呂寶忠

研究員，上海交通大學(xué)腫瘤研究所，上海 200032

新世紀(jì)的嶄新大科學(xué)
——連接組學(xué)

呂寶忠

研究員，上海交通大學(xué)腫瘤研究所，上海 200032

腦；連接組；達(dá)爾文主義；精神；語(yǔ)言

后基因組時(shí)代萌生了一系列的組學(xué)(omics)，而前途最看好的則非連接組學(xué)莫屬了。20世紀(jì)30年代以來(lái)，弗洛伊德的本我—自我—超我理論備受青睞。隨著神經(jīng)科學(xué)的發(fā)展，以研究由人類語(yǔ)言為載體的高級(jí)意識(shí)的物理基礎(chǔ)為重要內(nèi)容的神經(jīng)達(dá)爾文主義成為進(jìn)一步探索的工作框架。21世紀(jì)新啟動(dòng)的創(chuàng)新神經(jīng)(科學(xué))技術(shù)計(jì)劃，必將為連接組學(xué)的發(fā)展提供有力的保障，也為靈魂—肉體關(guān)系的自然基礎(chǔ)發(fā)起新的進(jìn)軍，但鑒于連接組的非線性和瞬息萬(wàn)變的連接轉(zhuǎn)換，還要走一段很長(zhǎng)的路。

后基因組時(shí)代的來(lái)臨，萌發(fā)出眾多組學(xué)(omics)[1]。前途最看好的，應(yīng)該屬于連接組學(xué)(connectomics)，因?yàn)樗顷P(guān)于大腦，尤其是人類大腦中數(shù)量驚人的神經(jīng)元在表達(dá)功能時(shí)的極復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)連接。當(dāng)今世界科學(xué)強(qiáng)國(guó)鎖定這個(gè)目標(biāo)，以搶占21世紀(jì)自然科學(xué)中這個(gè)“皇冠上的明珠”。

2013年4月2日，美國(guó)總統(tǒng)奧巴馬對(duì)著近200位科學(xué)家宣布：“創(chuàng)新神經(jīng)(科學(xué))技術(shù)促進(jìn)腦科學(xué)研究計(jì)劃”(Brain Research through Advanced Innovative Neurotechnologies, BRAIN)正式啟動(dòng)，并資助1億美元[2]。

無(wú)獨(dú)有偶，歐盟也迫不及待地推出將以巨型計(jì)算機(jī)構(gòu)建人腦模型(supercomputing-based models)，不僅將其列為“未來(lái)新興旗艦技術(shù)項(xiàng)目”，且在未來(lái)10年提供10億歐元的資助[3]。

為什么發(fā)達(dá)國(guó)家競(jìng)相爭(zhēng)占腦科學(xué)的制高點(diǎn)？本文擬從20世紀(jì)以來(lái)神經(jīng)科學(xué)的巨大進(jìn)展，并從人腦的進(jìn)化角度，尤其是Edelman G. 提出的神經(jīng)達(dá)爾文主義(neural Darwinism)這個(gè)框架[4-5]，提供歷史背景。本文還將介紹連接組的目標(biāo)，優(yōu)先考慮的內(nèi)容以及其重要意義。

1 高度進(jìn)化的人腦

人與大猿類之間的相似性，比人或大猿類與其他物種之間的相似性要高得多。怪不得，有學(xué)者將人看作裸猿[6]，另一位學(xué)者認(rèn)為人就是第3種黑猩猩[7](因?yàn)楹谛尚煞譃槠胀ê谛尚珊唾梁谛尚蓛蓚€(gè)物種)。人和黑猩猩基因組的相似性為97%～99%，說(shuō)明兩者有著進(jìn)化上的共同近祖。但是，大猿類社會(huì)中盛行的是“強(qiáng)權(quán)即真理”(Might is right)，而人類社會(huì)則是“智慧就是權(quán)力”(Knowledge itself is power)，表明兩者最本質(zhì)的分水嶺為大腦主宰的行為。

