編譯 凌寒

想象一下有這么一張地圖，它繪制出了整個(gè)銀河系中的每一顆恒星。這是一張非常詳細(xì)的地圖，它展示了每顆恒星的樣子，它們是由什么構(gòu)成的，以及每顆恒星是如何通過(guò)宇宙中偉大的物理定律聯(lián)系在一起的。

研究小組首先在熒光下對(duì)一只具有發(fā)光突觸的小鼠進(jìn)行了生物工程改造

雖然我們目前還沒(méi)有這樣一張關(guān)于天空的天體圖，但是，多虧最近發(fā)表在《神經(jīng)元》（Neuron）雜志上的一項(xiàng)重大研究，現(xiàn)在我們擁有了這樣一張關(guān)于大腦的詳細(xì)地圖。

如果每個(gè)神經(jīng)元都是一個(gè)星系，那么突觸——散布在神經(jīng)元的蛇形延伸上的小結(jié)構(gòu)——就是它的恒星。在這項(xiàng)科技力作中，來(lái)自英國(guó)愛(ài)丁堡大學(xué)的一個(gè)團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了小鼠大腦中每個(gè)突觸的首張?jiān)敿?xì)地圖。

在轉(zhuǎn)基因小鼠中，研究小組讓大腦中的每一個(gè)突觸在熒光燈下發(fā)出光亮，就像繁星點(diǎn)點(diǎn)的夜空一樣。正如每顆恒星各不相同，研究小組發(fā)現(xiàn)突觸也有著很大的差異，但是這種差異顯著體現(xiàn)在對(duì)記憶和思考的支持作用上。

人腦中的突觸比銀河系中的恒星還要多。大腦是我們所知道的最復(fù)雜的物體，在這個(gè)層面上理解它的聯(lián)系是揭開(kāi)其神秘面紗的重要一步。

這張?jiān)敿?xì)地圖揭示了大腦活動(dòng)的基本規(guī)則。在機(jī)器學(xué)習(xí)的幫助下，研究小組大致將大腦中約10億個(gè)突觸劃分為37個(gè)亞型。出乎意料的是：當(dāng)一組神經(jīng)元接收到電信號(hào)時(shí)，例如試圖在問(wèn)題的不同解決方案之間做出選擇時(shí)，獨(dú)特的突觸亞型就會(huì)在一致被激活的不同神經(jīng)元之間伸展開(kāi)來(lái)。

換句話說(shuō)，突觸有著不同的類(lèi)型。每種類(lèi)型都可以控制一種想法、一個(gè)決定或一段記憶。

神經(jīng)科學(xué)推特圈沸騰了。

“哇！”明尼蘇達(dá)大學(xué)的本·桑德斯（Ben Saunders）博士簡(jiǎn)單明了地評(píng)論道。

神經(jīng)遺傳學(xué)家凱文·米切爾（Kevin Mitchell）博士寫(xiě)道，這是一篇了不起的論文，它對(duì)整個(gè)小鼠大腦中突觸亞型的多樣性和分布進(jìn)行了分類(lèi)。它強(qiáng)調(diào)了這樣一個(gè)事實(shí)，即突觸是神經(jīng)系統(tǒng)中關(guān)鍵的計(jì)算單元。

神經(jīng)連接體連接

該研究小組對(duì)構(gòu)建小鼠大腦首個(gè)完整的突觸目錄“突觸體”的興趣源于一個(gè)更宏大的項(xiàng)目：神經(jīng)連接體。

簡(jiǎn)而言之，神經(jīng)連接體就是你體內(nèi)所有的神經(jīng)元連接。根據(jù)承現(xiàn)峻博士在TED演講中的介紹，神經(jīng)連接體即你之所以為你——你的記憶，個(gè)性，你的推理和思考方式的生物學(xué)基礎(chǔ)。采集到神經(jīng)連接體，有一天科學(xué)家們也許能夠重建你——一種被稱(chēng)為全腦仿真的東西。

顯微鏡成像顯示出大腦切片上的兩種發(fā)光突觸蛋白，PSD-95和SAP102

然而神經(jīng)連接體僅僅描述了神經(jīng)元之間是如何進(jìn)行功能對(duì)話的。但是，神經(jīng)連接體在大腦中的物理編碼在哪里呢?

