張 婷 王曉民

(首都醫(yī)科大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院神經(jīng)生物學(xué)系，北京100068)

1 BAM項目提出的背景

美國卡弗里基金會在2011年9月組織了一次頭腦風(fēng)暴，召集者是該基金會的科學(xué)項目副總裁全美永，牽頭人是哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院的遺傳學(xué)家喬治丘奇，此人是人類基因組計劃的創(chuàng)始人之一。另外，哥倫比亞大學(xué)的神經(jīng)科學(xué)家拉斐爾 尤斯特等人參加了會議。此次頭腦風(fēng)暴最終形成了腦活動圖譜(brain activity mapping，BAM)的項目建議書。2012年1月6日，卡弗里基金會未來研討會又一次將BAM作為一項主要議題進行討論，并將該項目實施的目標、相關(guān)細節(jié)和初步方案發(fā)表在《Neuron》雜志上。這一文章很快被白宮科學(xué)與技術(shù)政策辦公室所注意，正好奧巴馬總統(tǒng)想從科學(xué)上尋求突破，于是就有了今年2月美國總統(tǒng)國情咨文中關(guān)于推動腦科學(xué)研究和4月初奧巴馬總統(tǒng)關(guān)于啟動“大腦活動圖譜”計劃的講話。最近《Science》雜志編輯撰文，再一次詳盡解釋了BAM項目，力圖讓公眾了解BAM的真正價值。

2 BAM項目的目標

BAM項目旨在記錄一個神經(jīng)環(huán)路中每一個神經(jīng)元的動作電位。這一記錄必須與行為輸出或思維狀態(tài)在時間上匹配，才能實現(xiàn)對一個神經(jīng)環(huán)路的完整功能描述。該圖譜將超越“結(jié)構(gòu)連接組”而實現(xiàn)“功能連接組”。通過將神經(jīng)環(huán)路的放電活動與功能或行為輸出相匹配，使人們了解神經(jīng)編碼及其對行為或思維的調(diào)控。這一研究還對大腦正常生理狀態(tài)及病理狀態(tài)進行診斷和存儲，促進更廣泛的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用，產(chǎn)生相關(guān)經(jīng)濟效益［1］。

BAM項目實際上是一個技術(shù)研發(fā)項目，目標有3個:①對大腦神經(jīng)環(huán)路中大部分甚至所有神經(jīng)元同時進行影像學(xué)或電生理記錄的工具的研發(fā);②對神經(jīng)環(huán)路中每一個神經(jīng)元單獨進行調(diào)控的工具的研發(fā);③了解神經(jīng)環(huán)路的功能［2］。

3 BAM項目需要的研究方法［1］

3.1 影像學(xué)記錄神經(jīng)元放電(圖1)

圖1 雙光子鈣成像顯示海馬神經(jīng)元活動［2］

腦磁圖(magnetoencephalography，MEG)和功能磁共振成像(functional magnetic resonance imaging，fMRI)等技術(shù)可對全腦活動模式進行捕捉，但缺乏單個神經(jīng)元信息。因此，人們做了大量的努力，以期在研究神經(jīng)環(huán)路功能的同時對單個神經(jīng)元的活動進行記錄。

光學(xué)技術(shù)的侵入性最小，時間和空間自由度最大，具有單細胞分辨率且可用于活組織甚至清醒動物。鈣成像可記錄一個神經(jīng)環(huán)路中的多個神經(jīng)元活動，盡管時間分辨率有限，該技術(shù)可以離體或在體的部分重構(gòu)大量神經(jīng)元的放電模式。電壓成像在時間上的精度比較高，但信噪比太低。因此，高信噪比的電壓指示劑一直在積極研發(fā)中，納米顆粒顯示出巨大前景。

無論應(yīng)用何種方法對神經(jīng)元活動進行成像，如果要記錄所有神經(jīng)元，那么成像神經(jīng)元的數(shù)目以及成像組織的深度都需要提高。于是，光學(xué)硬件和計算機手段的發(fā)展將用以解決這些問題，例如雙光子激發(fā)熒光顯微鏡對活體組織能達到很高深度的探測，最深可達1 mm。這些新技術(shù)的結(jié)合可能會對清醒動物不同腦區(qū)神經(jīng)元進行3D影像記錄，而光纖和內(nèi)窺鏡的應(yīng)用則使深層組織如海馬得以記錄。

3.2 應(yīng)用納米探針大范圍記錄電信號(圖2)

對神經(jīng)元活動的電生理記錄目前可通過硅基納米探針實現(xiàn)，包含幾十個電極的硅基探針目前已商業(yè)化，每個探針可記錄幾十個位點。如果將這些二維陣列級聯(lián)成三維探針陣列就可以記錄幾十萬個位點。目前仍有很多技術(shù)難題有待攻克，而當技術(shù)日臻完美，通過高級峰電位分類算法可以記錄到數(shù)以千計的神經(jīng)元放電。理想狀態(tài)時(Holy Grail)，該系統(tǒng)可同時記錄百萬個電極，保持相同帶寬，將電極間距降至約15微米，并在皮層水平將探針長度增加到幾厘米。這些需要系統(tǒng)工程學(xué)的重大創(chuàng)新。