神經(jīng)系統(tǒng)的出現(xiàn)始于腔腸動(dòng)物，而腦的形成則源于扁蟲(chóng)，無(wú)脊椎動(dòng)物中的昆蟲(chóng)，腦已經(jīng)相當(dāng)進(jìn)化。脊椎動(dòng)物都有腦，直至靈長(zhǎng)類出現(xiàn)，腦的結(jié)構(gòu)和功能都呈現(xiàn)兩側(cè)對(duì)稱特性。然而，僅占人體總量約1/50，卻消耗人體總能量20%的大腦，不僅在皮層表面有眾多的溝、回和折，而且兩半球在功能和結(jié)構(gòu)上都不是對(duì)稱的，這表明人腦是一個(gè)高度進(jìn)化的產(chǎn)物[8]。神經(jīng)系統(tǒng)是在個(gè)體發(fā)育中形成的，以人類來(lái)說(shuō)，3周的胎兒在神經(jīng)板(neural plate)形成后進(jìn)一步形成神經(jīng)管(neural tube)，至5個(gè)月時(shí)幾乎所有的神經(jīng)細(xì)胞(因神經(jīng)細(xì)胞有其特殊的形態(tài)和功能，特命為神經(jīng)元(neuron))已全部產(chǎn)生。

Golgi C. 發(fā)明了能標(biāo)記神經(jīng)細(xì)胞的銀染色法，而Cajal S. K. Y.完善了該法，并以神經(jīng)元命名神經(jīng)細(xì)胞。1906年的諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)褒獎(jiǎng)了兩位學(xué)者。

著名英國(guó)生理學(xué)家Sherington C. S.首次發(fā)現(xiàn)支配肌肉的神經(jīng)束中存在著大量的感覺(jué)神經(jīng)纖維，而且首創(chuàng)了描述神經(jīng)元間連接的突觸(synapse)這一術(shù)語(yǔ)；而Adrain E. D.發(fā)展和解釋了前者的主要發(fā)現(xiàn)，并完善了電生理學(xué)技術(shù)?；诖死锍瘫桨l(fā)現(xiàn)，兩人分享了1932年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。什么是突觸？其實(shí)突觸是一個(gè)神經(jīng)元通過(guò)其軸突與另一個(gè)神經(jīng)元的樹(shù)突(也可能是軸突)或其他細(xì)胞(如肌細(xì)胞)之間連接的結(jié)構(gòu)，藉此方法傳遞具興奮或抑制功能的電生理學(xué)或神經(jīng)遞質(zhì)信息(圖1)。在隨后的年代中，諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)不斷授予為神經(jīng)科學(xué)作出杰出貢獻(xiàn)的幾十位學(xué)者，詳見(jiàn)表1。

表1 為神經(jīng)科學(xué)作出卓越貢獻(xiàn)并獲諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)的諸多學(xué)者

早在17世紀(jì)，法國(guó)數(shù)學(xué)家兼哲學(xué)家Descartes R.就將古希臘哲學(xué)的心身問(wèn)題(mind-body problem)轉(zhuǎn)化為心腦問(wèn)題(mind-brain problem)，為探討精神或靈魂與腦的緊密關(guān)系奠定基礎(chǔ)。其后，關(guān)于腦的整體論(即將腦看作一個(gè)均勻物質(zhì))和定位論(即不同腦區(qū)有不同功能)兩種對(duì)立觀點(diǎn)爭(zhēng)論不休[9]。隨著B(niǎo)roca區(qū)和Wernicke區(qū)的發(fā)現(xiàn)，以及臨床上因腦病切除不同區(qū)域和戰(zhàn)爭(zhēng)中腦傷患者的外科治療獲得的珍貴資料，還有動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的證據(jù)，定位論觀點(diǎn)獲得愈來(lái)愈多的支持。然而，也應(yīng)該注意到，僅20%的腦功能可以與特定腦區(qū)有密切關(guān)聯(lián)，大部分腦功能的執(zhí)行必須是不同腦區(qū)以主角或配角的關(guān)系協(xié)調(diào)行動(dòng)，也就是說(shuō)，當(dāng)不同區(qū)域分工愈細(xì)時(shí)愈需協(xié)調(diào)合作。本文下述段落的所謂連接組(connectome)和連接組學(xué)將會(huì)進(jìn)一步涉及這兩個(gè)關(guān)鍵詞的含義。

