人類科學走近最後的前沿？

研究大腦的神經科學被視為人類科學最後的前沿之一。美國神經科學家承現峻（Sebastian Seung）在即將出版的新書《連接組，造就獨一無二的你》中，描寫了世界各國神經科學家正在開展的一項探索大腦奧秘的宏偉工程——連接組計劃（Connectome）。

不過人們心中仍有疑慮：大腦如此複雜，難道是我們窮極一生可以理解的嗎？的確，這項面對「最後前沿」的研究計劃可能耗資巨大，需要數代人的不懈努力。在此背景下，呼之欲出的中國「腦科學計劃」需要攀登高峰的先鋒隊，也需要「接地氣」的排頭兵。

在科幻大片《星際穿越》中，看到茫茫宇宙、神奇的蟲洞與黑洞、摺疊的時間等等，是否讓你覺得未知的宇宙難以琢磨而令人神往？其實，我們每個人都有一個自己的「小宇宙」——大腦。

人類大腦重約三磅（近1.5公斤），被戲稱為「三磅的宇宙（Three-pound Universe）」。因為具有高度發達的大腦，我們成為萬物之靈，在創造了絢爛的文明、改造了這個世界的同時，還可以抬起頭仰望浩瀚星空，探索自然的奧秘。

我們的大腦中有數百億神經細胞（神經元），每個神經元與成百上千的其他神經元相連接，通過電信號與化學信號將我們感受到的外界信息傳遞進大腦，並做出需要的即時反應，而且還可以深深思考以探索宇宙萬物的終極規律。

美國著名長篇科幻劇集「Star Trek（星際迷航）」有一集名為「最後的前沿（The Final Frontier）」，意指探索浩瀚宇宙為人類科學最後的前沿。其實，人類的大腦一點都不比無窮宇宙簡單，說研究人類大腦的神經科學（Neuroscience）為「人類科學最後的前沿」也毫不為過。

美國麻省理工學院著名神經科學家承現峻（Sebastian Seung）教授（現普林斯頓大學教授）在其著作《連接組，造就獨一無二的你》一書中，用生動的筆觸描寫了世界各國神經科學家正在開展的一項探索大腦奧秘的宏偉工程——連接組計劃（Connectome）。

連接組計劃希望全面地認識大腦中神經元之間的連接。我們已經知道大腦中的神經元可能多達百億，而每個神經元又同時與成百上千個神經元形成傳遞信息的連接（突觸），因此所謂大腦的連接組是對近百億的神經元之間相互連接情況進行全面地研究與分析，可想而知，這是一項包含了人類歷史上最大信息量的艱巨工作。

「連接組（Connectome）」這個詞從「基因組（Genome）」衍變而來。20世紀90年代，美國能源部啟動的歷經十餘年的人類基因組計劃（human genome project，HGP）耗資30億美元對人類基因組的30億個鹼基完成了全測序。在得知了人類近乎全面的編碼基因及非編碼序列的組成後，人類攻克複雜疾病、尋找遺傳病病因，從而促進健康的能力大大加強。

2013年4月，美國總統奧巴馬在國情咨文中宣稱，對人類基因組計劃每1美元的投入至今已獲得了140美元的超值回報，因此，美國從2013年開始啟動了研究大腦的「腦科學計劃（BRAIN Initiative）」。

當然，如果說科學研究的初衷是為了投資回報，這未免太功利了些。但是無可置疑的是從過去幾年開始，美國、歐洲及日本陸續宣布了專攻神經科學的「腦科學計劃」。中國科學院在2012年啟動了研究大腦功能性聯結圖譜的戰略先導計劃。2013年至2015年，中國的「腦科學計劃」經過神經科學家們的反覆研討也呼之欲出。人類終於要向「最後的前沿」進軍了！

承現峻曾經在TED論壇做過一個非常出色的，關於大腦連接組研究的演講，開篇時他曾自嘲，大腦如此複雜，忍不住讓人疑問：這難道是我們窮極一生可以理解的嗎？不錯，我們雖然知道大腦的基本物理與化學組成，卻對大腦如何能夠準確地區分與儲存海量信息，並同時進行思考與抉擇的機制知之甚少。在《連接組，造就獨一無二的你》這本書中，承現峻教授提出，只要我們全面地了解了大腦中神經元的連接，就可以得知我們大腦的儲存信息、思維模式甚至如何產生深邃的思想，是否真的如此？

承現峻在TED演講中介紹大腦連接組（Connectome）研究。

讓我們簡單討論一下該書中的一些主要觀點。首先，作者認為人的大腦組成不僅僅被基因組決定，更被連接組決定。這是生物學界一個非常重要的爭論——「nature vs. nurture」——先天還是後天的因素決定了人的方方面面包括大腦的功能等等。

基因組代表先天因素（nature），從父母遺傳而來無法輕易改變，而連接組象徵後天因素（nurture），是我們在這個繽紛世界中經過無數外界信息塑造後的大腦。

在這個問題上，並非說基因組和連接組就一定是「東風和西風誰壓倒誰」的問題，而是在何種層次上相互協調貢獻大腦功能的問題。比如我們知道在成年人的大腦中，雖然神經網路已經基本定型，但是基因組也並非對大腦的功能毫無貢獻。人類在學習與認知的時候大腦中的電信號就會激活神經元而讀取神經元中基因組的信息，將許多基因打開或關閉，通過改變神經元的重要功能蛋白質的水平來對神經元之間的連接（突觸）做出可塑性的改變。因此從這個角度上講，連接組也是基因組在大腦中的功能投射。