我們走進(jìn)突觸看一看。神經(jīng)科學(xué)家早就知道，突觸通過(guò)化學(xué)物質(zhì)和電流在神經(jīng)元之間傳遞信息。也有跡象表明突觸在所含蛋白質(zhì)方面存在巨大差異，但傳統(tǒng)上這種差異大部分都被忽略了。直到最近，大多數(shù)科學(xué)家都認(rèn)為，真正的計(jì)算發(fā)生在神經(jīng)元體——神經(jīng)元的球狀部分，分支即從這個(gè)部分伸出。

到目前為止，還沒(méi)有一種方法可以觀察到整個(gè)大腦突觸的形態(tài)和功能，作者解釋道。當(dāng)然啦，我們也一直致力于在小范圍內(nèi)繪制這些關(guān)鍵連接點(diǎn)。

“突觸體地圖可以用來(lái)詢問(wèn)突觸的空間分布（的不同）是否與神經(jīng)連接體架構(gòu)有關(guān)?！毖芯繄F(tuán)隊(duì)推斷道。

如果是這樣的話，未來(lái)的大腦仿真器可能最終會(huì)有一些實(shí)實(shí)在在的東西去掌握。

SYNMAP

為了構(gòu)建小鼠突觸體，論文作者開(kāi)發(fā)出了一個(gè)他們稱(chēng)之為SYNMAP的流程。他們從轉(zhuǎn)基因小鼠入手，這些小鼠的突觸會(huì)發(fā)出不同的顏色。每個(gè)突觸都富含不同種類(lèi)的蛋白質(zhì)，其中，PSD-95和SAP102是最為突出的兩個(gè)成員。論文作者在這些突觸中加入了發(fā)光的蛋白質(zhì)，這些蛋白質(zhì)本質(zhì)上就像點(diǎn)燃了大腦中每一個(gè)突觸的火把。

接著，他們煞費(fèi)苦心地把大腦切成薄片，用顯微鏡捕捉到大腦不同區(qū)域中突觸的圖像，然后將這些照片再拼湊起來(lái)。

對(duì)于外行人來(lái)說(shuō)，神經(jīng)突觸的圖像看起來(lái)就像密密麻麻的星圖。將所有突觸進(jìn)行分類(lèi)超出了任何人類(lèi)研究者的能力和所能承受的時(shí)間付出，因此該研究團(tuán)隊(duì)利用了新的機(jī)器學(xué)習(xí)分類(lèi)技術(shù)，開(kāi)發(fā)出了一種算法，該算法無(wú)須人類(lèi)監(jiān)督即可自動(dòng)解析這些數(shù)據(jù)——超過(guò)10萬(wàn)億字節(jié)的數(shù)據(jù)。

物質(zhì)化的神經(jīng)連接體

研究小組一下子就被發(fā)光突觸組成的“精致圖案”震撼了。一種做了標(biāo)記的蛋白質(zhì)——PSD-95——似乎游蕩在大腦更偏表面的部分，那里負(fù)責(zé)更高的認(rèn)知功能。盡管也有重疊，但是其他發(fā)光蛋白質(zhì)更傾向于聚集在大腦內(nèi)部區(qū)域。

大腦橫截面圖顯示了每個(gè)區(qū)域最常見(jiàn)的突觸亞型。每種顏色代表不同的突觸亞型?！?號(hào)方框”標(biāo)出了海馬體

經(jīng)過(guò)仔細(xì)觀察，他們發(fā)現(xiàn)這兩種發(fā)光的蛋白質(zhì)代表不同的突觸類(lèi)型，論文作者解釋道。大腦的每個(gè)區(qū)域都有一個(gè)典型的“突觸體簽名”。就像指紋有著不同的形狀和大小一樣，大腦的不同區(qū)域似乎也有著含有不同蛋白質(zhì)組成、大小和數(shù)量的突觸。

