大脑是世界上最复杂的“机器”。多个国家将投入数十亿美元，研发新工具、新技术，在未来几十年里彻底破解大脑的秘密。

撰文／拉斐尔·尤斯蒂（Rafael Yuste）
乔治·邱奇（George M. Church）
翻译／冯泽君

拉斐尔·尤斯蒂 是美国哥伦比亚大学的生物学和神经生物学教授，也是科维理脑科学研究所的负责人之一。最近，他获得了美国国家卫生研究院主任先锋奖（NIH Director's Pioneer Award）。

乔治·邱奇 是哈佛大学遗传学教授，也是PersonalGenomes.org网站的创始人。他创建的这一网站允许人们免费查询人类基因组、神经影像学、行为与认知特征的相关数据。邱奇还是《科学美国人》顾问委员会的成员。

尽管经过了一个世纪的不懈努力，脑科学家们对大脑的工作方式还是所知甚少。这个大概只有1.4千克的器官，主宰着人类所有的意识活动。很多人试图通过研究简单生物体的神经系统来理解人类大脑。尽管在30年前就已经知道了秀丽隐杆线虫（ Caenorhabditis elegans ）302个神经元之间的连接方式，但到现在为止，科学家们连这种低等生物最基本的行为（如进食和交配）是如何产生的都没有弄清楚。这中间缺失的一环，就是神经元活动和特定行为之间的关系。

想要把人类的生物学机制与各种行为一对应起来，是一个更加艰难的任务。媒体经常报道，大脑扫描显示，人的某些行为（比如当我们认为自己被拒绝，或者在讲一门外语时）会让大脑的某个特定部位活跃起来。这些报道可能让人觉得目前的技术已经能够对大脑的工作原理做出基本解释，但这种印象其实具有误导性。

这种误解的一个著名的例子，是一项研究发现，当受试者看到演员詹妮弗·安妮斯顿（Jennifer Aniston）的脸时，其大脑中的一个神经元会产生电脉冲（见本书第47页《我们的记忆由谁编码》）。“安妮斯顿神经元”的发现，有点像来自外星的信息虽然标志着宇宙中可能存在智慧生命，但信息的含义是什么，我们却不得而知。我们并不清楚，那个神经元的电活动是如何让我们认出安妮斯顿的脸，并将其与美剧《老友记》的画面联系起来的。要认出明星，大脑需要激活一群神经元，它们之间所有的信息交流都采用我们至今尚未破译的神经密码。

“安妮斯顿神经元”的发现，也是神经科学走到十字路口的一个例证。我们已经拥有记录活体大脑内单个神经元活动的技术，但要获得有意义的进展，就需要一系列新技术来监控甚至改变成千上万神经元的电活动，解密西班牙神经解剖学先驱圣地亚哥·卡哈尔（Santiago Ramóny Cajal）所说的“让诸多研究者迷失、无法逾越的丛林”。

原则上，这种突破性的技术可以填补从神经元放电到认知之间的空白，包括感知、情感、决策，最终是意识本身的产生过程。破译思想与行为背后的脑活动的精确模式，也有助于理解在精神和神经疾病（如精神分裂症、自闭症、阿尔茨海默病或帕金森病等）中，神经回路是如何失常的。

脑科学急需技术飞跃的呼声渐渐传开，奥巴马政府已于去年宣布启动“脑计划”（Brain Research through Advancing Innovative Neurotechnologies，简称BRAIN），这也是奥巴马在第二个任期内，在“大科学”项目上所做的最大努力。

“脑计划”致力于开发能记录大群神经元，甚至是整片脑区的电活动的新技术，其在2014年的启动资金为1亿多美元。而在美国之外，全球还有很多其他大规模的脑科学项目，比如欧盟的“人类大脑计划”（Human Brain Project）。这一计划为期10年，将耗资16亿美元，致力于构建全脑的计算机模拟。此外，中国、日本和以色列也都有雄心勃勃的脑科学研究计划。推进脑科学领域的投资已经成为全球共识，这让人想起了第二次世界大战后，那些足以决定一个国家竞争力的“大科学”项目：核能、原子武器、太空探索、计算机、替代能源和基因组测序。脑科学的时代已经到来。

