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人脑的第一份详细的基因图谱让我们知道了人类与小鼠的差别有多么巨大，也让我们重新审视了灰质的工作原理。
撰文／埃德·雷恩（Ed Lein）
迈克尔·霍里利茨（Michael Hawrylycz）
翻译／朱机
目前，科学家已经成功检测了六个人类大脑中的所有基因活动，绘制了这六个大脑的基因图谱。
在脑科学和医学领域，小鼠作为人类的替代者被广泛用于研究，但新的大脑基因图谱显示，人类大脑和小鼠大脑有着巨大差异。
大脑基因图谱和其他关于更细微大脑结构的相关研究一起，为一些神经疾病的病因及疗法研究提供了重要参考。
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埃德·雷恩 是神经生物学家（上图）， 迈克尔·霍里利茨 是应用数学家，两人都任职于美国艾伦脑科学研究所。在绘制小鼠、恒河猴和人类的大脑基因图谱的工作中，他们都发挥着重要作用。
当你看到这几行字时，眼睛会扫过页面，然后看懂了这些字词句组合在一起是什么意思。同时，你的心脏正不断收缩、舒张，你的膈肌在起起伏伏控制呼吸，为了维持现在的姿势，你还收紧了背部肌肉，在意识和潜意识的控制下，你的身体执行了1000多项任务，而这些任务都是在大约860亿个神经元，以及同等数量的支撑性细胞的协调、控制之下完成的—这些细胞，都存在于你的颅骨之内。
在神经科学家看来，即便是像看杂志这样简单的动作，都是非常奇妙的特技，代表着现今最难解的科学谜题之一：坦白来讲，科学家至今还没有弄清楚，人类的大脑是如何思考的，为什么猴子的大脑不能像人类一样进行推理？
神经科学家致力于大脑研究已有一个多世纪，但我们有时仍感觉自己就像刚登上新大陆的探险者。最早的“登陆者”绘制出了整体轮廓和分割界线。20世纪初期，德国科学家科比尼安·布洛德曼（Korbinian Brodmann）将切成薄片的人类大脑放到了显微镜下，开始仔细观察人脑灰质的最外层──大脑皮层。这一部位掌控着我们的绝大多数感知、思想和记忆。根据大脑皮层的局部结构和各种方法得出的细胞染色结果，他将大脑皮层分成几十个区域。
此后逐渐形成的一种观点认为，各个大脑区域分别负责特定的功能。有些神经科学家并不认同功能按区域划分这一理论。但随着新技术的涌现，分区模型再次流行。功能性磁共振成像（fMRI）就是最重要的技术之一。通过这项技术，科学家可以看到，当人们在阅读、做梦甚至撒谎时，哪些脑区会更活跃一些。借助这一技术，科学家正在建立一种图谱—把他们观察到的结果与人类的真实行为对应起来。
不过，也有一种新观点认为，大脑更像是一个非正式的社交网络，并没有严格的分工。这种观点提出，一个神经元与其他脑细胞之间的连接，要比它所在的位置更能影响神经元的行为。无论哪个脑区，过去的经历和当前的刺激都会对其行为产生强烈影响。如果真是如此，我们可以预见，在一些执行大脑功能的脑区中，会存在一些相同的神经活动。要验证这一假说却不容易，因为大脑的神经回路很难追踪，而且人脑中有数百亿个神经元，这些神经元又形成了上百万亿个神经连接（即突触）。科学家已开展了数项计划，开发此类研究所需的新型技术工具。
2003年，人类基因组计划刚刚完成之时，我和艾伦脑科学研究所的同事认为这是一个好机会，我们可以利用这份包含了大约20000个人类基因的基因组图谱以及快速发展的基因测序系统，从全新的角度来审视人类大脑──这或许可以告诉我们，上述两类观点谁对谁错。我们意识到，将遗传学工具与传统的神经科学手段结合起来，就可以深入未知的“丛林”──我们可以据此看出大脑中的基因组，哪些比较活跃，哪些处于休眠状态。我们期待通过这份基因图谱，会发现负责处理听觉的脑区与控制触觉、运动或推理的脑区，有着迥然不同的活跃基因。