2 從本我—自我—超我到神經(jīng)達(dá)爾文主義

20世紀(jì)初葉，精神分析創(chuàng)始人、奧地利著名精神病學(xué)家和醫(yī)師Freud S.以內(nèi)省分析和臨床經(jīng)驗(yàn)為依據(jù)，提出了本我(id)—自我(ego)—超我(superego)理論[10]。所謂本我，指由本能驅(qū)動(dòng)以滿足自身欲望的潛意識(shí)，這是人與動(dòng)物共有的，由libido(看來(lái)是性激素)誘導(dǎo)產(chǎn)生；超我則是家庭特別是父母以及社會(huì)法律、道德監(jiān)督或壓制造成的；而自我則是在現(xiàn)實(shí)中表現(xiàn)的行為意識(shí)。如果自我能平衡本我和超我的關(guān)系，則屬正常精神；平衡一旦破壞，即呈現(xiàn)精神異常或失常，甚至精神病。Freud的本我—自我—超我理論在20世紀(jì)前半期盛行一時(shí)，甚至名聲赫赫。Freud的此理論應(yīng)該被看做為達(dá)爾文進(jìn)化論，尤其是人類起源的有力補(bǔ)充，它從意識(shí)這一方面填補(bǔ)了進(jìn)化論的空白。

由于在免疫學(xué)作出貢獻(xiàn)于1972年榮獲諾貝爾獎(jiǎng)的Edelman G.，革命性地采用能通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)或證偽的自然主義方法，提出了有關(guān)意識(shí)問(wèn)題的神經(jīng)達(dá)爾文主義[11]，可概括成三大原則。他的三大原則以兩個(gè)前提為條件：其一為腦是被嵌入于軀體之中；其二為軀體被嵌入于環(huán)境中。鑒于高等動(dòng)物的所有活動(dòng)都依賴于從身體到腦和從腦到身體的信號(hào)，因而大腦除了控制運(yùn)動(dòng)和引導(dǎo)感官，還控制身體器官的基本生物功能，包括性、呼吸、心跳等基本方面，還有伴隨著情緒的反應(yīng)；軀體處于特定環(huán)境中，受環(huán)境所影響而又影響環(huán)境。

Edelman將大腦看作在個(gè)體的生命期間運(yùn)作的一個(gè)選擇系統(tǒng)，導(dǎo)出了三大原則。第一條原則：大腦神經(jīng)通道的發(fā)育導(dǎo)致大量的微觀生理變化，這是不斷選擇過(guò)程的產(chǎn)物，其主要驅(qū)動(dòng)力為同時(shí)激發(fā)的神經(jīng)元連接到一起，即使胎兒也如此。如果激發(fā)模式在時(shí)間上相關(guān)，兩個(gè)分開(kāi)的神經(jīng)元就會(huì)形成突觸連接。第二條原則：當(dāng)形成的生理通道由于行為或經(jīng)歷接收到信號(hào)時(shí)，又會(huì)發(fā)生一系列額外和重復(fù)的選擇事件，以使突觸強(qiáng)化或弱化?？梢?jiàn)，神經(jīng)元成為被選擇對(duì)象。不少學(xué)者認(rèn)為大腦類似計(jì)算機(jī)依賴邏輯和精確的時(shí)鐘控制，但Edelman認(rèn)為這不是大腦的工作原理。他的第三條原則就是折返過(guò)程，即持續(xù)不斷的信號(hào)從大腦的一個(gè)區(qū)域傳到另一個(gè)區(qū)域，然后又通過(guò)大量平行信道即軸突傳遞回來(lái)。折返信道隨著思維活動(dòng)而不斷改變。顯而易見(jiàn)，第三條原則是Edelman描述的大腦的工作原理。