当下的技术瓶颈

追踪大脑细胞是如何生成“詹妮弗·安妮斯顿”这个概念的，或是追踪我们感受和认知世界过程中任何的大脑细胞活动，现在都还是一项艰巨的任务。要完成这项工作，我们得弄清楚，一群神经元是如何相互作用以形成一个更大的整体，并具备特定的功能，也就是找到科学家口中的“突显特性”（emergent property）。我们知道，任何材料的温度或硬度，或是某种金属的磁性，都是通过大量分子或原子的相互作用而来的。比如碳原子既能组成耐久的钻石，也能形成柔软的石墨，后者由于极易剥落所以被制成铅笔。无论软硬，这些突显特性并非由单个原子决定，而是取决于原子的相互作用。

大脑可能也一样，我们无法从单个神经元的监测中看到大脑的突显特性，甚至对一大群神经元活动的了解不够精细，都无法从中了解突显特性。想要了解大脑如何感知一朵花或是回想一段童年往事，也许只能通过观察成百上千神经元组成的神经回路，看神经信号如何在神经回路中传递。尽管科学家早就面临这一挑战，但一直苦于没有好的技术来记录形成知觉或记忆的神经回路活动，或者产生复杂行为和认知功能的回路活动。

为了突破这一瓶颈，科学家做过诸多尝试，其中之一是描绘出神经元之间的解剖学连接（即突触）图谱—这被称为连接组学（connectomics）。美国近期启动的“人类连接组计划”（Human Connectome Project），目的就是绘制大脑内部结构的连接图谱。但是，就像之前提到的线虫研究一样，这幅图谱仅仅是个开始。单靠这张图，还不足以解释不断变化的电信号产生特定认知的过程。

要记录大脑回路中的电信号传递，需要全新的、远超目前水平的记录技术。现在的技术要么只能精确记录一小群神经元的活动，要么虽然能记录一大片脑区的活动，但分辨率极低，无法用来确定特定神经回路是活跃的，还是处于静息状态。目前的精细记录方法是把针样电极插入实验动物的大脑，从而记录单个神经元的电活动—一个神经元接收到其他神经元发出的化学信号时，就会发放电脉冲。神经元受到适当刺激后，细胞膜上的电压会反转；而电压的变化会导致膜上的离子通道打开，引导钠离子或其他阳离子进入神经元内。接着，离子流的涌入让神经元产生一束电尖峰脉冲，这束电脉冲沿着神经元的轴突传递，刺激轴突释放化学信号并传送给其他神经元，从而完成信号的传递。只记录一个神经元，就好比想要知道一部高清电影的情节，却只关注一个像素—这是不可能看懂电影的。而且这种记录技术是侵入式的，电极插入大脑时，会损伤脑组织。

而监测大脑神经元整体活动的方法，同样存在缺陷。20世纪20年代，汉斯·伯格（Hans Berger）发明了脑电图（electroencephalograph, EEG）技术—将电极贴在头皮上，就可以记录10万多个神经元的整体电活动。EEG可以记录几毫秒内脑电波的起伏振荡，但无法监测单个神经元的活动。功能性磁共振成像（functional magnetic resonance imaging, fMRI）技术以非侵入方式记录整个大脑的活动，可以生成用明亮色块表示的活跃脑区图，但记录过程缓慢，分辨率也很低。每个图像单元，即立体像素（三维像素），包含了大约8万个神经元。还有，fMRI并不能直接追踪神经元电活动，而只能通过监测立体像素中的血流变化来间接表示神经活动。

要通过神经元活动来反映大脑活动的突显特性，研究人员需要新的探测设备来同时记录上千个神经元的活动。利用纳米技术制造的新型材料，可以对小于分子的尺度进行测量，也许可以应用于大规模神经元活动的记录。

目前，科学家已经制造出了这类设备的原型产品，在一片硅基材料上安置了10万个以上的电极，可以记录视网膜上数万个神经元的电活动。进一步改进技术以后，科学家应该能把这样的电极硅片“堆积”起来形成三维结构，缩小电极体积以避免组织损伤，延长电极长度以进入大脑皮层深处。使用这类设备，就有可能同时记录数万个神经元的活动，并且可以分辨出每一个神经元的活动特性。