我们的目标是用大约10年的时间制作一幅三维图谱，标示出在健康人及小鼠大脑中发挥作用的那些基因。（同时研究人类与小鼠的大脑是为了对比，科学家还想把猴子大脑的情况也纳入这一图谱。）这幅图谱会给我们提供一个非常有价值的标准—究竟怎样的大脑是正常的或至少是典型的，正如当初的人类基因组计划可以告诉我们，怎样的基因组是正常的一样。我们期待这一图谱可以加速神经科学的发展和新药研发的进程，同时帮助科学家探索人类的思维是怎么形成的。
对人类和小鼠大脑工作机制的研究，已经给我们带来了一些惊喜。最让我们感到惊讶的是，尽管每个人都是独特的，但不同大脑的基因活动模式却都比较相似。也就是说，虽然人与人不同，但我们的大脑都有着相同的基因活动图谱。不仅如此，我们还意外地发现，在每个个体的大脑中，左右半球的基因活动并没有太大的差别。还有一个重要的发现是，尽管在大多数神经科学研究和早期药物试验中，小鼠都被当作人的替代者，但最新的研究结果却清楚表明，在基因水平上，人类并非小鼠的放大版本那么简单。这一发现让我们怀疑神经科学以小鼠作为模型来研究人体是否合适。
目前，美国和欧洲已经启动了数项耗资巨大、预计耗时多年的计划，以求突破大脑那令人生畏的复杂性。在这些计划中，一些着重于追踪大脑的神经连接网络，另一些则是制作高分辨率的人类大脑3D模型，或是绘制人类或其他动物大脑中的基因表达（活动）图谱。
美国国防部高级研究计划局（DARPA）的SyNAPSE项目的目标是，用神经突触芯片构建数字化的人工大脑—包含100亿个电子神经元，100万亿个神经突触。2012年，IBM的一个团队报告称，他们在美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室构建了一个概念验证式的超级计算机模型，拥有5300亿个高度简化的神经元，以及137万亿个神经连接，最终他们让这个人工神经网络活跃了半秒钟的时间。
http://research.ibm.com/cognitivecomputing/neurosynapticchips.shtml
小鼠大脑连接图谱是美国艾伦脑科学研究所的一个项目。研究中，科学家改造了一种病毒，当神经元感染这种病毒后，会合成一种荧光蛋白。这样，科学家就可以跟踪观察神经元突起的延伸和分支，看它们是如何形成复杂的神经回路的。
http://connectivity.brain-map.org
非人灵长类大脑图谱（Non-Human Primate Brain Atlas）项目正在做的事情是，弄清楚恒河猴从出生前到四岁这一发育阶段，大脑中基因的表达情况。该计划由美国国家卫生研究院（NIH）资助，也是由艾伦脑科学研究所执行。
由德国、加拿大两国科学家联手开展的“大大脑计划”（Big Brain）以一位65岁妇女的大脑为原型，制作出了一个3D人类大脑，分辨率达到20微米，其精度足以看清单个细胞。
由NIH于2010年启动、多所大学加盟的人类连接组计划招募了1200名健康成人（包括数百对双胞胎以及他们的非孪生兄弟姐妹）。该计划将汇集这些人的大脑成像图、基因序列以及行为模式，并建立相关数据库，为科学家提供参考。
麻省理工学院的“EyeWire”可让大众参与脑科学研究，帮助科学家绘制神经回路。
“蓝脑计划”（Blue Brain Project）始于2005年，由IBM和瑞士洛桑联邦理工学院的研究人员联合发起，目的是在超级计算机上用软件构建虚拟大脑。目前，研究人员已经模拟出针头大小的大鼠皮层柱，由大约10000个分层的神经元组成。
人类大脑计划是蓝脑计划的后继项目，由欧盟于2013年10月发起。此项10年计划预计耗资16亿美元，旨在创建“大脑研究的CERN（欧洲核子研究中心，因发现希格斯粒子而享誉全球）”，届时这一计划将拥有超强的计算能力，可与日内瓦近郊运行大型强子对撞机的粒子物理中心CERN媲美。