作者承現峻還認為，全面了解大腦的神經元連接組，我們就可以了解大腦的奧秘。根據上面所說，我們知道所謂大腦連接組其實是個動態的組成，在我們的大腦接收並處理了外界信息之後，神經元之間的連接很可能就會發生可塑性的改變，這些改變就代表了我們的思考、記憶的過程等。因此，如果僅僅在某一個時間點上看清楚了（現在還不能），就算我們能用神奇的方法看清大腦的所有神經連接，下一個時間點你看到的卻又不同了。所以，假設如承現峻教授所說將大腦深度冷凍，儲存連接組，然而，是否能真正存儲我們的思想，是否能有效地提取連接組中的有效信息，都還是完全未知的。以現在的科學手段，這近乎於有趣的科學幻想。

如果我們暫時還沒有辦法洞察一個活人大腦中的神經元之間全面且動態的連接情況，那麼研究大腦連接組還有意義嗎？

近年來，神經科學家確實認識到，我們的高等認知功能及腦疾病的起因往往與大腦中神經元的功能性連接改變關係甚密。雖然我們目前還無法全面地得知大腦中所有神經元的動態連接情況，但是我們已經可以通過模式生物，如嚙齒類的大小鼠以及人類的近親——非人靈長類動物，來對大腦中的特定神經連接環路進行研究，包括在高等認知功能中，有哪些神經連接組成的環路發生了激活與抑制？

在病理狀態包括老年痴呆症、帕金森症、孤獨症（自閉症）、抑鬱症及精神分裂症中，大腦中哪些神經連接組成的環路發生了破壞性的改變？

例如，我們已經知道在帕金森症病人中，因為釋放多巴胺的神經元發生了死亡，大腦中涉及多巴胺的神經連接被嚴重破壞，進而影響到了病人的運動及認知能力等。因此，如果能認識到大腦中這些特定神經元的連接模式及細節，的確可以極大地促進我們對大腦工作原理的認識，並同時得知腦疾病的起因與病理進程。

因為大腦中神經元為數甚多，相互之間的連接更是數不勝數，連接組計劃涉及到海量的人力、物力與財力，堪比20多年前的人類基因組計劃。

正因為大腦連接組計劃耗資可能甚巨，目前世界各國的「腦科學計劃」其實都沒有將連接組計劃作為主攻方向。美國的腦計劃希望先搭橋鋪路，繼續研發創新研究大腦的工具手段，讓我們可以應用新型的方法看到我們以前看不到的細節，如神經元間連接的動態變化等。目前備受爭議的歐洲腦計劃原本打算利用計算機模擬的方法構建人類大腦的計算模型，無奈受到歐洲各國神經科學家們的強力反對，很可能改弦易轍。日本於2014年啟動的腦計劃決定從人類的近親——非人靈長類動物（狨猴）入手研究大腦的結構與功能。面對這樣一個近乎「不可能的任務」，中國的神經科學家們將何去何從？怎樣另闢蹊徑而做出獨特的貢獻？

探索人類科學的最終前沿，顯然還需要數代人的不懈努力。而在中國的「腦科學計劃」即將面世之際，社會大眾更為關心的問題可能還是：這麼多「腦計劃」是否可以釐清腦疾病的機理？是否可以治癒或者至少可以延緩腦疾病的發生髮展？是否可能通過腦科學研究幫助少年兒童的智力發育？特別是在中國已經步入老齡化社會的時刻，是否可能通過腦科學研究讓老年人的大腦經常「跳跳廣場舞」而長葆青春？

基礎研究與社會發展密不可分，特別是腦科學研究，腦的衰老及疾病已經成為影響社會發展的巨大負擔。中國的腦科學計劃需要攀登高峰的先鋒隊，也需要「接地氣」的排頭兵。在社會資源有限的當下，如何平衡兩者，在不忘攀登科學高峰的同時造福社會大眾做好轉化研究，是國家科技政策的決策者和從事基礎科學研究的工作者都需要深思的問題。

電影《星際穿越》中，地球即將耗盡資源無法維繫人類生存，平時看起來毫無用處的宇航科學和理論物理學反倒成了讓人類可以星際移民而拯救自身的救命稻草。腦科學也是一樣，看起來與社會大眾好像毫無關係，但其實卻關係到人類生活的方方面面，從健康時如何學習與記憶到患腦疾病時如何康復。

人類只有攻克一個又一個前沿才能創造更燦爛的文明，才能讓自身屹立於茫茫宇宙之中。面對人類科學「最後的前沿」，讓我們像第一次飛入太空的宇航員加加林那樣，豪情萬丈地說：「讓我們出發！」

（本文為《連接組，造就獨一無二的你》一書序言，作者授權《賽先生》刊發，略有修訂。該書英文版《Connectome》為美國神經科學家承現峻（Sebastian Seung）所著，中譯本《連接組，造就獨一無二的你》即將由果殼閱讀和清華大學出版社聯合推出，譯者孫天齊。）