你每天頂著「三斤重的宇宙」累嗎？聽仇子龍解讀中國腦計劃
我們每個人都有一個「小宇宙」——大腦。人類大腦重約三磅（三市斤），被戲稱為「三磅的宇宙」。因為具有高度發達的大腦，人類成為萬物之靈，創造了絢爛文明，不斷探索並發現宇宙間萬事萬物的規律。美國著名長篇科幻漫畫Star Trek曾將探索浩瀚宇宙稱為人類科學「最後的前沿」，但在科學家看來，人類的大腦一點都不比無窮宇宙簡單。
探索大腦奧秘的宏偉工程
近十年間，世界各國神經科學家開展了一項探索大腦奧秘的宏偉工程——連接組計劃（connectome）。這一計劃希望全面認識大腦中神經元之間的連接。我們已經知道大腦中的神經元可能多達千億，而每個神經元又同時與成百上千個其他神經元形成傳遞信息的連接（突觸），研究大腦的連接組，就是要對近千億神經元之間相互連接的情況進行全面的研究與分析，可想而知這可能是人類歷史上信息量最大的艱巨工程。
「連接組」這個詞是從「基因組（genome）」衍變而來的。二十世紀九十年代美國啟動了人類基因組計劃（Human Genome Project-HGP），歷經十餘年，在全球科學家的協作努力下，共耗資30億美元，完成了人類基因組30億個鹼基的全測序，使人類攻克複雜疾病、尋找遺傳病病因的能力大大加強。
這項基礎研究獲得了豐厚的回報，美國總統奧巴馬在2013年4月的國情咨文中宣稱：對人類基因組計劃的每1美元投入至今已獲得140美元的巨額回報，因此美國從2013年開始啟動研究大腦的「腦科學計劃（BRAIN Initiative）」。當然，說科學研究是為了投資回報，這未免太功利了些。但毋庸置疑的是，過去三年，美國、歐洲及日本陸續宣布了專攻神經科學的「腦科學計劃」。中國科學院也在2012年啟動了研究大腦功能性聯結圖譜的戰略先導專項。從2014年至2016年，中國腦計劃經過神經科學家們反覆研討，呼之欲出。人類終於要向「最後的前沿」進軍了！
連接組與基因組：先天還是後天決定了大腦
究竟是先天因素還是後天因素決定了大腦？這是生物學界一個非常重要的爭論。人類的大腦功能不僅僅是由神經元之間的連接決定的，更被編碼蛋白質的遺傳物質——基因組所決定。基因組代表先天因素，從父母遺傳而來無法輕易改變；連接組象徵後天因素，是我們在這個繽紛世界中接受無數外界信息後塑造的大腦。
在這個問題上，並非說基因組和連接組就是誰壓倒誰的問題，而是在何種層次上相互協調貢獻大腦功能的問題。比如我們知道在成年人的大腦中，雖然神經網路已經基本定型，但是基因組也並非對大腦的功能毫無貢獻。人類在學習與認知時，大腦神經網路中的電信號就會激活神經元進而讀取神經元中基因組的信息，將許多基因打開或關閉。通過改變神經元的重要功能蛋白質水平，來對神經元之間的連接（突觸）做出可塑性的改變。因此，連接組其實也是基因組在大腦中的功能投射。
動態與靜態：動態變化的連接組能被認識嗎
近年來，神經科學家們認識到，人類高等認知功能及腦疾病的起因，比如帕金森症、抑鬱症等，往往與大腦中神經元的功能性連接改變關係甚密。但大腦連接組是具有可塑性的動態組成——在我們的大腦接收處理了外界信息後，神經元之間的突觸很可能發生可塑性改變，這些改變就代表了我們的思考、記憶的過程等等。因此，即便在某一個時間點看清楚了大腦的所有神經連接，下一個時間點大腦的神經連接就不同了。
那麼，在暫時無法洞察活人大腦的情況下，研究大腦連接組還有意義么？
答案是肯定的。現在，科學家們已經可以通過模式生物的大腦，如大、小鼠，人類的近親——猴等，來對大腦中的特定神經連接環路進行研究，包括在高等認知功能中有哪些神經連接組成的環路發生了激活與抑制，在病理狀態包括老年痴呆症、帕金森症、自閉症、抑鬱症及精神分裂症中，大腦中哪些神經連接組成的環路發生了破壞性的改變等問題。我們相信，如果能認識到大腦中這些特定神經元的連接模式及細節，可以極大促進我們對大腦工作原理的了解，同時得知腦疾病的起因與病理進程。
幼兒與成人：成年後大腦還具有可塑性嗎
通常我們認為在人類發育過程中，最具有可塑性潛能的是孩童階段。人類在幼年學習知識並學會適應外界複雜的社會，一些嚴重的神經系統疾病如自閉症也從孩童階段開始表現出來。那麼成年以後，大腦還是否具有可塑性呢？患有自閉症的兒童長大後是否還能夠被治癒呢？
在最近幾年的神經科學研究中，科學家們發現，一些作為人類自閉症疾病模型的基因突變小鼠（如Shank3與MeCP2基因突變小鼠），在長至成年、表現出疾病癥狀後，仍可以通過基因修復，恢復大腦的正常功能。這些研究為人類自閉症患者成年後的有效臨床治療與干預提供了重要線索。
「一體兩翼」的中國腦計劃
大腦連接組計劃耗資甚巨，目前世界各國的「腦科學計劃」都還沒有將連接組計劃作為主攻方向。美國的腦計劃希望先搭橋鋪路——繼續創新研究大腦的工具手段，讓我們可以看到以前看不到的細節，如神經元間突觸的動態變化等。備受爭議的歐洲腦計劃，原本打算利用計算機模擬方法，構建人類大腦的計算模型，無奈受到歐洲各國神經科學家們的強力反對，很有可能改弦易轍。日本於2014年啟動的腦計劃決定從一種非人靈長類（狨猴）入手研究大腦的結構與功能。
西方國家已發展了逾一個世紀的現代神經科學，目前還處於「學徒」階段的中國神經科學家們將如何作出自己的貢獻？令人欣喜的是，近幾年來中國科學家們已經利用中國特有的靈長類動物（猴類）資源作出了一系列震驚世界的發現，例如世界第一個基因編輯猴與第一個可作為自閉症模型的基因工程猴等，為腦疾病研究提供了前所未有的平台與機遇。
其實，大眾更為關心的問題可能是：是否可以治癒，至少延緩腦疾病的發生髮展？是否能促進少年兒童的智力發育？是否能夠讓大腦「廣場舞」，讓大腦永葆青春？
回答這些問題，需要基礎研究與應用研究齊頭並進。據參與中國腦計劃制定的中國科學院外籍院士、美國國家科學院院士蒲慕明教授介紹，即將面世的中國腦計劃架構可以概括為「一體兩翼」：一體是以理解大腦為中心的基礎研究，兩翼是側重應用研究的診治腦疾病和類腦智能技術。中國腦計劃兼備基礎與應用研究的宏圖，期待我們中國科學家能交出一份滿意的答卷。
著名科幻電影《星際穿越》中，地球即將耗盡資源的，平時看起來毫無用處的宇航科學和尖端物理學成了讓人類拯救自身的救命稻草。腦科學研究也是一樣，它看似無用，卻關係到人類生活的方方面面。人類正是在攻克一個又一個前沿中創造了燦爛的文明，屹立於茫茫宇宙之中。面對著人類「最後的前沿」，讓我們像第一次飛入太空的尤里·加加林那樣，豪情萬丈地說：「讓我們出發！」
作者：仇子龍 中國科學院上海神經科學研究所研究員
編輯：白璐
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