从未有人完整绘制过哺乳动物大脑的基因图谱。为了挖掘尽可能多的细节信息，我们由简单的对象开始，先从小鼠大脑着手。小鼠的基因数量和人类差不多，但它们的大脑容量大概只有人类大脑的三千分之一。
三年时间里，我们处理了100多万张小鼠大脑的切片，每张大脑切片都会用溶液浸泡，产生可见的标记物。在大脑切片上，只要结合了标记物的地方，就说明该处的某种基因表达过──即这个基因在发挥功能。基因首先会转录成RNA，这个过程是基因表达的一个中间步骤，而最终产物通常是一种蛋白质，可在细胞内发挥某种功能，比如作为酶催化某种生化过程，或者作为零件组成某种细胞机器。有时，基因转录产生的RNA无需翻译成蛋白质，就可以直接投入工作—科学家们已经发现了1000多个这类非编码RNA。
除了让我们的研究技术得到提升外，这个小鼠计划还给了我们一些惊喜。跟人类一样，几乎每个小鼠细胞都含有一套完整的染色体，因此至少具有一套完整的基因。成熟细胞中，有相当比例的基因无论在什么时候都是“沉默”的，也就是说，它们不转录为RNA。但在2006年，当我们完成小鼠大脑的基因图谱时却看到，小鼠死亡后，80％以上的基因都在大脑的各个区域继续发挥着某种功能。（神经科学家知道，大部分情况下，基因活动通常会数小时变化一次，而且在动物死后还能维持数小时。因此，即便杀死小鼠，取出大脑，仍可继续研究小鼠大脑中的基因活动。）我们开始制订计划绘制人类大脑的基因图谱时，也想知道人脑是否也像小鼠大脑一样，会有如此高的基因活跃度，而且更重要的一点是，我们想看看人类大脑中的基因活动模式是否和我们在小鼠大脑中观察到的类似。
2009年夏天，我们拿到的第一份人类大脑样品，来自一位24岁的非洲裔美国人，他的家人捐献了他的大脑。利用MRI技术，我们得到了这个大脑的完整3D模型，然后冷冻保存。这些工作都是在捐献者意外身亡后的23小时内完成的—这个速度已经足够快，可以“锁定”捐献者大脑中的常规基因活动模式。除了有点哮喘外，这位美国人是很健康的。
为了处理这份大小是小鼠大脑3000倍的样品，我们改用了另一种方法来检测基因表达情况。我们将冷冻大脑切成薄片，再进行染色和高精度成像。随后，解剖学家用激光采集显微样品。取样的位置，则是事先确定好的遍布全脑的900多个结构。接着，分子生物学家再用DNA微阵（DNA microarray）一检测这些样品，快速测量样品中转录自人类基因组中每个基因的RNA的含量（这里检测的都是可以编码蛋白的基因的RNA）。
我们将通过这种方法从第一份大脑样品中采集到的数据录入数据库。通过数据库，我们能够知道任何一个基因在那900个取样结构中的转录RNA分别有多少，进而可以知道在捐献者生前几小时内，该基因的活跃度有多高。当我们检查了一个又一个基因后，我们得到了一些令人激动的结果。现在，真正的探索可以开始了。
我们在分析第一个人类大脑的数据时就发现，左右半球的基因表达情况几乎呈镜像对称。流行文化普遍认为，左脑擅长数学、语言等特定功能，而右脑对艺术、创造性思维等方面的贡献更多，但在大脑的基因表达水平上，我们却没有发现支持这种说法的证据。我们在检测了第二个大脑后得到了同样的结果。因此，后来我们又获得了另外四个大脑时，就只检测了每个大脑的某一个半球，这让我们在构建人类大脑的基因图谱时，节省了至少一年的时间。
和小鼠中的观察结果一样，绝大多数基因在六个人脑中都处于活跃状态—84％的基因都转录生成了不同种类的RNA。大脑承担的工作极其广泛，而基因图谱也显示，各个主要脑区的功能不同，发挥作用的基因也不一样。
