張長青/編譯

大腦神經(jīng)元活動圖譜

●科學家們雖經(jīng)幾十年的研究，但迄今仍未搞清楚神經(jīng)元放電是如何解碼人類思想和行為的。為了解開此過程之謎，一組科學家提出了一項雄心勃勃的大腦活動圖譜(BAM)項目計劃，旨在將大腦中每一根神經(jīng)元活動繪成圖譜，以期發(fā)現(xiàn)人類行為和疾病狀態(tài)的關聯(lián)數(shù)據(jù)。

在2013年度的國情咨文中，美國總統(tǒng)奧巴馬提到了大腦活動圖譜(BAM)項目計劃，BAM項目支持者據(jù)此認為，BAM將會出現(xiàn)在總統(tǒng)推出的聯(lián)邦預算提案中。因為，BAM項目類似早期開展的人類基因組計劃（HGP），如果這一項目得以實施，則標志著是一項對未來技術和基礎研究的投資，相信在不久的將來會如同HGP一樣獲得巨額回報。

據(jù)協(xié)助開發(fā)BAM項目提案的紐約市哥倫比亞大學教授拉斐爾·尤斯特（Rafael Yuste）稱，BAM項目的發(fā)現(xiàn)可能最終會使諸如帕金森氏癥、癲癇、精神分裂癥等疾病得到更好的治療。據(jù)悉，BAM項目擬先從動物模型著手開發(fā)非侵入性技術，并最終實施對人類大腦的研究。盡管大眾媒體都在重點報道人類大腦圖譜的消息，但要真正展開對人類的研究還尚需時日。

呼之欲出的BAM項目

在接受采訪時，密蘇里州圣路易斯華盛頓大學的戴維·范·埃森（David Van Essen）說：“BAM 項目是一項需要深思熟慮且極具挑戰(zhàn)性的系統(tǒng)工程，但會加速人們致力于解讀復雜大腦的進程。”范·埃森并未參與BAM提案工作，然而他曾聯(lián)合組織過人類大腦聯(lián)絡圖工程，即另一項廣泛的大腦圖譜首創(chuàng)倡議——正在進行中的圖譜研究可將人類大腦結構連接成網(wǎng)絡，包括通過應用功能性磁共振成像(fMRI)技術還能收集到整個大腦的活動數(shù)據(jù)。

范·埃森表示，擬議中的BAM項目屆時將會提供巨大的數(shù)據(jù)量，進而可以作為人類大腦聯(lián)絡圖工程的補充。通過對動物模型中單個神經(jīng)元集合活動的測試，BAM項目或許可以幫助研究人員開發(fā)出大腦回路運行的計算模型，包括利用功能性磁共振成像技術，在整個大腦活動中獲得的數(shù)據(jù)將會為我們奠定一個更好的解讀和了解的基礎。

鑒于美國聯(lián)邦預算還在決策之中，目前尚不清楚BAM項目到底能夠獲得多少資金的資助。據(jù)美國國立神經(jīng)疾病與中風研究所（NINDS)的斯特瑞·蘭迪斯（Story Landis）表示，BAM項目仍處于計劃階段。當下，蘭迪斯與負責美國國立精神心理衛(wèi)生研究所 (NIMH)的托馬斯·英塞爾（Thomas Insel）正在開展這方面的籌劃與管理工作。蘭迪斯稱，至少BAM項目會得到NIMH神經(jīng)科學研究計劃的資助。參與BAM項目的科學家聲稱，盡管白宮在資金細節(jié)方面依然保持沉默，但一些私人基金會已表現(xiàn)出對該項目的興趣并愿意資助。相比之下，政府在過去13年間花在人類基因組項目上的總投資達40億美元，而到目前為止，全美阿爾茨海默氏癥計劃法案已獲1.3億美元的資助。

納米探針技術助陣

BAM項目源自于一次研討會，并得到了美國科維理基金會、英國蓋茨比慈善基金會和艾倫腦科學研究所的支持。六位參與其中的科學家在2012年6月發(fā)表的有關神經(jīng)元論文指出，需要用數(shù)據(jù)在傳統(tǒng)的電生理學之間架起一座橋梁。因為樣品數(shù)據(jù)只是從少量的神經(jīng)元上得到的，而利用功能性磁共振儀對整個大腦所做的成像，其分辨率卻又不夠清晰。

