科學家是怎樣研究人類大腦的?來源:科技日報50塊左右的腦區“拼圖”可以拼起“器官之王”——大腦根據德國神經解剖學家布魯德曼繪制的腦區圖，大腦皮層被分為52塊（其中兩塊是猴子的）其中1、2、3區控制體感……37區負責人臉識别……，我來為大家科普一下關于科學家是怎樣研究人類大腦的?以下内容希望對你有幫助!

科學家是怎樣研究人類大腦的

來源:科技日報

50塊左右的腦區“拼圖”可以拼起“器官之王”——大腦。根據德國神經解剖學家布魯德曼繪制的腦區圖，大腦皮層被分為52塊（其中兩塊是猴子的）其中1、2、3區控制體感……37區負責人臉識别……

雖然這樣的功能劃分對大腦研究和疾病治療起到了重要的作用，但距離了解大腦并重構它還差得遠。

不久前《細胞》在線發表了中國科學家利用單細胞質譜、光遺傳、分子生物學、電生理及動物行為學等技術方法，揭示的日光照射改善學習記憶的分子及神經環路機制。這一發現讓光也成為影響大腦神經環路的因子之一，牽起了一連串關于益智、健腦的可能遐想。

越來越深入的研究，讓人們探查到大腦中越來越多的秘密，但大腦謎題卻絲毫沒有因此減少。到底大腦裡還有多少未知的謎題？所有的謎題能不能得到答案，解題後又能否再造一個大腦呢？

人類對大腦了解多少？

前不久，“現代神經科學之父”聖地亞哥·拉蒙-卡哈爾的一些神經元手繪圖走紅社交媒體，那些現在看來粗糙簡單的神經元是真正的“所見即所繪”。手繪圖顯示的是大腦切片在顯微鏡下的真實形狀，每張都有各自的特點，但“末梢”消失在紙張未及之處。

然而利用顯微光學切片斷層成像系列技術，科學家們就有可能在全腦範圍内觀察某一個細胞。華中科技大學教授龔輝說：“之前人們将大腦手工切片、逐片掃描，通過細胞染色對神經元或神經環路進行研究，這樣的信息是割裂的。”

全新的成像技術，讓人類從“坐井觀天”的切片視野中走出來。“神經元細胞原來是可以跨越多個腦區的，這刷新了人類對大腦的認識。”轉基因标記、斷層掃描、三維重構算法等多學科的交融，“使大腦圖譜不再是離散的斷面圖片的集合，而是準連續的、有明确空間尺度和位置信息的全腦結構及功能聯接圖譜。”華中科技大學副校長駱清銘說。例如，在斷層掃描前，用病毒轉染神經細胞，讓神經元發出熒光，就像給神經元在暗夜裡通了“電”，這時候再通過成像系統就可以獲得腦内熒光标記的神經元在全腦的“部署”。

然而在功能的進一步探索中，科學家們發現，有些神經元細胞不隻扮演一個角色。“兼職”使得神經環路的網絡關系愈加複雜。駱清銘将其比喻為現實中的各大網路。“就像我們有電網、水網、道路網、通信網……大腦裡也會根據不同的需求構建出多維的網絡。”

在這個可能的多維網絡中，人們甚至沒有厘清神經元的類型，更别提環路的維度。這就好比拼“樂高”玩具，有哪些不同顔色或形狀的組件還不知道，就更不知道要拼的是哪類網絡、跨區拼接又有哪些線索。

對于大腦，科學家面對的是一個無法想象擁有多大體量、多少影響因素的巨大未知。

“三觀”能擔重構大任？

大腦是如此複雜，充滿謎題，我們要用怎樣的方法來獲取謎題的答案？駱清銘認為，由于人腦的高度複雜性，為實現全面揭示人腦高級功能的最終目标，神經環路的解密需要從低等動物到高等動物，開展多層次多角度的研究。其中的多層次在行業内的共識為“宏觀”“介觀”“微觀”。

過去切片、染色、上鏡觀察神經細胞的不同形态等是宏觀研究的主要手段。而今光、電、磁的應用，使得宏觀研究離開了“死神”的地盤。核磁共振（MRI）、正電子發射型計算機斷層顯像（PET）等多種腦功能成像技術的應用，讓腦活體的宏觀研究成為可能。

美國人腦連接組計劃（HCP）用5年時間采集和公開了千人量級、基于青年人的高質量多模态MRI數據。數據就是“号角”。“這帶動了國内外共同利用該數據繪制大腦皮層精細功能圖譜和全腦結構連接圖譜等工作。”北京大學教授高家紅說。英國等國也相繼開展繪制基于本民族人腦的宏觀圖譜。“未來，體現基因表達、化學遞質、代謝等大腦信息，加入成長、疾病等維度的動态演化版也可能被繪制出來。”高家紅介紹，北京大學2018年發布了中國人腦精細結構模闆，使得中國人腦研究無需基于西方人的結構模闆。

從宏觀到微觀，人類猶如“淩空入海”，面臨難以想象和掌控的數據量。中科院自動化研究所研究員韓華介紹：“2016年初，美國高級情報研究計劃署（IARPA）撥款2800萬美元支持哈佛大學獲取1立方毫米鼠腦突觸連接的結構和功能數據，電鏡數據量高達PB規模。”

幾個數字的鮮明對比，已經可以看出微觀的探究超出了目前人類能力之外。因此，量子計算被視為可以擔負起這一計算能力的潛力技術。

“介觀”介于宏觀與微觀之間，即不像微觀那樣“緊盯局部”，又可能彌補宏觀腦圖譜在結構和功能對接方面的空白。“既見森林（全腦）、又見樹木（神經元）甚至樹葉（神經聯接）。”中科院神經科學研究所研究員杜久林說得形象。介觀研究目前處于模式動物階段，中國将于2020年繪成斑馬魚全腦介觀圖譜。

再造如何加點“靈魂”？

然而，“三觀”研究之後，我們就可以重構大腦了嗎？

面對兩堆一樣距離、一樣新鮮度、一樣香、一樣多的稻草，驢子會怎麼選擇？答案是随機。機器會怎麼選擇？它不會選擇，隻會無休止地計算下去，直到宕機。

在一次講座中，中科院院士、量子物理學家潘建偉表示，對于經典算法來說，随機性是難以實現的。

這個被稱為“随機”的東西，對于生命體來說極其簡單，卻是非生命體望塵莫及的。形似如何走向神似或将成為“再造”中最令人費解的部分。

“三觀”之後，用不用加點“靈魂”？科學家們也會時不常地提出疑問，例如“有沒有我們未知的物質在生物死亡之時，已經在大腦中發生了變化”。最著名的實驗來自美國大夫鄧肯·麥克道高，他用靈敏的光束天平測出了靈魂的重量約為21克。

這是不是記憶與思維方式？那麼，死亡究竟帶走了什麼，或者改變了什麼？由于目前的研究方法仍舊是基于大腦組織的離體檢測，這樣的疑問始終無從考究。

目前，也有科學家探索對生物進行活體腦電定位追蹤和觀察的方法，例如中科院神經所杜久林研究員團隊實現了在斑馬魚捕食、遊動時觀測神經細胞的電磁信号，但精度還有待提高。或許未來發生在宏觀腦區探測技術的變革，将發生在介觀或者微觀。當可以對活體而非标本進行探測時，人類對大腦的認識可能會進入新天地。

不過可以确定的一點是，對于人腦的重建工作，将不會局限于神經科學家的研究領域，甚至可能是舉物理、化學、計算等全科學之力。（記者 張佳星）

更多精彩资讯请关注tft每日頭條，我们将持续为您更新最新资讯!