3.3 無線技術(shù)及合成生物學(xué)手段(圖3)

圖2 硅基納米探針陣列［1］

圖3 合成生物學(xué)方法示意圖［1］

對神經(jīng)元群活性進行無線、非侵入的記錄也非常重要。實現(xiàn)這一目標需要硅基超大規(guī)模集成電路(VLSI)的無線電子電路或合成生物學(xué)成分，或者二者的結(jié)合。未來，將無線微芯片植入活體腦組織檢測神經(jīng)元活動將成為可能。合成生物學(xué)手段作為替代硅基VLSI的方法也可以實現(xiàn)神經(jīng)元活動的非侵入性記錄。例如，DNA聚合酶可作為神經(jīng)元放電感受器，因為它們的出錯率取決于陽離子濃度。一個預(yù)先設(shè)計好的DNA分子通過合成過程可記錄出錯情況，而這一情況反映了每個細胞的放電情況。該手段的信息存儲量巨大。一般一個直徑5 μm的合成細胞可至少攜帶6千萬對DNA堿基對，編碼7 d的100Hz放電數(shù)據(jù)。

4 BAM項目的十五年計劃［1］

BAM項目起初計劃對模式生物進行研究。第一個五年，對較小且簡單的神經(jīng)環(huán)路(少于7萬個神經(jīng)元)的活動進行重構(gòu)。線蟲是這一階段最合適的模式動物，整個大腦連接組可進行研究。而果蠅大腦的一些獨立區(qū)域如延髓，小鼠視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細胞的功能在這一階段可進行研究。第二個五年，對100萬個以內(nèi)的神經(jīng)元活動進行研究，包括完整的果蠅大腦、斑馬魚的中樞神經(jīng)系統(tǒng)、小鼠視網(wǎng)膜或海馬等?？蓪σ吧蚣膊∧Ｐ托∈蟮钠踊顒舆M行重構(gòu)，甚至對最小的哺乳動物小臭鼩的皮層進行研究。第三個五年，人們期望對清醒小鼠的整個新皮層進行研究，并推及靈長類動物，不排除人類。

5 BAM項目可能帶來的收益［1］

BAM項目將會帶來科學(xué)、醫(yī)學(xué)、技術(shù)、教育以及社會經(jīng)濟收益。

科學(xué)意義:對神經(jīng)環(huán)路的完整功能解析將對神經(jīng)科學(xué)基礎(chǔ)研究帶來巨大推動，許多基礎(chǔ)問題的迎刃而解將最終實現(xiàn)神經(jīng)編碼的解密，同時使神經(jīng)環(huán)路的逆向工程成為可能。

醫(yī)學(xué)意義:在促進科學(xué)研究的同時，BAM項目還會帶來醫(yī)學(xué)收益，包括對重大腦疾病的早期、敏感性診斷，精神疾病的生物標記物的出現(xiàn)，在動物模型上對重大腦疾病病理生理學(xué)假說的驗證以及新型設(shè)備或手段用以精細控制刺激水平使疾病狀態(tài)下的神經(jīng)環(huán)路回歸平衡。最終，人們希望對精神分裂癥、孤獨癥等較難處理的疾病有新的認識和治療手段。

技術(shù)突破:BAM會帶來巨大的技術(shù)突破，它將是生物技術(shù)和納米技術(shù)的融合。這些新技術(shù)包括光學(xué)手段形成3D影像，在生命科學(xué)、醫(yī)學(xué)、工程學(xué)及環(huán)境應(yīng)用中使用敏感的、微小的智能納米系統(tǒng)，存儲和處理海量數(shù)據(jù)，研發(fā)基于生物學(xué)出發(fā)的計算機裝置。

經(jīng)濟效益:據(jù)統(tǒng)計，對人類基因組計劃而言，每1美元的投資都帶來了141美元的經(jīng)濟收益。BAM項目中產(chǎn)生的技術(shù)和計算創(chuàng)新也會帶來經(jīng)濟效益，可能產(chǎn)生全新的工業(yè)和經(jīng)濟模式。

教育意義:這種跨學(xué)科項目對年輕一代科學(xué)家的培養(yǎng)提供了大量機會。

［1］Alivisatos A P，Chun M，Church G M，et al.The brain activity map project and the challenge of functional connectomics［J］.Neuron，2012，74(6):970-974.

［2］Alivisatos A P，Chun M，Church G M，et al.Neuroscience.The brain activity map［J］.Science，2013，339(6125):1284-1285.