奥巴马宣布了一项雄心勃勃的计划，要开发探索神经回路的新工具

普尼特·科里帕拉

在华盛顿，大脑研究近来吸引了很多人的注意。奥巴马总统在2013年2月的国情咨文（February State of the Union address）演讲中，呼吁支持阿尔茨海默症的研究，到了3月，他又更进一步宣布了一项为期十年的计划，旨在开发先进的工具，来追踪人类的大脑活动。政府称其为“借助先进的创新的神经技术来开展大脑研究” 行动，并提出在2014财年，为这个计划拨款1亿美元。

多年来，科学家一直在讨论这类计划并在过去的几个月里，努力把其向前推进。2013年3月15日的《科学》杂志上，研究人员说这个计划会开发出更先进的技术，和当前的技术能力相比，其可在更大规模上探测大脑活动，并具有更高分辨率。

当前的工具只能同时监测少量的个别神经元，或是抓取模糊的、鸟瞰似的大脑活动图。新工具会让实时绘图成为可能：成千上万甚至上百万的神经元，如何在互相协调的细胞群里面一起工作，也就是被称作“回路”的细胞群。大脑功能——很多时候，是大脑功能障碍——被认为是在回路层面形成的，虽然我们对这些回路的描述依然贫乏。

“除非开发出适用的工具，否则没办法绘出示意图来。”哥伦比亚大学科维理脑科学研究所的拉斐尔·尤斯蒂（Rafael Yuste）说，他是大脑研究计划的倡导者之一。

研究人员需要开发出三套工具，以便更好地理解脑回路。第一个是可测量某个回路每一个神经元活动的工具；第二个是开发出可针对这些神经元进行实验操作的技术；第三个是要能进行数据储存、分析，并可让数据供所有研究人员开放使用的工具。

如今，科学家能直接通过探测单个的神经元来检测神经通信、被称为动作电位的电信号的主电流（main currency）。但是现有的工具一般都是侵入性的，很难用在人类身上，或者分辨率很低，大脑计划的倡导者们在3月26日的《美国化学会·纳米》（ACS Nano）杂志上撰写文章说，新技术可能会是纳米级的，或者，它们将通过指示剂来间接检测电压。其他可能的测定目标，其中包括人们称为神经递质的化学信使分子，这些信使经由突触使动作电位在神经元之间传递。

举个例子，研究人员已经利用激光显微镜来测量钙离子，钙离子可指示电压。最近一个研究用到了特殊的激光显微镜发射“光片”（light-sheet）去检测钙离子，绘出了斑马鱼幼鱼的大脑活动图谱，该大脑约由100 000个神经元组成，图谱涉及80%的神经元。文章的作者，弗尼吉亚州阿什本霍华德修斯医学研究所（Howard Hughes Medical Institute）的米莎·阿伦斯（Misha Ahrens ）把这个方法比作：在雾蒙蒙的地方，用薄薄的光片去照明，而不是用灯泡；光会被雾给散射开来，但薄层光所受的散射会远远小于发散的灯光所受的散射。

上述图谱记录了每秒一次的活动情况，该实验结果发表在2013年3月18日的《自然—方法》（Nature Methods）上。脊椎动物的大脑活动第一次被揭示得这般细致，这是前所未有的创举。阿伦斯说，为了更进一步以每秒一千次的速度捕捉大脑的工作方式，需要显微镜技术的重大变革，这也是科学家们所期待的。

另一个令人振奋的前景是量子点、纳米级的半导体的使用，这类材料经过合理设计，可发出不同颜色或亮度的光，这取决于电压或是神经递质的水平。

“研究人员甚至预想出人工细胞可充当测量工具和神经元之间的联络员。”哈佛大学的遗传学家乔治·丘奇（George Church）说，他曾是人类基因组计划的领军人物。

按开关

成像和测量工具使研究人员能够把神经元活性或是神经递质水平与大脑特定的功能或是功能障碍联系起来，操控单个神经元的行为会促成更多有力的实验，同时，也能带来临床上的应用。

在迅速发展的光遗传学领域，用光照刺激经过基因工程改造的神经元，神经元就打开或者关闭。“我们能选择性地激活个别神经元，这么做，你会真正地把握因果关系。” 西雅图阿伦脑科学研究所的神经生物学家克雷·里德（Clay Reid）说。

2013年4月3日的《自然》杂志报道说，巴尔的摩国家药物滥用研究所和加州大学圣地亚哥分校的研究人员使用光遗传学技术，通过操控大鼠特定的神经元群的活动，可促成或减少强迫性的可卡因用药（compulsive cocaine use）。

研究人员希望通过这些发现，发展出药物成瘾的新疗法，但是通往临床应用的道路困难重重，需要持续不断地投入。“光遗传学或类似技术的发展需要很多的帮助，因为其带来的好处极大，会远远地超过成本。”国家药物滥用研究所的安东尼洛·邦奇（Antonello Bonci）说。

他说，光遗传学的一个很大的优势，在于其几乎能实时操作神经元。但其不能长期使用。在邦奇的实验室中，邦奇把光遗传学与另一种很有希望的技术加以互补，这项技术的时间分辨率较低，但可长时间持续使用。该技术涉及神经元的移植，神经元经过设计改造，可对特定的化合物产生反应。注射特定的化合物，可使细胞激活或失活。

迎接正在涌来的数据洪流

监测并操作单个的细胞只是部分挑战，每秒一千次地追踪一百万个神经元将会产生大量数据，需要软件、数据库和硬件来储存并分配这些信息，还要对其进行加工处理、分析。项目的倡议者们2013年1月在加州理工学院开了个会，讨论如何应对数据需求——同时处理一百万个神经元的话，大概需要每秒处理1GB（千兆字节）的数据。

会上的一份报告称，研究人员可以把数据压缩10倍，且不会牺牲关键的细节，最终，数据问题应该会有办法解决。另一个拟议的大科学项目，“大型综合巡天望远镜”（Large Synoptic Survey Telescope，LSST）项目，每年会产生大约10 000 000GB的天文学数据，从21世纪20年代初期开始，正好是百万级神经元工具上线的时候。

技术障碍并不是尤斯蒂和他的同事唯一担心的事，华盛顿又发生财政危机，很难去启动什么大项目。资金的不确定性，让科学家们又添疑虑，他们想知道，是否会从其他科学研究中拿出钱来，去资助一个缺乏具体的最终目标的“大科学”项目。

一种追踪钙的技术已经能测量小型的神经元群的活性。

国立卫生研究院院长弗朗西斯·柯林斯（Francis Collins ）说，他的机构已经组建了一个工作小组，由神经科学家和一些纳米科学家组成，来管理项目的时间表和科学目标。洛克菲勒大学的神经科学家科莉·巴格曼（Cori Bargmann）是联合主席之一，他之前表示过担忧，项目可能会拿走其他神经科学工作的资金。

纽约大学的神经科学家盖瑞·马库斯（Gary Marcus）说，该项目过多地集中在工具开发上了，不过他也注意到政府的提案也许足够灵活，可以资助其他神经科学研究领域的项目。

他担心如果工具开发出来了，但没有带来人们预期的各种希望，不知道到时候会出现什么状况。“我们肯定会了解到一些东西，”马库斯说，“但是否了解到了我们想知道的一切，则是另一个问题。” U5vGaWBQ/Jo9m6SxYQ6wXIYzc1NsH7NypNo2oSw5QSY8a8/m+dGLidL2au3sX2v/