腦科學研究：「新的戰爭」？ 解放周一14－新思 新知－解放日報

本報記者彭德倩2013年以來，人腦科學研究在全球掀起新的熱潮——美國，6位科學家提出一項「人腦活動圖譜」計劃，受到政府高度重視，被列為國家級別的大科學計劃，初步獲得1億美元研究預算，目前，一個規模更大的研究計劃正在積極謀劃中。歐洲，人腦工程進入歐盟「未來新興旗艦技術項目」名單，並將在未來10年內獲得10億歐元的經費。在我國，幾周前，多位高校專家低調進京諮詢討論，進一步完善相關領域長遠布局，正在緊鑼密鼓進行中。搶佔腦科學研究的戰略制高點，競爭火花四濺。當下，加緊探索這一人類認識的「最後疆域」，究竟意欲何為？探索人體里的「小宇宙」早在100多年前，著名的西班牙科學家、神經系統研究的先驅者卡赫曾經說過，「只要大腦的奧秘尚未大白於天下，宇宙將仍是一個謎」。事實上，包括中樞神經、周邊神經系統在內的「腦」確實是藏在人體內的「小宇宙」。中科院院士、腦科學研究專家楊雄里教授列出一組數據：人腦組成單元神經細胞數量達上千億，與銀河系已知星體總數相當；而作為神經細胞的連接點「突觸」數量，又是神經細胞的1000倍，達到10的14次方，每秒完成千萬次動態鏈接；人類大腦可儲存的信息相當於美國國會圖書館藏書總量的50倍……正是這些數字構成的神經網路令人類得以產生感覺、接收信號、形成意識、獲得邏輯、發出指令、學習、擁有記憶。也正由此，揭示腦的奧秘成為現代科學面臨的最大挑戰。幾十年來，人類對腦的奧秘的探究從未停止，已有數十位從事腦科學研究的科學家獲得諾貝爾獎。腦科研在發達國家已成為科學研究「皇冠上的明珠」，美國國會曾將20世紀的最後10年命名為「腦的10年」，日本更制定了「腦科學時代」計劃，德國、英國、瑞士等也都擁有本國的神經科學研究計劃。楊雄里院士介紹，從19世紀末開始，人們逐漸認識到要解開大腦之謎，一方面必須描繪腦的各種組構，摸清它們的相互聯繫，另一方面必須分析腦的各部分如何工作以及它們如何協同實現各種功能，這兩方面也就構成了腦科學研究的兩個傳統分支——神經解剖學和神經生理學，兩者幾乎相互獨立、並行發展。到了20世紀50年代，兩個學科間壁壘逐漸被打破，同時細胞生物學、分子生物學等其他學科急速發展，並逐漸融入人類探索大腦的「大軍」。此次美歐在這一領域的全新計劃，正是多年探索基礎上的又一次發力。前者意圖通過先進技術更深入了解人腦功能單元的連接組成及其動力學變化，後者則更進一步，偏重在採集大量數據的基礎上，向「人工模擬大腦功能系統」進發。如何邁過「巨大的鴻溝」？對於各國爭相投入，以及全球研究領域的激烈爭奪，楊院士直言「不是壞事」。在他看來，科學上的進步往往在你追我趕的競爭中提速。作為我國腦科學研究領域的權威專家，眼前他更關心的是研究者們共同面臨的「巨大的鴻溝」。何為「巨大的鴻溝」？當前在細胞和分子水平上對腦和神經系統的研究已經取得了巨大成功，另一方面，我們已經有可能在整體水平上監測腦實施功能時各分區神經元的活動狀態。然而，對於產生知覺、認知、思維等涉及數千乃至上百萬神經元集群活動的監測，仍然缺少有效的技術手段，也因此尚未積累充分的數據，並進行細緻的分析。在這樣的情況下，發展新的神經細胞活動的檢測技術、信息技術和其他有關工程技術，顯然成為腦科學的新的「生長點」。北京師範大學腦與認知科學研究院院長羅躍嘉打比方，「就像我們要去研究火星，首先要建造一艘能夠到達火星的飛船。」在科學家們看來，神經元標記和大範圍神經網路中神經環路示蹤和結構功能成像技術，大範圍神經網路活動的同步檢測、分析和操控技術，具有高時間、空間分辨力的新型成像技術，以及電子探針、納米技術等，都將令研究者們探索大範圍的神經元集群功能狀態及動態變化成為可能，由此積累的大量數據或許可助人類在探索大腦的路上跨越溝壑、走得更遠。當然，對腦的信息處理特點的研究，也有助於推進信息技術和其他工程技術的發展。技術層面而言，大腦本身就是複雜系統，當研究人員憑藉著不斷升級換代的高新信息工程技術走入大腦深處後，得到的認知或許還可反過來促進信息及其他工程技術的發展，形成良性循環。我們真的準備好了嗎？人類「腦計劃」雄心勃勃，一些對腦科學的應用猜想已經成為熱議話題：一旦掌握了腦的秘密，是不是「讀心術」將成為可能？很快就能像電腦「拷貝」文件那樣快速學習了嗎？甚至有人更進一步，分析人腦控制在軍事領域的應用前景。對此，不少專家直言「尚早」。楊雄里認為，探索腦的奧秘，是一個漫長的過程，即使僅僅是繪製出所謂「人腦活動圖譜」，幾十年、或許幾百年都不夠。在他看來，研究大腦的功能，特別是腦的高級複雜功能，如感知、思維、情緒、認知，存在著巨大的困難。首先，即使像「大腦活動圖譜」計劃所說的把每個神經細胞的活動都記錄下來，這也還只是我們了解腦的活動的基礎工作。因為這些活動隨著環境、刺激而瞬息萬變。更重要的是，大腦在人出生以後，有一個發育成熟的過程，在此期間神經細胞的活動不斷地發生變化，甚至當神經系統成熟以後，它的功能和結構都會因環境的變化而發生改變。這就是所謂的腦的可塑性。這一特點，充分說明它是一種動態的過程，不是靜止不變的。與這樣複雜的系統打交道不是輕而易舉的。另一個巨大困難，在於大腦的高級複雜功能，固然有其物質的基礎，但當這些物質運動，升華成為精神活動的時候，它就會凸現一些我們目前並不了解的特殊規律。以做夢為例，科學家們已掌握某些技術可探測一個人是不是在做夢，但是還沒有客觀方法來確定做的是什麼夢，而做夢在同樣的外在條件之下，具有明顯的不可重複性，這給研究夢這樣的腦的高級功能帶來了很多困難。在他看來，對大腦的研究，有著除醫學以外的意義。往深處想，如今我們感知這個世界，是通過視覺、觸覺、味覺、聽覺等各種功能的神經元接受信號，再經各級各類神經迴路的複雜加工處理得來。但是，經過大腦的這樣的信息處理，我們所感知的世界，還是不是真實的物理世界呢？在日常生活中，有很多錯覺，現在的科學研究表明，這些錯覺確實有其相應的神經基礎。對於研究腦的功能存在的這些困難，我們是否都已做好了準備？大半輩子都交給了腦科學研究的楊雄里這樣看：人類對大腦的認識是絕對真理，在某一個歷史時期我們所認識的只是相對真理，通過神經科學家的艱苦努力，可以逐漸逼近這個絕對真理，但我們永遠不能窮盡它。
推薦閱讀：