《連接組》閱讀筆記④

第四部分 連接組學

八 眼見為實

科學史學家總是把榮耀賜予那些思想家及其突破性的概念,很少有人會為科學儀器的製造者歡呼,但他們的影響其實更為深遠.

為了看到連接組，經歷了以下幾個方法：

• 給大腦組織染色
• 電子顯微鏡，利用電子而不是光以產生更銳利的圖像
• 把大腦組織切成很多片，組合成三維圖形

切片利用了鑽石刀，另外會把大腦組織嵌入環氧樹脂，使它變成一個硬塑料塊。

為了提升效率，人們想到了兩個點子：

• 在切割樣品的同時對樣品的截面成像，而不是對切下來的薄片成像，即把切片和成像集成到一起。
• 切下的腦片立即被移動的帶子粘住，然後自動收集。

還有一個設想是：掃描完一層後利用離子束將最上面幾納米的一層蒸發掉。

1立方毫米的大腦組織就能得到1PB的圖像數據（10億張照片），整個鼠腦的數據量比此大一千倍，而人腦比鼠腦再大一千倍。

九 沿路追蹤

為了追蹤一條軸突或樹突的軌跡必須知道「連線」的走向，即分析圖像（對連續切片中神經元斷面進行追蹤），但分析圖像比得到圖像困難得多，這催生了許多自動化技術的進步。

人們分析秀麗隱桿線蟲的圖像花了十多年，而手工重建1立方毫米的皮層需要一百萬人年的工作量，因此要實現圖像分析的自動化。

但實際上，計算機並不擅長任何視覺工作，計算機的缺陷在於：

• 不能巧妙地利用背景信息來進行物體邊緣檢測
• 對於突觸的識別還無法精準（就像計算機還無法精準識別人臉一樣）

人類「看」的能力太強了，以至於人們沒意識到是絕對機器來說多麼困難。

但「機器學習」可能成為突破，不過在可預見的未來，圖形粉筆不可能達到100%自動化。

除了人工智慧外，人們還提出了智能增強（IA）的理論，它甚至利用機器使人更聰明。人工智慧應該是智能增強系統的一部分，它處理掉容易的決策，然後把困難的部分留給人。通過人與計算機的合作而更高效地完成工作。

尋找連接組的主要限制就是計算速度，即連接組學得依靠計算機工業，但微處理器上晶體管數量的增幅在放緩，摩爾定律可能即將失效。

十 劃分

除了把大腦劃分成不同的區域外，我們還需要把它劃分成不同的神經類型，因為每一種類型的神經具有特定的、不同的功能。

但在每個區域內， 不同類型的神經元是混雜在一起的。因此，我們理想的劃分大腦的方法，是劃分它的連接組。

劃分連接組是根據神經元的連接特性，如果兩個神經元連接到相似的或類似的目標，那麼它們就被劃分到同一類。因此劃分一個連接組，不但能告訴我們神經元類型，還能告訴我們它們是如何連接的。

——一個神經元的功能主要取決於它與其他神經元的連接。連接是直接與功能相關的，而形狀和位置卻只是間接的。

一個區域的損傷會損害相應的功能，而區域之間連接的損傷會損害多個區域合作的複雜功能。

大多數心智功能都需要多個皮層腦區的合作，而大多數皮層腦區也會參與多種心智功能。

十一 破譯

神經科學家們推斷，根據所有神經元的電鋒，就能得到所有的感覺和想法。我們也相信可以從連接組中讀取記憶，首先要做的是了解連接組如何編碼信息，隨後才能解碼。

記憶可以分為陳述式記憶（可以表達出的信息）和非陳述式記憶（內隱的，比如運動技能和習慣）。而動物的內隱式記憶的能力極強，試著從動物的連接組中讀取這些記憶會是個不錯的開始。

科學家們研究了珍珠鳥的鳴叫，這種鳥類負責其叫聲的神經元發出的電鋒的模式每次都完全相同。那麼研究各個神經元發出電鋒的次序，就可以讀取對於叫聲的記憶（內隱式）了。

但必須注意的是，我們提取的只是記憶過程中回放的活動模式（電鋒次序），而不是記憶的內容。如果要讀取記憶的內容，我們必須檢查每條神經元到發聲肌肉的通路，根據電鋒來再建發聲的具體內容。

這和預想中讀取人類記憶的方式一樣，因為每個神經元都可以與一個特定的動作或想法一一對應起來，那麼在人類描述其經歷的同時測量電鋒活動就可以記錄每個神經元與現實世界的聯繫，從而將記憶與現實意義結合起來。

十二 對比

儘管同卵雙胞胎會受到表觀遺傳的影響而使得他們的DNA序列發生微小變化，但並不能未能全解釋後天的心智差異，而連接主義者看來，這是因為他們的連接組不同。

連接組的不同會否導致「個性」不同呢？但研究連接組難度太大，我們可以研究簡化的連接組，因為它們能編碼一些比個體記憶更一般化的心智屬性，比如性格、數學能力乃至自閉症。

研究簡化的連接組即是研究大腦的白質。大腦外層的灰質由神經元的各個部分混合組成，而白質則只包含軸突，即白質全是「連線」，它們相對更寬、更少分支，而且極長。

另外軸突在離開灰質後會被髓磷脂包圍，叫做「髓鞘化」，這樣的話白質中髓鞘化的軸突就比灰質中沒有髓鞘化的軸突粗很多，用光學顯微鏡就可以觀察（較粗的切片和較低解析度的圖像），追中白質中的「連線」足以解出區域連接組。

再另外，白質內的軸突會捆綁起來形成更粗的「纖維束」，因此人們可以用擴散磁共振成像來追蹤。不過這些方法都有局限性。

我們需要大量關於神經連接的準確而完整的信息，再從數據中尋找規律和提出假設。

十三 改變

許多治療精神障礙的手段（手術或藥物）都有嚴重的副作用。而根據精神障礙是由連接病理導致的，正確的療法就是建立正常的連接模式，且大腦天然地會根據基因和一些分子（它們可以作為葯靶）引導四個重新，來修復連接組，因此改變大腦的最好方法，就是幫助它自己發生改變——合適的藥物加上康復訓練。

我們首先考慮的是預防，即將神經元的損傷降至最低，緩解它們的死亡，以及儘早做出診斷。

第二個是修復它，可以通過兩個方法：

1. 受損本身會激活成年人大腦的再生過程，「室下區」產生神經母細胞，並遷移往受損的區域，研究者們正開發人工方法去促進整個過程。
2. 直接把新的神經元移植到受損的區域，即人工培養神經元。比如幹細胞分化（體細胞也可以被逆轉成幹細胞，獲得全能性，在推薦表觀遺傳學著作《遺傳的革命》這本書里有詳細描述）。

無論是自然產生，還是人工移植，都要想辦法促使新的神經元融入連接組。

人類文明的發展，在追求三種控制：世界（原子），肉體（基因組），心靈（連接組）。