电极记录只是追踪神经元活动的方法之一。近年来，科学家还开发出很多新的方法。生物学家开始借用物理学、化学和遗传学领域的新技术，实时观察清醒动物日常活动时神经元的活动。

未来的技术进展，在去年的一项研究中初现端倪。美国霍华德·休斯医学研究所珍妮莉娅研究学院的米莎·阿伦斯（Misha Ahrens），用幼年斑马鱼做了一次全脑显微成像研究。斑马鱼是神经科学家钟爱的研究对象之一，因为幼年斑马鱼全身透明，有利于科学家观察其内脏器官，包括大脑。这项研究中，斑马鱼的神经元经过基因改造，当神经元发出电脉冲，钙离子进入细胞内时，神经元就会发出荧光。用一种新型的显微镜照亮斑马鱼的整个大脑，并用相机进行连续拍摄，记录发光的神经元。

上述技术叫作钙成像（calcium imaging）—本文作者尤斯蒂最先使用这种技术记录神经回路的电活动，可以记录斑马鱼的10万个神经元中80％的神经元的活动。研究发现，即使处于休息状态，幼年斑马鱼神经系统的许多区域也在以一种神秘的方式不停地在活跃和静息两种状态间变化。自从汉斯·伯格发明EEG技术以来，科学家发现神经系统其实一直处于活跃状态。斑马鱼的实验说明，新的成像技术也许能帮科学家解决神经科学中的一个重大问题：大群神经元持续、自发放电的原因。

斑马鱼实验仅仅是个开始，科学家仍需要更好的技术来发掘神经活动和行为之间的对应关系。我们还需要开发新的显微成像技术，以便同时记录一个三维结构中的神经活动。此外，钙成像需要的时间太长，很难追踪神经元快速发放的电脉冲，也无法检测削弱神经活动的抑制信号。

神经生理学家正和遗传学家、物理学家及化学家一起，努力改进光学成像技术，希望能通过直接记录细胞膜电位的变化来观察神经活动。会随着电压变化而改变光学特性的染料，也许能起到比钙成像更好的效果—这些染料可以沉积到神经元上，或是通过基因工程技术直接整合到细胞膜上。这种技术叫作电压成像（voltage imaging），或许最终能帮助科学家记录整条神经回路上每个神经元的电活动。

不过，电压成像技术还处于起步阶段。化学家还需要改进染料，使它们在神经元产生电活动时更快地改变颜色或其他特征，同时还得保证这些染料不会对神经细胞造成伤害。分子生物学家也正利用基因工程方法，构建“电压感受器”的基因序列。拥有这些序列的神经元将会合成荧光蛋白，并把荧光蛋白输送到细胞膜的外层。当神经元的电压发生变化时，这些荧光蛋白可以迅速做出反应—根据神经元电压变化而改变荧光强度。

来自纳米技术领域的非生物材料也同样可以利用。除了有机染料和荧光蛋白，“电压感受器”也可以由量子点组成。所谓量子点，就是一些微小的半导体微粒，它们具有量子力学效应，研究人员可以精确调控它们的颜色或发光强度。再如量子光学中使用的另一种新型材料—纳米金刚石（Nanodiamond），它对电场的变化非常敏感—当神经元的电活动有所变化时，电场也会变化。纳米颗粒还可以与传统的有机染料或者荧光蛋白联合，形成“杂交”分子。当神经元的活动只能让有机染料或者荧光蛋白发出微弱的信号时，纳米颗粒就可以像天线一样放大这些信号。

“分子磁带”

将神经元活动可视化的另一个技术难点在于，如何将光线传向大脑深处的神经回路，再将产生的光信号收集回来。为了解决这个问题，神经学家开始同其他领域的科学家合作，比如计算光学、材料工程和医学等领域的研究者们，因为他们也需要以非侵入式的方法观察皮肤、头骨或计算机芯片等固体内部的情况。科学家早就知道，光线碰到固体对象后会发生散射，而理论上来说，散射出的光子可以反映出固体表面的细节特征。