由于不同個(gè)體在個(gè)體發(fā)育中經(jīng)歷的自然和社會(huì)環(huán)境的不同，他們的大腦從未知世界中接收到的對(duì)自身更具適應(yīng)性的神經(jīng)元群連接網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)顯然是不同的，因此每個(gè)大腦在生理結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)特性上，必然是獨(dú)一無(wú)二的，即便同卵雙生的大腦也不例外。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)有力地證實(shí)了這個(gè)結(jié)論[12]。

Edelman創(chuàng)建的神經(jīng)達(dá)爾文主義認(rèn)為，意識(shí)并非物質(zhì)，而是一個(gè)過(guò)程，事實(shí)上是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)形成的過(guò)程。他還認(rèn)為意識(shí)分為初級(jí)意識(shí)(primary consciousness)和高級(jí)意識(shí)(higher order consciousness)兩大類：前者是人與動(dòng)物共有的，相當(dāng)于Freud的本我；而后者則是通過(guò)真正的語(yǔ)言來(lái)執(zhí)行的。

隨著對(duì)意識(shí)的大腦基礎(chǔ)的基本原理或機(jī)制的研究，已發(fā)展出基于這些研究成果的工程應(yīng)用。Edelman曾述及達(dá)爾文7號(hào)、8號(hào)和10號(hào)等裝置的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，這些裝置的腦是用強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)陣列仿真，它通過(guò)無(wú)線傳送到其身體或被稱作NOMAD(neurally arranged mobile adaptive device)的行動(dòng)裝置響應(yīng)接收信號(hào)后的反應(yīng)，也就是當(dāng)今廣為宣傳的機(jī)器人(robot)的構(gòu)型。發(fā)達(dá)國(guó)家尤其是美國(guó)擬通過(guò)能在戰(zhàn)場(chǎng)上代替真人的殺人機(jī)器人的研發(fā)，這引起了倫理等方面的激烈爭(zhēng)論。然而也應(yīng)看到，人工意識(shí)的研制必將對(duì)意識(shí)的深層次理解具有重要意義。

3 語(yǔ)言：人語(yǔ)、獸語(yǔ)和鳥(niǎo)語(yǔ)

顯然，意識(shí)(或其外顯形態(tài)即文化)是從一個(gè)大腦傳遞給另一個(gè)大腦或多個(gè)大腦的，著名的動(dòng)物行為學(xué)家和進(jìn)化學(xué)者Dawkins R.在其暢銷書(shū)《The Selfish Gene》[13](中譯本名為《自私的基因》[14])一書(shū)中特辟一章探討此問(wèn)題，提出了文化子(meme)新概念，認(rèn)為這是有別于基因的另一類復(fù)制子。文化子富含神秘性，難于證實(shí)和證偽。如果把語(yǔ)言作為意識(shí)載體的話，則是大有文章可做的。

有人將語(yǔ)言分為四個(gè)層次[15]：①具表情性功能；②具發(fā)布性功能；③具描述性功能；④具辯論性功能。Eccles J. C.[16]認(rèn)為前兩種功能屬低級(jí)范疇，是人和動(dòng)物共有的；后兩種功能屬高級(jí)范疇，是人所特有的。四個(gè)層次的語(yǔ)言與Popper K. R.和Eccles J. C.提出的富含哲理意義的三個(gè)世界體系緊密相關(guān)。世界Ⅰ(world Ⅰ)是物理對(duì)象和自然狀態(tài)的總體，包括人腦在內(nèi)，這是人與某些動(dòng)物都能感知的；世界Ⅱ(world Ⅱ)則包括所有的主觀經(jīng)驗(yàn)和意識(shí)狀態(tài)，獸類尤其是大猿類也具有，但僅限于初級(jí)階段；世界Ⅲ(world Ⅲ)則是客觀意義上的知識(shí)總體(包括由語(yǔ)言，尤其是其延伸物——文字在內(nèi)創(chuàng)造的整個(gè)人工的客觀的文化世界)，顯而易見(jiàn)，這是人類獨(dú)有的一個(gè)世界。

