因，科學家開始將不會大規(guī)模進行人腦活動圖譜的研究，而是從一些“模式動物”入手開發(fā)新技術，并積累相關研究經(jīng)驗。從科學的層面上來分析，任何科學研究都是循序漸進的，一些低等動物的腦要比人腦簡單得多，它們的腦部活動圖譜相對容易獲得。從道德的層面來分析，新的腦部掃描技術可能存在一些潛在的危害，先對動物進行實驗和觀察，就可以逐步改進和完善相關技術，最終可以做到?jīng)]有危害或者危害十分微小，這樣應用到人腦掃描時就沒有道德風險了。

根據(jù)人類腦計劃的相關規(guī)劃，科學家在5年以后才能完成對秀麗隱桿線蟲腦部活動圖譜的繪制。秀麗隱桿線蟲是一種低等動物，它的腦部只有302個神經(jīng)細胞和大約7000個神經(jīng)節(jié)點。10年之后，科學家預期可以繪制擁有大約13萬個神經(jīng)細胞的果蠅的腦部活動圖譜。15年后，預計可以觀測更加復雜的斑馬魚的腦部活動，或老鼠腦部皮層中一些區(qū)域的活動。從這些規(guī)劃可以看出，人類腦計劃的研究任重而道遠，20年內是難以完成對人腦活動圖譜的繪制的。

研究腦部活動有何好處

在人類基因組計劃實施之前，曾有人認為基因測序是白日夢，然而人類基因組圖譜最終繪制成功，令基因科學出現(xiàn)了革命性的進步，也徹底讓反對者“閉嘴”了。科學家進行腦科學研究，也是希望人類腦計劃能使神經(jīng)科學的技術發(fā)生變革，最終使人類對人腦功能的理解發(fā)生革命性變化。

人類腦計劃的倡導者之一保羅·埃爾維賽特斯認為，人類腦計劃的意義可與人類基因組計劃相媲美。歷時十多年的人類基因組計劃讓科學家完成了對人類基因組圖譜的繪制，讓人們可以從基因層面來認識人類的一些外貌、行為和疾病的產生原因，對研究人類行為和促進健康產生了深遠的影響。人類腦計劃的目標是探索人腦工作機制和繪制腦活動圖譜。它也將和人類基因組計劃一樣，更加深入地探索人類行為的深層原因，并有利于促進人類神經(jīng)系統(tǒng)的健康。

目前科學家還無法保證人腦活動圖譜的實際應用，但是一旦成功，人腦活動圖譜的應用將十分廣泛。它可以告訴我們決策在人腦中是如何形成的，我們如何才能進行合理、正確的決策；它可以告訴我們非正常的想法和行為是怎樣產生的，這樣就可以有效地預防和治療精神病，預測和減少犯罪行為和恐怖活動；它可以監(jiān)測神經(jīng)細胞和神經(jīng)纖維的活動，發(fā)現(xiàn)即將或已經(jīng)發(fā)生病變的腦部區(qū)域；它可以應用于人工智能領域，讓科學家模擬人腦制造高端智能機器人。要實現(xiàn)上述目標，可能需要30年或許更長的時間。但是，將來人們必定可以享受到人腦活動圖譜帶來的好處。

（作者單位：上?？茖W技術出版社）