比如，用手电筒照射手掌，光线穿过手掌后会非常散乱，无法告诉我们关于皮肤下面骨骼、血管的任何位置信息。但是，穿过手掌的光线并未完全失去有关传播路径的信息。这些散乱的光线会发生散射，继而相互干扰。用相机拍下光线相互干扰的模式，再用新的计算方法就能重构光线携带的信息。去年，美国科罗拉多大学博尔德分校的拉斐尔·皮斯顿（Rafael Piestun）和同事利用这种方法“看穿”了不透明材料。这种技术可以同其他光学技术结合起来，比如天文学家用来校正图片，消除大气对星光的影响的技术。这就是所谓的计算光学技术，可以帮助科学家将大脑深处的神经元放电时荧光蛋白或染料发出的光可视化。

这类新技术已有一些成功用于观测动物和人类大脑。凭借此类技术，科学家已经可以观测到大脑皮层1毫米以下的神经活动（事先需要移除一小块头骨）。通过改进，这类技术可能实现直接“看穿”颅骨。但是，光学透视成像仍然没有足够的“穿透力”让我们观察到大脑深处的情况。不过，最近发明的一项被称为显微内窥镜（microendoscopy）的新技术也许能在这方面帮上忙。神经放射学家将一根又细又软的管子从股动脉插入人体内，再操控这根管子深入到大脑等人体各个部位，安装在管子中的显微光导管就能发挥作用了。2010年，瑞典卡罗林斯卡学院的一个研究小组发明了名为“extroducer”的设备，可以让内窥镜安全地穿过动脉或其他血管，使得科学家使用各种成像技术和记录仪对整个大脑—而不仅仅是血管系统—进行监测成为可能。

新方法

监听百万神经元

神经科学家需要更有效、伤害性更小的方法来观察大脑的神经回路—通过神经回路，电信号可以从一个神经元传到另一个神经元。有不少技术能帮科学家监测数千，甚至数百万个神经元的活动。其中，有些技术已经在使用，有些还只是初具雏形，它们将取代现有技术—目前的监测技术效率低下，精确度不高，而且经常需要插入侵入式的电极。

电压成像

这种技术需将染料置入神经元中，用来监测神经元的电活动。当接收到电信号，神经元细胞膜上的电压发生变化时，细胞内的染料就会发出荧光，附近的检测装置（图中未显示）将记录下荧光信号的变化。这种装置可以同时监控许多其他含相同染料的神经元的活动。

“DNA磁带”

“分子磁带”是一种全新的技术。在这项技术的一种应用中，科学家会将序列已知的一条DNA链置入神经元内靠近细胞膜的地方，然后DNA聚合酶会以这条DNA链为模板，组装一条新的DNA，并与模板形成双链DNA（左）。当神经元放电，钙离子从细胞膜上的开放通道涌入细胞内时，聚合酶会将错误的核苷酸组装到新的DNA链上（右）。这一错误，可以通过测序被检测出来。

电子和光子是记录大脑活动最常用的媒介，但并非是仅有的两种选择。DNA技术也可以成为监测神经元活动的有效手段，不过目前还处于起步阶段。本文作者中的邱奇就从合成生物学得到启发—这个领域的研究内容，是把生物材料当成机器零件一样组装在一起。随着技术的进步，科学家已经能通过基因工程手段，让实验动物合成一种“分子磁带”—当神经元变得活跃，这种分子能以特定的、可检测的方式发生改变。

在某种条件下，这种“分子磁带”可以由DNA聚合酶合成。（这种酶的功能原本是在DNA模板的引导下，把核苷酸组装成一条DNA链，与DNA模板形成双链DNA。）神经元放电时，钙离子内流，会使DNA聚合酶的工作出现错误，把不正确的核苷酸放到DNA链里。随后，实验动物大脑中每个神经元里有问题的DNA序列都可以被检测出来。一种名为荧光原位测序（fluorescent in situ sequencing）的新技术，可以显示DNA链上的各种错误—在给定体积的组织里，这些错误的发生方式，与神经元电活动的强度与时机密切相关。2012年，邱奇实验室利用一个可被镁、锰和钙离子改变的“DNA磁带”，显示了这种技术的可行性。