我们研究的六个大脑有的来自男性，有的来自女性，有年轻人的，也有老年人的，有黑人、白人和拉美裔人的。有些人的大脑较大，有些较小。尽管有着种种差别，六个大脑的基因活动情况却高度相似。如果我们在其中一个大脑的某个部位发现某个基因产生了大量的RNA，那么在其他几个大脑中大多也是如此—97％的情况都是这样。
本文作者及其同事发现，小鼠（下方）和成年人类（对页）的大脑中，基因表达模式具有显著差别，而在不同种族、年龄、性别的成人之间，大脑中的基因表达模式则相当一致。这里的网格图显示的是，人类与小鼠大脑在100多个不同位置的基因活动差异（具体请看本页下方的“如何看懂这张图”）。
人类DNA中，大概90％的编码蛋白质的基因也会以某种形式出现在小鼠的细胞中。作者检测了大约1000个这样的基因，看它们在小鼠大脑中会有怎样的功能。结果，作者发现，在这些基因中，约三分之一的活动模式都与人类大脑中不一样。比如，我们可在图中看到，在大脑皮层以外的脑区，小鼠和人类所有基因的活跃程度都有明显差别。在药物试验和神经科学研究中，小鼠常作为人类的替代者，因此上述发现让科学家担心，在某些研究中，小鼠实验是否会带来误导性的结果。
和交通地图显示城市间的距离类似，这张图绘制的是大脑中不同区域间的“基因距离”，或者更确切地说，是不同脑区间，活跃程度有显著差别的基因的数量（基因活跃程度是指基因合成蛋白的数量的多少）。基因图谱上的每个位点，比如小鼠丘脑这一部分，是以行和列同时呈现的（只有小脑核的列标注了，其他未标注）。在小鼠丘脑的这一行，每个点的大小和颜色都代表着某个基因在丘脑中的活跃程度与在其他区域（列所代表的区域）的差异。例如，从小鼠丘脑这一行最开始的几个点可以看出，小鼠丘脑和小脑核之间，表达水平有明显差异的基因相对来说不是很多。
研究人员在分析人类大脑中的基因活动模式时，也有意外的发现。在进化上，大脑皮层比其他脑部结构出现得更晚一些，也是与人类特有的高级复杂功能（例如阅读、交谈、高级推理等）关系最大的部分。研究人员发现，在大脑皮层中，各个区域的基因活动相当一致（以较淡的色块表示）。控制运动的小脑同样如此。而在其他大部分脑区中，不同位置的基因，表达水平就有较大差异，比如海马、脑桥和延髓的基因活动就很不一样。这些脑区不光人类有，鸟类以及与人类亲缘关系非常远的其他脊椎动物也有，它们掌管一些较简单的功能，比如呼吸、饥饿感、睡眠等。
接下来，我们开始查看在大脑不同部位活跃的基因。例如，我们比较了中脑和大脑皮层中活跃程度很高的基因。神经病学家早就了解到，在大脑较原始的部位，如下丘脑、海马、脑桥等（这些部位负责管理体温、饥饿感、空间记忆、睡眠等），细胞会簇集成核团，不同核团之间的行为有着显著差别。我们发现，这些核团表达的基因大多不同。在这些原始的大脑结构内，细胞们同时表达着各种基因。
另一方面，大脑皮层无论是细胞结构还是基因活跃度，都呈现出另一种情况。大脑皮层由六层灰质构成，包含多种类型的大脑细胞。在进化上，大脑皮层出现得相对较晚，它在人类大脑中的占比，也远比其他动物中的大。人类行为和个体性格的复杂性和独特性，正是拜灰质所赐。我们自然会想了解：在大脑最有人类特点的这个部分，它所拥有的那些复杂功能是否源于不同皮层部位存在不同的基因表达？布洛德曼将皮层明确分成数十个小区，而我们本来预计，各个分区的功能不同，就是因为它们使用了不同的基因组合。
可是，基因图谱表明，答案并非如此：灰质中，无论细胞来自哪个区域，是哪种类型，其基因活动情况都高度相似。
我们确实发现每种皮层细胞都有不同的基因特征，但是，在不同的区域间，基因活动并不存在明确的界限—只有位于大脑后方、负责处理视觉信息的视觉皮层是个例外。而位于大脑基部的小脑和大脑皮层一样，也是在较晚阶段才出现的大脑结构，这里的基因活动同样高度一致。