利用內(nèi)部開(kāi)發(fā)的機(jī)器學(xué)習(xí)算法，研究小組將突觸分為37個(gè)亞型。值得注意的是，大腦中與高級(jí)推理和思維能力相關(guān)的區(qū)域同樣也包含有最為多樣化的突觸群體，而像腦干這樣的“爬行腦區(qū)域”，其突觸亞型則更為整齊劃一。

為什么？

為了弄明白突觸的多樣性是否有助于信息處理，研究小組使用計(jì)算機(jī)模擬來(lái)觀察突觸是如何對(duì)海馬體內(nèi)——大腦中海馬形狀的區(qū)域，對(duì)學(xué)習(xí)和記憶至關(guān)重要——常見(jiàn)的電模式做出應(yīng)答的。海馬體是突觸亞型表現(xiàn)出顯著多樣性的區(qū)域之一，每個(gè)亞型都以驚人的模式在大腦結(jié)構(gòu)中延伸開(kāi)來(lái)。

每一種行為都會(huì)激活一個(gè)特定的突觸體，每一個(gè)突觸都像是思維過(guò)程的獨(dú)特指紋

值得注意的是，每種類(lèi)型的電子信息處理都轉(zhuǎn)換成一個(gè)獨(dú)特的突觸圖譜——輸入改變，突觸體則隨之改變。

這表明大腦可以使用相同的大腦區(qū)域處理多重電信息，因?yàn)椴煌耐挥|體被募集了。

當(dāng)小鼠試圖在3種選項(xiàng)中選擇其一以獲得獎(jiǎng)勵(lì)時(shí)，它們的電模式被記錄了下來(lái)，研究小組使用這些電模式進(jìn)行試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)了相似的結(jié)果。當(dāng)小鼠進(jìn)行了正確或錯(cuò)誤的選擇，不同的突觸體則會(huì)被激活。就像一副進(jìn)入了思維內(nèi)部的地圖一樣，突觸體生動(dòng)地描繪出了小鼠做出選擇時(shí)的所思所想。

突觸體重新編程

就像計(jì)算機(jī)代碼一樣，突觸體似乎是計(jì)算輸出（一個(gè)決定或想法）的基礎(chǔ)。那么，如果代碼搞砸了怎么辦?

突變可以改變突觸體，并可能導(dǎo)致精神疾病

精神疾病通常會(huì)有影響突觸中蛋白的遺傳因素。使用表現(xiàn)出類(lèi)似精神分裂癥或自閉癥癥狀的小鼠，研究小組繪制出了它們的突觸體圖，并且發(fā)現(xiàn)了大腦中各種突觸亞型結(jié)構(gòu)和連接方式的巨大變化。

例如，在對(duì)某些正常的大腦電模式發(fā)生應(yīng)答時(shí)，突變小鼠大腦中一些突觸體圖僅僅是若隱若現(xiàn)的，而另一些則變得異常強(qiáng)烈。

論文作者總結(jié)說(shuō)，似乎某些精神疾病“重新編程”了突觸體。事實(shí)上，更強(qiáng)烈或新的突觸體圖可能是精神分裂癥患者產(chǎn)生錯(cuò)覺(jué)和幻覺(jué)的原因。

那么，你即你的突觸嗎？

也許吧。你的本質(zhì)——記憶、思維模式——似乎被蝕刻在不同的突觸是如何激活并對(duì)輸入做出應(yīng)答上。就如同是記憶與決定的指紋一樣，突觸體可以被“讀取”來(lái)解讀這種想法。

但是正如論文作者們所承認(rèn)的，這項(xiàng)研究?jī)H僅是個(gè)開(kāi)始。發(fā)表論文的同時(shí)，研究小組推出了一個(gè)突觸體瀏覽器工具，以幫助神經(jīng)科學(xué)家進(jìn)一步理解突觸和人之間錯(cuò)綜復(fù)雜的關(guān)系。

“這張地圖打開(kāi)了大量新研究的途徑，這些新研究將改變我們對(duì)于行為和腦部疾病的理解?！备裉m特說(shuō)道。

資料來(lái)源 singularityhub.com