总统振臂一呼，神经科学家应者云集，大家一起来解谜，最终将破译大脑思想及行为的密码

劳拉·桑德斯

要是美国总统提出请求，科学家一般都会响应。物理学家为罗斯福总统造出了原子弹；NASA的工程师为肯尼迪总统把人送上了月球；生物学家给欣赏他们工作的克林顿总统呈上了第一份人类遗传目录草图。

所以，当奥巴马总统在2013年4月宣布了一项雄心勃勃的计划——来认识大脑，人们迅速就把其视为下一个曼哈顿计划，或者下一个人类基因组计划，或者下一个登月计划。

这些类比可能不那么确切。相对于理解神秘的大脑内部工作机制，其他那些事业在一开始，就能看得到终点，可认识大脑不一样。

人类大脑里有850亿个神经细胞，它们通过数以万亿的神经连接进行通信，而通信利用的是复杂的电活动模式和100多种不同的化学物质。一块豌豆大小的脑组织，包含的信息比国会图书馆还多。但是不同于图书馆里井然有序的书架和编目完备图书，大脑的组织结构在很大程度上依然模糊难辨，思想、学习、情感和记忆的背后，隐藏着无尽的奥秘。

但是，与因总统提议而促成的其他具有挑战性的事业一样，成功的话会改变世界。深入理解大脑如何运作以及运作失常时是哪里出了问题，会帮助提供各种大脑疾病治疗方法——从自闭症和阿尔茨海默症到抑郁和药物成瘾——而在世界各地，数以百万计的人们饱受着这些疾病的折磨。

这就是为什么奥巴马总统支持“大脑行动”（BRAIN Initiative），这是“借助先进的、创新的神经科学技术来开展大脑研究”（Brain Research through Advancing Innovative Neurotechnologies）的简称。其出发点很简单：在医生们能修复大脑之前，科学家先得理解大脑是如何运作的。而要理解大脑如何运作，科学家需要工具来研究。“大脑行动”第一年获得了1.1亿美元的联邦经费支持，旨在激励科学家开发新技术，去测量并控制大脑。最终，如果要成为又一个由总统促成的科学成就，该计划就要编制出大脑里所有的零部件和活动过程的目录，探索细胞和分子如何创造出思想和行为，并造出强大的新武器来消灭大脑和精神疾病。

然而，且不说那些科学挑战——每个挑战都巨大无比，这个计划还面临着很多重大的后勤方面的障碍。比如说，还不清楚各个政府机构和私人研究所参与这个项目会如何协调各自的工作。同样不清楚的是，大脑行动将怎样和欧盟的13亿美金的人类大脑计划（Human Brain Project）结合起来。有的科学家说，大脑行动的初始资金太微不足道了，以至于无法取得真正的进步，况且未来的资金还有政治上的不确定因素。

很多科学家都说，可能最令人困扰的问题是大脑行动没有明确的目标。不像蘑菇云、收集月球岩石或是为人类编写软件，大脑计划未展望任何实质性的结果。“这个计划上，成功会是个什么样子，还不清楚。” 托马斯·因泽尔（Thomas Insel）说，他是马里兰州贝塞斯达国家精神卫生研究所的主任。

尽管有这些警告，可是很多神经科学家还是非常感谢奥巴马总统的宣告，因为这提升了大脑研究的地位，也让人来关注他们的团体。“总统说的时候，人们听到了，”西雅图艾伦脑科学研究所的克里斯托夫·科赫说，“我认为，这本身就是件非常重要的事。实际上这说明神经科学的时代到来了。”

雄心勃勃的目标

虽然大脑行动的目的很难用具体的语言表述，但这个计划富有远见，前景光明。“最终目标是理解我们是谁，”加州拉霍亚的索尔克生物研究所的特里·谢诺沃斯基（Terry Sejnowski）说，“为何我们的大脑能看到外面的世界，理解万事万物呢？为何我们能做出决定？为何我们能协调庞杂的知识？”