為此他們建議，解決方案需從數(shù)以千計甚至數(shù)以百萬計的神經(jīng)元上記錄下整個回路所顯示出的詳細行為，并計劃先從簡單的生物體入手，如線蟲或果蠅身上做試驗。因為它們的神經(jīng)元數(shù)量是可控的。初始回路圖譜可以使用成熟的鈣成像技術（鈣電流能夠反映神經(jīng)元的激活），并記錄下電壓。鑒于目前還沒有一個好使的電壓指示儀，科學家認為，引領未來發(fā)展且最有前途的將是納米技術。

BAM項目可以從美國 《國家納米技術創(chuàng)新》(NNI)中獲得技術上的支持。例如，一些無機納米粒子對周圍電場十分敏感，可以產生勵磁響應而發(fā)光，由此生產出前途廣闊的電壓指示儀。論文科學家宣稱，更有應用前景的是納米探針技術，即一種由小硅陣列塞滿電極的裝置?，F(xiàn)在已經(jīng)有了幾十個電極的納米探針，這種探針可以控制數(shù)以千計的神經(jīng)元，并允許在神經(jīng)元回路中進行大規(guī)模的并行記錄。

然而，納米探針技術用在人體上或存有侵襲性不太適用。研究人員為此計劃開發(fā)非侵入性方法用于人體研究，其內容包括電氣或化學活動進行光學成像，或利用重組DNA分子存儲動作電位峰值數(shù)據(jù)。后一種方法，即包含由DNA在內的合成細胞充當大腦活動的“駐地記者”。由于DNA聚合酶的錯誤率依賴于陽離子濃度，其錯誤模式對應峰值頻率，因此該方法會利用DNA浩瀚的信息存量。但尤斯特強調，上述這些方法仍存有一定的風險。

盡管技術上存有障礙，但評論家們還是一致認為，該項目能進一步了解大腦的運作狀態(tài)。范·埃森說：“許多方法都有可能產生效果，尤其當新技術獲得大量投資的時候?！?/p>

支持者欲將其比肩HGP

據(jù)華盛頓大學的馬庫斯·賴希勒（Marcus Raichle）教授說：“在進行一項技術開發(fā)的同時，需要得到一流的經(jīng)費支持。你可以想象，許多有趣的事情因此會突然出現(xiàn)，一些與我們所理解的人類大腦狀況有關聯(lián)的發(fā)現(xiàn)可能會出現(xiàn)，也可能不會?！?/p>

作為神經(jīng)元論文的作者在比對HGP時，發(fā)現(xiàn)HGP在測序方法上引領了一場革命，不僅極大地降低了測序成本，而且激發(fā)了基因組產業(yè)的大發(fā)展。據(jù)美國巴特爾技術合作實踐研究所的分析報告，在基因組計劃中，每投入一美元就會有141美元的產出，在創(chuàng)造新的就業(yè)崗位的同時，還增加了稅收。不僅如此，報告還指出，HGP其科學影響還在持續(xù)發(fā)酵。BAM項目支持者堅信，BAM也有可能獲得同樣的效果。

志在從事BAM項目的研究人員相信，這項工作屆時會導致大量診療應用手段的出現(xiàn)。尤斯特說：“展開此項工作最關注的動機是要實現(xiàn)臨床化。”例如，他希望通過精神分裂癥患者的大腦活動與健康組的比較，最終能發(fā)現(xiàn)其中異常的行為模式?！叭绻茏龅竭@一點，我們或許可以制定出相應的計劃來改變這些異常模式或活動通道?！碧m迪斯預見到，這些發(fā)現(xiàn)還可能有助于治療其他回路紊亂性疾病，如癲癇，甚至自閉癥等。

目前，通常被稱為“腦起搏器”的腦深部刺激術(DBS)，是將電極放置在特定的大腦區(qū)域，通過該電極向控制人體運動的區(qū)域發(fā)送電脈沖；同時在患者的胸部皮下埋置一個類似起搏器的裝置，患者可以根據(jù)自身的癥狀和感覺，通過遙控器以控制脈沖發(fā)送的強度和頻率，以此緩解帕金森氏癥、抑郁癥的癥狀。

蘭迪斯說，為了能更好地理解大腦回路工作的過程，我們還能做出一些更加復雜的變化。即通過對這類知識的理解，研究人員可以開發(fā)出更好的與腦相通的機械接口，從而達到控制機械臂等裝置的目的。好在這方面的主題調研工作已經(jīng)著手進行了。

最后，賴希勒強調，BAM項目作為腦研究方法的一種補充，但決不是替代?！埃ㄔ摲椒ǎ┛梢詼y試非常重要的大腦代謝過程，因此不一定要跟蹤動作電位的放電”。舉個例子，腦葡萄糖的使用和代謝，通過氟脫氧葡萄糖正電子發(fā)射計算機斷層掃描術（FDG-PET）就能得到顯示。