美國(guó)著名語(yǔ)言學(xué)家Chomsky N.早就指出[17]，人類語(yǔ)言由語(yǔ)義(或語(yǔ)意)和語(yǔ)法(或句法)兩個(gè)要素組成。語(yǔ)義往往通過(guò)不同語(yǔ)音組合成的含有確定意義的詞表達(dá)出來(lái)；而語(yǔ)法則是不同詞類組合的規(guī)則，并認(rèn)為后者是人所特有的，不少學(xué)者認(rèn)同他的觀點(diǎn)，但也有人提出了挑戰(zhàn)。

最近，Miyagawa S.等[18]將語(yǔ)言分為兩類結(jié)構(gòu)：其一為獸類，尤其是靈長(zhǎng)類所屬的詞結(jié)構(gòu)或L結(jié)構(gòu)(lexical structure)，相當(dāng)于Chomsky的語(yǔ)義；另一類則為鳴禽類(Passerinforms或song birds)的表達(dá)結(jié)構(gòu)或E結(jié)構(gòu)(expressive structure)，其美妙動(dòng)聽(tīng)的音樂(lè)令人愉悅。他們認(rèn)為人類語(yǔ)言，也只有人類語(yǔ)言才完美地組合了兩類結(jié)構(gòu)。

與人極相似的大猿類使用的語(yǔ)言仍脫離不了獸語(yǔ)的屬性，原因何在呢？其實(shí)，大猿類的聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)及其神經(jīng)控制同人的基本相同，看來(lái)問(wèn)題是在發(fā)聲系統(tǒng)及其神經(jīng)控制方面。發(fā)聲系統(tǒng)的異同研究雖有爭(zhēng)議，但尚無(wú)定論；而在發(fā)聲系統(tǒng)的神經(jīng)控制中，有Chang E. F. 團(tuán)隊(duì)[19]以高分辨的多電極對(duì)3個(gè)癲癇患者的研究報(bào)道。發(fā)現(xiàn)中央溝(central sulcus或Rolando)腹側(cè)前后，尤其是控制發(fā)音區(qū)處有時(shí)空特征的變化，其速率可在幾十毫秒內(nèi)。迄今未查見(jiàn)在大猿類中該區(qū)活動(dòng)的報(bào)告。

鳴禽是鳥(niǎo)類中最高等的類群，雛鳥(niǎo)出生后不能行走，要靠親鳥(niǎo)哺育，是晚成鳥(niǎo)。鳴禽種類很多，占全部鳥(niǎo)類的一大半。Kleindofer S.和她的團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)[20]，Malurus cyaneus的親代和子代間是通過(guò)相互鳴叫識(shí)別的，即便養(yǎng)父母和領(lǐng)養(yǎng)子女也是如此。百鳥(niǎo)爭(zhēng)鳴是鳥(niǎo)的“求愛(ài)”歌的盛大演奏會(huì)，通過(guò)鳥(niǎo)的不同“方言”，達(dá)到生殖隔離的目的。