负责把这些深奥的目标转化成了具体的行动的人，开始用更精确的方式来定义他们的任务。但是要如何进行，还没有达成共识。在没有核心的组织机构，仅有三个政府机构参与的情况下——国立卫生研究院（National Institutes of Health，NIH），国防高级研究计划局（Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA）和国家科学基金会（National Science Foundation，NSF）——大家都用自己的方式来解释大脑行动的使命。参与这个行动的私人机构，包括索尔克研究所、艾伦研究所、Kavli基金会和位于弗尼吉亚州阿什本市的霍华德休斯医学研究所的珍利亚农场研究园区。

NIH为2014财年提供了4000万美元的经费，他们走的是一条有条不紊的研究路径，一开始就委任了一个16位神经科学家组成的委员会。这个专家小组由斯坦福大学的威廉·纽瑟姆（William Newsome）和纽约洛克菲勒大学的科妮莉亚·巴格曼（Cornelia Bargmann）领导，在2013年的夏天举办了四场研讨会，和参会的神经科学家们一起讨论了这个行动必须包含哪些内容。

2013年9月，委员会发布了一份初步的报告，描述了九个重点领域，他们都极具雄心。比如，NIH小组想要对各种不同类型的脑细胞或者说神经元进行普查，是这些细胞共同作用产生了行为。这个愿望清单，对开发强有力的新工具也很重视。其中一个目标是要求开发一种工具，可以清晰生成人类大脑解剖图谱。

进一步的重点领域包括了技术开发，拟开发出一种新技术，该技术能在同一时间侦听多个神经元，并允许科学家不单可以听、还可以改变这些神经元行为。为了让这一切数据有意义，报告呼吁要改进理论的统计和建模方法。

专家小组的成员谢诺沃斯基说，这里的每一个目标，单独来说，相对容易达成，也许花上几年甚至几十年就可以了，但就最终的报告来说，其目标、里程碑和时间轴还要再打磨。

和NIH一样，DARPA 也强调要开发新工具，但是他们的目标更富有针对性，2014年他们投入了5000万美元用于治疗士兵。国防科学办公室的副主任杰弗里·凌（Geoffrey Ling）说：“如今现役士兵有很多医疗问题。”

“当前，死于自杀的军队士兵比打仗伤亡的还多，”凌说，“而这只是冰山一角。” DARPA 解释了其在大脑行动中的角色，用来缓和士兵中蔓延的某些致命的精神健康问题。

脑科技 奥巴马总统的“大脑行动”想要全面理解：神经细胞是如何对分子和电过程进行精心编排，让大脑能进行思想、学习并能控制其行为的。行动的核心内容是专注于改善现有的技术并开发新技术，在越来越小的尺度上，探索大脑的内部工作机制。

2013年10月和11月，DARPA 宣布了两项计划，称为SUBNETS （Systems Based Neurotechnology for Emerging Therapies，新型疗法的系统性神经科技） ，寻找新的方法记录创伤后应激障碍、焦虑症、外伤性脑损伤和其他疾病患者的大脑的神经活性，并刺激他们的大脑。DARPA期望设计一种器械，该器械能用于精神健康问题的诊断和治疗，首先是侦听异常的电信号，然后校正这些信号。该计划需要工程师去制造新的医疗器械，需要计算神经科学家去发展神经元如何传递信息的理论，还要有临床医师来测试设计原型。

第二个计划，称为RAM （Restoring Active Memory，恢复活跃的记忆），旨在开发一种可植入大脑的装置，能帮助士兵或退伍军人恢复失去的记忆。该计划由凌设计提出，打算将观念迅速变成装置。“我们的时间线是四到五年，这不是开玩笑。”他说。

寻找新工具

要达成这些雄心勃勃的目标——弄清楚神经元如何创造行为，治疗精神疾病并恢复失去的记忆，仅仅利用今天的技术是不可能的。即使科学家们侦听并操纵神经元的能力已有巨大的飞跃，但是当前的方法还是远远不够的。