合成生物学未来的设想之一是制造出人工细胞，让它成为“哨兵”在人体内巡逻。经过基因改造的细胞可以作为生物电极（直径比头发细多了）放置于神经元附近，监测其放电情况。神经元的放电模式可被人工细胞内的纳米级集成电路—“电子粉尘”记录下来，后者会通过无线的方式，将收集到的数据传给附近的电脑。这些电子元件和生物学元件结合而成的纳米设备，可以由外部的超声波发射器驱动，甚至还可以直接从细胞内的葡萄糖、三磷酸腺苷等分子中获取能量。

操控神经元

要弄清楚大脑的那张巨大的神经网络中发生了什么，只给大脑“照相”可不够。科学家需要随意操控某些神经元的活动，比如让它们放电或静息，这样才能弄清楚这些神经元的作用是什么。光遗传学是近年来神经科学领域常用的一种技术，科学家会从细菌和藻类中寻找对光线敏感的蛋白，然后把编码这些蛋白的基因插入动物的基因组，让动物们合成光敏蛋白。当通过光纤用特定波长的光线照射光敏蛋白时，这些蛋白质就会使神经元放电或者静息。运用这种技术，科学家已经可以激活与愉悦和其他奖赏感以及帕金森病患者运动能力受损有关的神经回路，甚至还成功地给小鼠植入了原本不存在的记忆。

对基因工程手段的依赖，意味着光遗传技术在短期内还很难在人体上进行测试，更别说用于治疗疾病。更有可行性的一个替代方案是，将神经递质（传递神经信号的化学物质）和一种名为“笼子”的光敏化合物接合起来。在光照条件下，笼子会解体，释放出有活性的神经递质。2012年，明尼苏达大学的史蒂芬·罗斯曼（Steven Rothman）和尤斯蒂的实验室合作，将γ-氨基丁酸—一种抑制神经元活性的神经递质—与钌元素形成的“笼子”接合，并置于大鼠的大脑皮层上。这只大鼠事先接受了化学物质的处理，被诱导出了癫痫症状。接着，向大鼠的大脑照射一束蓝光，让“笼子”释放γ-氨基丁酸，大鼠的癫痫症状明显得到缓解。最近，科学家正用类似的“光化学”方法，研究特定神经回路的功能。如果继续优化该技术，也许将来可以将它应用于治疗某些神经或精神疾病。

从基础研究到临床应用还有很长的路要走。每种大规模测量和操控神经活动的新方法，都必须经过从果蝇到线虫再到啮齿类动物的试验过程，最后才能用于人类。通过科学家的努力，也许在五年内，我们能够做到同时记录并且用光控制果蝇大脑中10万个神经元的活动。而监测和控制清醒状态下的小鼠大脑中的神经元活动，在最近10年内可能还无法做到。有些技术，如用细电极干预抑郁症或癫痫病人的神经回路，也许在几年内就能投入临床应用，而有些技术则还得等上10年或更长时间。

随着神经科学技术的日益成熟，研究者需要更好的办法来处理和共享海量的数据。对小鼠大脑皮层的所有神经元活动进行成像，一个小时就能产生300TB的压缩数据。不过，这绝不是无法完成的任务。同天文台、基因组研究中心以及粒子加速器类似，先进的神经科学研究设备可以获取、整合和分发这些海量的数据。正如人类基因组计划催生了生物信息学来处理和分析测序所得的数据一样，计算神经科学将能解码整个神经系统的运作。

操控神经元

安装神经开关

除了观察神经回路中的电流，科学家现在更希望能随意操控某个神经回路，这样才能了解如何控制特定形式的脑活动。总有一天，这些新兴技术将能消除癫痫发作和帕金森病人的震颤。这些技术中，有两个需要依赖光信号（下图）。

光遗传学技术

正如名称所示，光遗传学是将光信号和基因工程结合起来，激活活体动物的神经回路。首先，将产生光敏蛋白（这里是视蛋白opsin）的基因放入病毒中，再把病毒注射到动物大脑内，让病毒把基因转入神经元。因为经过了改造，这个基因只能在特定神经元中表达，合成视蛋白，并把视蛋白安置在细胞膜的表面。视蛋白是一个离子通道蛋白。通过插入脑内的光纤传入光信号，可以开启视蛋白通道，让离子涌入神经元，进而让神经元发放电脉冲。