鳴禽唱歌是在群體中進(jìn)行信息交流的重要手段，對(duì)其生存和繁衍后代具有關(guān)鍵的生物學(xué)意義。根據(jù)不同場(chǎng)合、目的，唱的是不同的歌，如為捍衛(wèi)自己領(lǐng)地唱威嚇歌，為尋覓配偶唱情歌，遇危險(xiǎn)時(shí)為通知同伙脫逃就唱警戒歌。鳥(niǎo)歌的神奇效果，是其具有E結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，也就是表明其已有語(yǔ)法中句法的功效。Lipkind D.等[21]比較了兩種鳴禽Zebra finch和Bengalege finch(即Lonchara striata domestica)以及人類嬰兒的發(fā)音組合能力，發(fā)現(xiàn)三者有共同的發(fā)生過(guò)程，學(xué)習(xí)語(yǔ)音都是非同步的(asynchronous)，是一步步地在其社會(huì)環(huán)境中通過(guò)訓(xùn)練而獲得的習(xí)得之性。如此看來(lái)，鳥(niǎo)語(yǔ)比獸語(yǔ)更接近人語(yǔ)。然而，由于鳥(niǎo)類主要向飛翔發(fā)展(盡管有少數(shù)種類為適應(yīng)環(huán)境，或只會(huì)行走、不能飛翔，如鴕鳥(niǎo)等，或只能游泳不能飛翔，如鴨子等)，必須輕裝上陣，大腦不可能進(jìn)一步擴(kuò)大，因此其語(yǔ)言也僅限于本文提到的前兩個(gè)層次且完全缺乏對(duì)世界Ⅲ的認(rèn)識(shí)。與之有別的是，人類語(yǔ)言隨著手腳分化和分工，更重要的是大腦的持續(xù)不斷的發(fā)展，進(jìn)入了具有四個(gè)層次和能認(rèn)知三個(gè)世界的超強(qiáng)能力。他們還能模仿或用樂(lè)器奏出包括鳥(niǎo)語(yǔ)在內(nèi)的天籟之聲，從而發(fā)展了音樂(lè)，并作為一種莫大的心靈享受。

總而言之，從感性認(rèn)識(shí)層面來(lái)看，鳥(niǎo)語(yǔ)比獸語(yǔ)更接近人語(yǔ)，但上升到理性層面，鳥(niǎo)語(yǔ)仍脫離不了動(dòng)物語(yǔ)言層次；而人語(yǔ)不僅傳承動(dòng)物語(yǔ)言遺產(chǎn)，并在此基礎(chǔ)上有了質(zhì)的升華，其本質(zhì)原因在于大腦的進(jìn)步，這也就是下述的連接組的任務(wù)。

4 連接組和連接組學(xué)

源自2005年的連接組是由Sporns O.等[22]和博士論文作者Hagmann P.[23]分別提出的，后者還首先提出連接組學(xué)這一學(xué)科，并認(rèn)為它的任務(wù)是組裝和分析連接組數(shù)據(jù)。然而，直到2010年經(jīng)媒體TED Talks[24](Technology, Entertainment, Design and so much more talks)——即從1984年創(chuàng)建的“技術(shù)、娛樂(lè)和設(shè)計(jì)等話題”——傳播才被廣大公眾所認(rèn)識(shí)。因此，連接組學(xué)是地地道道的21世紀(jì)新組學(xué)，而且是人們寄予厚望的學(xué)科。

正如人類基因組計(jì)劃必然要以其他更簡(jiǎn)單物種的基因組測(cè)序?yàn)橄刃幸粯?，人腦連接組也需要以其他更簡(jiǎn)單物種連接組上的試驗(yàn)為依據(jù)。當(dāng)今已獲得僅含302個(gè)神經(jīng)元構(gòu)建的秀麗隱桿線蟲(chóng)(C. elegans)的突觸連接圖[25-26]，還報(bào)告了部分小鼠的連接組數(shù)據(jù)。上述數(shù)據(jù)以O(shè)pen Connectome Project公布于世。連接組路線圖分三個(gè)尺度：①微尺度(microscale)，指微米級(jí)的連接，也就是突觸的形成圖；②中尺度(mesoscale)，介于微米和毫米之間的連接圖；③毫米尺度(milliscale)，指毫米級(jí)的連接圖，也就是腦的不同區(qū)域間的連接網(wǎng)絡(luò)。迄今已獲得20 mm薄的由7 404片組織切片的超級(jí)分辨率的三維人腦模型圖，可作為參考腦(reference brain)[27]。