“工具必须成为焦点，” 谢诺沃斯基说，“我们必须让那些工具到位。在我们拥有这些工具之前，真是无法取得进展的。”

NIH最初的计划反映了这种信念。2013年12月17日，这个机构针对拟资助的项目发布了六个要求，这些项目是大脑行动的一部分。其中每个计划都描述了建造工具的方案。“我们力图让工具和基础设施都到位，这样我们就能对健康人和病人的大脑都是怎样运行的有更深刻的了解。” 因泽尔说。

科学家想要同时监测多种神经元的电信号和化学信号，这期间还要能放大来观察，甚至还能处理那些神经元。现今常用的方法之一，乃是依靠几十年前设计的电极去侦听神经元行为。“神经科学领域依然在沿用20世纪50年代的技术，”因泽尔说，“然而其他领域已经学会怎样去无线化、小型化了。”

磁共振成像技术（或称MRI）可以让科学家获得良好的有关全脑及其广泛活动模式的解剖图谱。MRI技术虽然不错，但依然丢失了很多细节。一百万个神经元可存在于一个像素里，像素是功能性MRI能检测到的最小单位。“MRI向你展示了精彩的神经解剖学细节，很出色，但是却有解析度的局限，”凌说，“我们能怎样改进它呢？容易，建造更大的磁场。让我们做一个50特斯拉的磁体，你想把这个磁体放在哪个城市呢？你要放的话，会毁掉大约七个街区。超大号的现有技术行不通，需要有全新的理念。”

还需要全新的方法来精确地控制神经元的行为。有一种强有力的新工具——光遗传学，研究人员可以用光来控制动物身上特定的脑细胞，但是其在人类身上行不通，因为该技术需要进行遗传改造，使神经元能生成特殊的光敏蛋白。现在，科学家被迫依赖精确度较低的方法来改变人类神经元的活动。

举个例子，精神病药物能改变神经元行为，但是结果不精确，就像是用油去熄灭整个汽车引擎。大脑里每个细胞都接受了药物，而只有少数神经元真正需要药物。此外，大多数情况下，科学家依然不理解精神病药物是如何发挥作用的。一种不同的、不需要药物的方法可能会发挥更好的作用：深脑刺激（deep brain stimulation）。它可以作为大脑的起搏器，用植入脑内的电极电击神经通路，这种深度脑刺激在治疗帕金森和严重性抑郁症的患者方面显示出广阔的前景。然而，与精神病药物一样，这个技术依然不精确，人们对其的认识也不充分。

在光遗传学中，科学家利用光去控制脑细胞，这些细胞经过基因改造，会对光有反应。虽然已经在小鼠这样的动物身上得出了有用的结果，但是光遗传学在人身上不可行。

“我认为人们利用当前的工具处理不了像大脑那般复杂的东西，这些工具太粗糙了，” 谢诺沃斯基说，“就像是用扳手处理计算机。”

科学家们需要更新更强有力的工具，而不是更多的扳手。艾伦研究所、HHMI和其他机构已经与一家名为IMEC的纳米电子学研究中心合作，要制造一种微小但强劲的电极，这种电极能够以极高的精确度记录数百个神经元的行为。

珍利亚农场的科学家设计出了若干复杂的方法来说明斑马鱼、果蝇和小鼠的神经行为。经过遗传工程改造的神经元，会生成GCaMP蛋白，研究人员能观察到单个的神经元发送信息。“利用蛋白探测神经活动的想法并不新鲜，但是这种新方法的敏感性比以往的方法都高。”珍利亚农场的执行总裁杰拉尔德·鲁宾（Gerald Rubin）说。2013年3月，珍利亚农场的研究人员播放了一段斑马鱼脑活动的影片，赢得了业内人士的一致赞叹。