显然，这些结果与来源于布洛德曼的观点—大脑皮层可按功能划分区域，并且不同的功能、行为都是由相应区域的基因控制的—是不相符的。相反，大脑的基因图谱支持另一种理论：基因决定了细胞的类型，也为不同类型的细胞提供了基本蓝图，使它们按照预定方式从内到外有序排序，组成皮层柱。但是，大脑皮层是由许许多多“标准的”皮层柱组成的整体，因此从总体看来，相对于利用基因活动的变化来让不同的区域执行不同的功能，大脑皮层的行为可能更多取决于神经元是以何种方式连接成神经回路，以及神经回路受到过怎样的刺激。
我们选取了约1000个基因，比较它们在小鼠和人类大脑皮层内的活动。结果，我们惊讶地发现，其中近三分之一的基因在表达水平上有较大差异。比如，有些基因在人类大脑皮层中是“沉默”的，但在小鼠大脑皮层中却是活跃的，很多基因的表达水平也有很大差异。
小鼠和人的相似程度是大是小的问题之所以重要，是因为几乎所有神经学实验与药物试验都会先在小鼠身上开展。啮齿类动物饲养成本较低，生长速度快，还便于做控制和检测。不过，在小鼠身上获得成功的疗法很少能直接转变为对人体有效的疗法。两个物种在基因表达上的差异，或许有助于解释这一现象。
让我们吃惊的是，从恒河猴身上得到的数据显示，它们的大脑中只有不到5％的基因表达明显不同于人类大脑。我们的合作者目前还在制作猴脑基因图谱，所以在我们取得更多数据后，5％这一数值可能还会有变化。但不管怎样，人脑和猴脑的基因活动是如此相似，这再次说明，大脑中神经元的连接方式，而非细胞中的基因活动差异，让人类具有了不同于其他物种的特性。还有一点非常明显，那就是我们要给研究人员和制药公司提供更详细的信息，让他们能分辨出，哪些药物靶标可以拿小鼠做试验，哪些需要在人类的亲缘物种上做试验。
我们在2007年公布了小鼠大脑的基因图谱后，已经有1000多项研究用到了这一图谱。2010年，我们又向公众开放了人脑基因图谱的部分信息，即最初两个大脑样本的数据。我们下一步的工作是，给这份基因图谱补充更多的信息，提高分辨率，扩大图谱范围。
我们深知，只有弄清楚各个脑细胞的基因表达模式后，才能真正了解基因活动在大脑功能中发挥的作用。而要在人脑这么庞大而复杂的器官上完成这一工作，绝对是前所未有的挑战。好在层出不穷的新技术可以帮助神经科学家检测每个细胞中编码蛋白质的RNA。利用这些技术，我们还能检测出所有已完成转录的RNA，这也就可以弄清楚，那些不产生蛋白质的RNA（这类RNA被称为“基因组中的暗物质”）是否在大脑中起着重要作用。
为了让研究自闭症、阿尔茨海默病、帕金森病等大脑疾病的科学家可以更方便地使用大脑基因图谱，艾伦脑科学研究所已将我们的所有数据上传到网络上，供科学家免费使用—用免费软件Brain Explorer就可以点击查看这些数据。我们希望，大脑基因图谱能为其他的大脑研究铺平道路。
扩展阅读
Transcriptional Architecture of the Primate Neocortex. Amy Bernard et al. in Neuron , Vol. 73, No. 6, pages 1083–1099; March 22, 2012.
An Anatomically Comprehensive Atlas of the Adult Human Brain Transcriptome. Michael J. Hawrylycz et al. in Nature , Vol. 489, pages 391–399; September 20, 2012.
The Brain Explorer application and Allen Brain Atlas data are available online at http://human.brain-map.org/static/brainexplorer