光化学技术

还有一种技术可以避免繁琐的基因工程，这就是光化学技术。病人先吃下一粒药丸，其中含有光激活分子（“笼子”），分子上结合有神经递质。当药丸成分到达脑部后，通过内窥镜，或从颅骨外发射光脉冲，可让“笼子”解体，释放神经递质分子，后者会结合到神经元细胞膜的离子通道上，让通道打开，离子随即涌入细胞内。这些涌入的离子会使神经元放电，发出电信号。

分析来自大脑的海量数据不仅能让这些数据变得井井有条，也会给新理论的出现奠定基础，这些理论将解释看似杂乱无章的神经元活动，是如何形成认知、完成学习与形成记忆的。不仅如此，这项工作还可以验证一些此前无法验证的理论，证实或者推翻它们。一个有趣的理论就推测，一个活跃的神经回路中，很多神经元会以特定顺序放电，这种活动模式可能代表了大脑的某种突显特性—一个想法、一段记忆或一个决定。最近的一项研究中，小鼠需要穿过投射在屏幕上的虚拟迷宫，每当小鼠在某个岔路做出决定时，就会激活几十个神经元，这些神经元电活动的动态变化和前述理论的描述很类似。

深入了解神经回路还将改善阿尔茨海默病、自闭症等大脑疾病的诊断，也将有助于我们了解这些疾病的成因。医生将不再只靠外在症状来诊断和治疗这些疾病，还可以检测与这些疾病相关的神经回路在电活动上的变化，进而对神经回路进行矫正。而且，弄清楚了这些疾病的根源，还能给医药和生物技术行业带来经济利益。不过，和人类基因组计划一样，这些技术将面临伦理和法律问题。特别是，如果这类研究让人们找到了可以辨别或改变病人的精神状态的方法，就必须获得病人的同意，小心地保护病人的知情权和隐私权。

不过，这些大脑研究项目要想成功，科学家以及他们的支持者必须把重点放在神经回路活动的记录与控制上。美国的“脑计划”最初源于《神经元》杂志在2012年刊登的一篇文章。在这篇文章中，我们和其他同事一起倡议：物理学家、化学家、纳米科学家、分子生物学家和神经科学家应该长期合作，利用新技术监测、调控整个大脑回路的电活动，从而构建“大脑活动图谱”。

我们要说的是，尽管雄心勃勃的“脑计划”已经取得了一些进展，但我们不能忘记初衷—开发和构建新工具。脑科学研究的领域很广阔，“脑计划”很容易就会演变成一个复杂的“愿望清单”，充斥着神经科学众多分支领域研究者的各种兴趣。这样的话，“脑计划”最终会沦为各个实验室现有研究计划的补充。

如果真发生这种情况，就不大可能出现重大进展，当前的技术难题也无法得到解决。我们需要不同学科之间相互合作。要想开发新技术，同时监测整个大脑区域中数百万个神经元的电压变化，只有通过大量跨学科团队的通力合作和持续努力才能实现。获得的新技术应该掌握在类似天文台那样的大型机构手中，让整个神经科学研究界共享。我们有着足够的热情去开发新技术来记录、调控和解码大脑的电活动模式，弄懂大脑的“语言”。我们认为，如果没有新技术，神经科学将一直处于瓶颈状态，无法检测种种行为背后的大脑突显特性。只有理解和运用大脑的“语言”—电脉冲，我们才能弄清楚自然界中最复杂的“机器”到底是如何运作的。

扩展阅读

The Brain Activity Map Project and the Challenge of Functional Connectomics. A. Paul Alivasatos et al. in Neuron , Vol. 74, No. 6, pages 970–974; June 21, 2012.

The NIH Brain Initiative. Thomas R. Insel et al. in Science , Vol. 340, pages 687–688; May 10, 2013. NYhMOaDG+MWw0UuYhv4vYQBLRIbcaaOhtPC6xF1nqaBNq6oIiAPEhx16Xb8TDHbK