科学家也在绘制神经元连接图谱方面取得了一定的进步。大多数尝试靠的是强有力的显微技术。但是纽约冷泉港实验室的安东尼·扎多尔（Anthony Zador）认为可能还有更好的方法。

扎多尔和同事试着利用DNA序列来解决问题，而不是用显微镜。他们的方法用的是遗传手法去标记带有独特的DNA链的神经元。通过那些DNA标签与突触——（神经元之间的通信连接）的融合方式，计算机就能重建大脑里所有的物理连接。迄今为止，这个团队只在培养皿里的细胞上取得过成功。扎多尔估计，如果这个技术可以在动物身上使用，那么要算出整个小鼠皮层中每一个突触，花几千美元就够了。

愿景成真

纽瑟姆说，如果大脑行动是要做出下一种伟大的脑技术的孵化器，其回报将是巨大的。技术能力要能容许同时记录好几万个神经元的行为、绘制这些神经元间连接的图谱，以及控制这些神经元，而这一切都将是在完全清醒的活体动物或人身上进行，“这是神经科学的历史上想都不要去想的事，” 纽瑟姆说，“这是激动人心的愿景。”

要让这些愿景成为现实，意味着神经科学家在如何进行自己的工作的问题上必然要面临巨大的变化。但是，随着神经科技的进步，产生的大量复杂数据也日渐增多，神经科学家将需要对统计学、工程学和计算生物学多加了解。为了成功，大脑行动需要把这些不同领域的专家凝聚到一起，也需要神经科学家协调他们的工作，并自由地分享数据。“我们需要改革人们做研究的方法，” 谢诺沃斯基说，“对参与大脑行动的非政府机构来说，也一样需要改革研究方法。”

当前没有哪个机构或是哪个人负责该行动。这种权力的分散，可能会带来迅速的进步，不会有无谓的重复劳动，也不会有麻烦。尽管有三个政府机构参与（DARPA、NIH 和NSF），但他们都很清楚其他机构在做什么，彼此的优先度各异，不会合并在一起。“我们都忙着让这些项目启动，我觉得我们没有时间去想它们要怎么整合。”因泽尔说。

被白宫称为“合作伙伴”的私有集团也确立了自己的路线，在他们认为合适的地方花自己的钱。由于艾伦研究所、索尔克研究所和珍利亚农场的目标与联邦政府的目标非常一致，这些研究所预计不会改变他们之前所设定的研究议程。

“合作伙伴关系是个很有趣的说法。” 珍利亚农场的鲁宾说。在某种意义上，珍利亚农场是合作伙伴，因为他们把很大一笔钱（每年3000万美元）投向了那些与大脑行动目标相一致的项目。那些研究大多聚焦于果蝇大脑中的信息是如何储存和如何加工处理的。“我们与NIH、NSF和DARPA这些人一起围坐在一起，确定目标是什么，然后共同决定我们要做什么，在这个意义上，我们并非合作伙伴。”鲁宾说。

同样，科赫说艾伦研究所已经在着手解决NIH小组提出的大多数问题。“我们正在完成大脑行动的部分使命。”他说。艾伦研究所的科学家正在构建详细的小鼠大脑图谱，这可能有助于理解人类大脑是如何运作的。

艾伦脑科学研究所是与大脑行动合作的一个机构，他们一直在绘制小鼠大脑的连接图谱。

除了正在开展的私人资助的研究，大部分新的大脑行动研究会需要新的联邦资金。而到目前为止，新的联邦资金不足。2014年NIH投入了4000万美元到大脑行动上，而这个机构每年花在神经科学研究上的资金是57亿美元，投给大脑行动的还不到1%。2014年DARPA将花5000万美元在其新宣布的项目上，而NSF将花2000万美元在已经开展的相关项目上。