要揭示人腦的奧秘，必須具有先進(jìn)的神經(jīng)(科學(xué))技術(shù)(neurotechnology)，這就是人們常說(shuō)的“工欲善其事，必先利其器”。當(dāng)今擁有的神經(jīng)技術(shù)大致有雙光子成像術(shù)(two photon imaging)、片光顯微術(shù)(light-sheet microscopy)、迷你型內(nèi)窺鏡(microendoscope)、鈣成像術(shù)(calcium imaging)，以及伏特成像術(shù)(voltage imaging)。通過(guò)這些技術(shù)人們可以捕獲若干腦編碼信息，而光遺傳學(xué)(optogenetics)方法則通過(guò)光脈沖對(duì)活組織甚至活動(dòng)中的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的神經(jīng)元活性在實(shí)時(shí)(real-time)下進(jìn)行精確測(cè)定。對(duì)人腦來(lái)說(shuō)，是以改良的功能核磁共振成像術(shù)(functional magnetic resonance imaging, FMRI)搜集更多的數(shù)據(jù)。然而，上述這些技術(shù)獲得的信息基本上是靜態(tài)的，低分辨率的，至多是緩慢變化的圖像，而且它們都是基于單細(xì)胞的經(jīng)典手段，不超過(guò)一小群細(xì)胞。但是，腦功能是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，其速率在毫秒級(jí)水平。人腦1 mm3內(nèi)至少含有80 000個(gè)神經(jīng)元和450萬(wàn)個(gè)突觸[2]。顯然，上述這些技術(shù)殊難應(yīng)對(duì)連接組學(xué)的要求，因此，第二代神經(jīng)技術(shù)的創(chuàng)新時(shí)刻挑戰(zhàn)不同學(xué)科的學(xué)者。為此，美國(guó)總統(tǒng)在早前提出的腦動(dòng)態(tài)繪圖(brain activity map)[28]的框架下突出了優(yōu)先創(chuàng)新神經(jīng)技術(shù)的啟動(dòng)程序。

歐盟在2005年啟動(dòng)的名為“藍(lán)腦計(jì)劃”(Blue Brain Project)的腦研究基礎(chǔ)上，及時(shí)地推出了以巨型計(jì)算機(jī)構(gòu)建人腦模型的戰(zhàn)略，另辟蹊徑搶占腦研究的制高點(diǎn)。

美國(guó)總統(tǒng)將BRAIN看作繼人類基因組計(jì)劃后的第二個(gè)偉大的(科學(xué)研究)計(jì)劃。但是，應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，腦的(突觸)網(wǎng)絡(luò)比基因組繪圖更復(fù)雜，它是非線性的且并無(wú)明顯的終極目標(biāo)，這是因?yàn)橐砸庾R(shí)為基礎(chǔ)的人類感知、認(rèn)識(shí)等行為幾乎是無(wú)窮的。但其意義無(wú)疑是極其宏偉的，它要對(duì)心腦問(wèn)題的深入的物質(zhì)基礎(chǔ)，也就是對(duì)Monod J.所說(shuō)的生物學(xué)的一個(gè)邊界(即與人文科學(xué)相鄰的一個(gè)，另一個(gè)為生命起源)[29]或Edelman的“第二自然”作出詮釋。這樣，對(duì)反進(jìn)化論的“智能設(shè)計(jì)”論點(diǎn)也是一個(gè)致命的打擊。此外，它還能對(duì)困擾世界幾百萬(wàn)人群的腦紊亂給出診斷和治療的依據(jù)。也像人類基因組一樣，當(dāng)初投入38億美元而獲得了8 000億美元的回報(bào)[30]，相信連接組學(xué)的成果將會(huì)獲得更可觀的回報(bào)。新世紀(jì)出現(xiàn)的連接組學(xué)必將放射出越來(lái)越璀璨的光芒！

(2013年11月1日收稿)■

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New big science in this century: connectomics

LU Bao-zhong
Professor, Shanghai Cancer Institute, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200032, China

A lot of ’omes have appeared since post-genome era, in which connectome is, of course, the most attractive. The id-egosuperego theory of Freud was welcomed after 1930s. The advances in neuroscience particularly neural Darwinism including the impact of human language are a framework for further study on brain. Connectomics for assembling and analyzing connectome data sets should be a new big science in this century.

brain, connectome, Darwinism, soul, language

10.3969/j.issn.0253-9608.2014.03.006

(編輯：沈美芳)