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人类科学走近最后的前沿?

时间:2015-04-17来源:科学公园 作者:赛先生 点击:
   在科幻大片《星际穿越》中,看到茫茫宇宙、神奇的虫洞与黑洞、折叠的时间等等,是否让你觉得未知的宇宙难以琢磨而令人神往?其实,我们每个人都有一个自己的“小宇宙”——大脑。
  
  人类大脑重约三磅(近1.5公斤),被戏称为“三磅的宇宙(Three-pound Universe)”。因为具有高度发达的大脑,我们成为万物之灵,在创造了绚烂的文明、改造了这个世界的同时,还可以抬起头仰望浩瀚星空,探索自然的奥秘。
  
  我们的大脑中有数百亿神经细胞(神经元),每个神经元与成百上千的其他神经元相连接,通过电信号与化学信号将我们感受到的外界信息传递进大脑,并做出需要的即时反应,而且还可以深深思考以探索宇宙万物的终极规律。
  
  艰巨的“连接组”计划
  美国著名长篇科幻剧集“Star Trek(星际迷航)”有一集名为“最后的前沿(The Final Frontier)”,意指探索浩瀚宇宙为人类科学最后的前沿。其实,人类的大脑一点都不比无穷宇宙简单,说研究人类大脑的神经科学(Neuroscience)为“人类科学最后的前沿”也毫不为过。
  
  美国麻省理工学院著名神经科学家承现峻(Sebastian Seung)教授(现普林斯顿大学教授)在其著作《连接组,造就独一无二的你》一书中,用生动的笔触描写了世界各国神经科学家正在开展的一项探索大脑奥秘的宏伟工程——连接组计划(Connectome)。
  
  连接组计划希望全面地认识大脑中神经元之间的连接。我们已经知道大脑中的神经元可能多达百亿,而每个神经元又同时与成百上千个神经元形成传递信息的连接(突触),因此所谓大脑的连接组是对近百亿的神经元之间相互连接情况进行全面地研究与分析,可想而知,这是一项包含了人类历史上最大信息量的艰巨工作。
  
  “连接组(Connectome)”这个词从“基因组(Genome)”衍变而来。20世纪90年代,美国能源部启动的历经十余年的人类基因组计划(human genome project,HGP)耗资30亿美元对人类基因组的30亿个碱基完成了全测序。在得知了人类近乎全面的编码基因及非编码序列的组成后,人类攻克复杂疾病、寻找遗传病病因,从而促进健康的能力大大加强。
  
  2013年4月,美国总统奥巴马在国情咨文中宣称,对人类基因组计划每1美元的投入至今已获得了140美元的超值回报,因此,美国从2013年开始启动了研究大脑的“脑科学计划(BRAIN Initiative)”。
  
  当然,如果说科学研究的初衷是为了投资回报,这未免太功利了些。但是无可置疑的是从过去几年开始,美国、欧洲及日本陆续宣布了专攻神经科学的“脑科学计划”。中国科学院在2012年启动了研究大脑功能性联结图谱的战略先导计划。2013年至2015年,中国的“脑科学计划”经过神经科学家们的反复研讨也呼之欲出。人类终于要向“最后的前沿”进军了!
  
  先天与后天的对决
  承现峻曾经在TED论坛做过一个非常出色的,关于大脑连接组研究的演讲,开篇时他曾自嘲,大脑如此复杂,忍不住让人疑问:这难道是我们穷极一生可以理解的吗?不错,我们虽然知道大脑的基本物理与化学组成,却对大脑如何能够准确地区分与储存海量信息,并同时进行思考与抉择的机制知之甚少。在《连接组,造就独一无二的你》这本书中,承现峻教授提出,只要我们全面地了解了大脑中神经元的连接,就可以得知我们大脑的储存信息、思维模式甚至如何产生深邃的思想,是否真的如此?
  
  承现峻在TED演讲中介绍大脑连接组(Connectome)研究。
  承现峻在TED演讲中介绍大脑连接组(Connectome)研究。
  
  让我们简单讨论一下该书中的一些主要观点。首先,作者认为人的大脑组成不仅仅被基因组决定,更被连接组决定。这是生物学界一个非常重要的争论——“nature vs. nurture”——先天还是后天的因素决定了人的方方面面包括大脑的功能等等。
  
  基因组代表先天因素(nature),从父母遗传而来无法轻易改变,而连接组象征后天因素(nurture),是我们在这个缤纷世界中经过无数外界信息塑造后的大脑。
  
  在这个问题上,并非说基因组和连接组就一定是“东风和西风谁压倒谁”的问题,而是在何种层次上相互协调贡献大脑功能的问题。比如我们知道在成年人的大脑中,虽然神经网络已经基本定型,但是基因组也并非对大脑的功能毫无贡献。人类在学习与认知的时候大脑中的电信号就会激活神经元而读取神经元中基因组的信息,将许多基因打开或关闭,通过改变神经元的重要功能蛋白质的水平来对神经元之间的连接(突触)做出可塑性的改变。因此从这个角度上讲,连接组也是基因组在大脑中的功能投射。
  
  作者承现峻还认为,全面了解大脑的神经元连接组,我们就可以了解大脑的奥秘。根据上面所说,我们知道所谓大脑连接组其实是个动态的组成,在我们的大脑接收并处理了外界信息之后,神经元之间的连接很可能就会发生可塑性的改变,这些改变就代表了我们的思考、记忆的过程等。因此,如果仅仅在某一个时间点上看清楚了(现在还不能),就算我们能用神奇的方法看清大脑的所有神经连接,下一个时间点你看到的却又不同了。所以,假设如承现峻教授所说将大脑深度冷冻,储存连接组,然而,是否能真正存储我们的思想,是否能有效地提取连接组中的有效信息,都还是完全未知的。以现在的科学手段,这近乎于有趣的科学幻想。
  
  基础研究造福人类社会
  如果我们暂时还没有办法洞察一个活人大脑中的神经元之间全面且动态的连接情况,那么研究大脑连接组还有意义吗?
  
  近年来,神经科学家确实认识到,我们的高等认知功能及脑疾病的起因往往与大脑中神经元的功能性连接改变关系甚密。虽然我们目前还无法全面地得知大脑中所有神经元的动态连接情况,但是我们已经可以通过模式生物,如啮齿类的大小鼠以及人类的近亲——非人灵长类动物,来对大脑中的特定神经连接环路进行研究,包括在高等认知功能中,有哪些神经连接组成的环路发生了激活与抑制?
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