因泽尔说，尽管对很多科学家来说，大脑行动初始的经费规模似乎很小，这些钱就是预付的订金，但雪球会越滚越大，希望国会将为项目提供更多的支持。

为了让给政府预算投票的政客们接受项目，科学家需要标语、口号，需要用一种简单的方式说明大脑行动的重要性。迄今为止，还没有明确的方式。“我们委员会已经讨论过很多，也想了很多，” 纽瑟姆说，“但是这个小组还没能推出一种有力的方式，把握这项目的精髓。”扎多尔说：“这个问题至关重要。我们力图把其描述为一个像阿波罗计划那样的项目，要到什么程度呢？在这种情况下，你们要找一句行动口号和一个具体的可交付的成果。或者，在多大程度上你们能承认这是一个开放型的项目？推销很重要。当前经济紧缩，对政客和公众来说，经费支出必须得有正当的理由。如果大脑行动未能如期做出成果，人们会很失望。”

珍利亚农场的肖恩·埃迪（Sean Eddy）说：“也许对大脑计划的最好描述是：这是一个楔子，而不是一种允诺，答应人们来治愈大脑疾病，或是开启记忆、情感和思维的奥秘。”埃迪在4月下旬的《当代生物学》（Current Biology）上写道：“利用精细复杂的工具，大脑计划承诺去探索神经科学研究的全新领域，这会促使世界各地的无数实验室在各自的大脑细分领域做出新的成就。”

大脑行动成功的愿景大到惊人——成千上万名神经科学家配备了新型工具库，一齐猛攻大脑这荒凉之地。和奥巴马总统可能支持的其他计划相比，大脑最有价值。

即使这个计划失败，科学家依然会有很多收获。如果计划成功，好处几乎是难以想象的。临床医师能够中和——乃至预防——毁灭性的疾病，比如说自闭症、阿尔茨海默症和外伤性脑损伤。通过照搬大脑的运作体系，计算机也会变得前所未有的强大。教室、军队训练营和审判室都能被优化，以发挥人类大脑的优势。这些都是神经科学家们的动力，而就其不足之处来说，大脑行动已经成功地让人们去梦想种种可能了。

“我无法告诉你，从现在起这两年时间会发展到什么地步，” 谢诺沃斯基说，“但我能说的是，一定会是很超前的进步。”

大脑行动的优先领域

为了回应奥巴马总统提出的新的重大行动——理解大脑——要求，国立卫生研究院组建了一个委员会，拟定出一份优先领域的名单。这个小组列出了9个重点领域，简述如下：

1.进行细胞类型普查

描述神经系统中各类细胞的特征，并开发工具来观测并控制它们。

2.建立大脑的结构图谱

绘制局部和分散各处的神经回路中参与连接的神经元的图谱，以便理解神经元结构和功能之间的关系。开发工具，以在各个尺度上重建神经回路解剖学，并识别回路输入和输出信号。

3.开发新的大尺度网络记录功能

利用现有技术的改进，以及全新的技术，记录各个脑区长期的完整网络中的神经元活动。

4.开发一套神经回路控制工具

利用光遗传学、药理学、生物化学和电磁学工具，激活或抑制神经回路的活动。

5.关联神经活动和行为

理解认知和行为的神经基础，利用各种技术测量和操控神经元活动，同时在各种条件下进行精确观察。

6.整合理论、建模、统计学、计算结果和实验

利用新的挖掘、分析和解释数据的方法，用理论和统计学来理解无法依赖人类直觉的复杂的大脑功能。

7.描述人类成像技术的基础机制

提高人类大脑成像技术的空间和时间分辨率，更深入地理解用以构成图像的多种信号的细胞机制。

8.建立机制，以确保人类数据的收集

发展用于临床治疗研究的高伦理标准，同时收集人类在进行诊断性脑监测或是接受神经学技术临床应用时所产生的有用信息。

9.知识普及和培训

在科学和医学团体里中，通过迅速普及新发展出的技能和工具，推进项目的发展。 85rf41EZmbFfa7kvePKzKPlLIO3qhy8Vm/Gay3irJEU18BFHl3SORhbYsYAcFlCO