? ? 在科幻大片《星際穿越》中，看到茫茫宇宙、神奇的蟲洞與黑洞、折疊的時間等等，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(fā)達的大腦，我們成為萬物之靈，在創(chuàng)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(shù)百億神經(jīng)細胞（神經(jīng)元），每個神經(jīng)元與成百上千的其他神經(jīng)元相連接，通過電信號與化學(xué)信號將我們感受到的外界信息傳遞進大腦，并做出需要的即時反應(yīng)，而且還可以深深思考以探索宇宙萬物的終極規(guī)律。 ???? ?
艱巨的“連接組”計劃 ???????
美國著名長篇科幻劇集“Star Trek（星際迷航）”有一集名為“最后的前沿（The Final Frontier）”，意指探索浩瀚宇宙為人類科學(xué)最后的前沿。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(jīng)科學(xué)（Neuroscience）為“人類科學(xué)最后的前沿”也毫不為過。 ???? ?
美國麻省理工學(xué)院著名神經(jīng)科學(xué)家承現(xiàn)峻（Sebastian Seung）教授（現(xiàn)普林斯頓大學(xué)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(jīng)科學(xué)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(jīng)元之間的連接。我們已經(jīng)知道大腦中的神經(jīng)元可能多達百億，而每個神經(jīng)元又同時與成百上千個神經(jīng)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(jīng)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(jīng)十余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30億個堿基完成了全測序。在得知了人類近乎全面的編碼基因及非編碼序列的組成后，人類攻克復(fù)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(tǒng)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(xué)計劃（BRAIN Initiative）”。 ???? ?
當然，如果說科學(xué)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(xù)宣布了專攻神經(jīng)科學(xué)的“腦科學(xué)計劃”。中國科學(xué)院在2012年啟動了研究大腦功能性聯(lián)結(jié)圖譜的戰(zhàn)略先導(dǎo)計劃。2013年至2015年，中國的“腦科學(xué)計劃”經(jīng)過神經(jīng)科學(xué)家們的反復(fù)研討也呼之欲出。人類終于要向“最后的前沿”進軍了！ ???? ?
先天與后天的對決 ???????
承現(xiàn)峻曾經(jīng)在TED論壇做過一個非常出色的，關(guān)于大腦連接組研究的演講，開篇時他曾自嘲，大腦如此復(fù)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(xué)組成，卻對大腦如何能夠準確地區(qū)分與儲存海量信息，并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(xiàn)峻教授提出，只要我們?nèi)娴亓私饬舜竽X中神經(jīng)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(chǎn)生深邃的思想，是否真的如此？ ???? ?
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(xué)界一個非常重要的爭論——“nature vs. nurture”——先天還是后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，而連接組象征后天因素（nurture），是我們在這個繽紛世界中經(jīng)過無數(shù)外界信息塑造后的大腦。 ???? ?
在這個問題上，并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(xié)調(diào)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(jīng)網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)基本定型，但是基因組也并非對大腦的功能毫無貢獻。人類在學(xué)習與認知的時候大腦中的電信號就會激活神經(jīng)元而讀取神經(jīng)元中基因組的信息，將許多基因打開或關(guān)閉，通過改變神經(jīng)元的重要功能蛋白質(zhì)的水平來對神經(jīng)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(xiàn)峻還認為，全面了解大腦的神經(jīng)元連接組，我們就可以了解大腦的奧秘。根據(jù)上面所說，我們知道所謂大腦連接組其實是個動態(tài)的組成，在我們的大腦接收并處理了外界信息之后，神經(jīng)元之間的連接很可能就會發(fā)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(xiàn)在還不能），就算我們能用神奇的方法看清大腦的所有神經(jīng)連接，下一個時間點你看到的卻又不同了。所以，假設(shè)如承現(xiàn)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(xiàn)在的科學(xué)手段，這近乎于有趣的科學(xué)幻想。 ???? ?
基礎(chǔ)研究造福人類社會 ???????
如果我們暫時還沒有辦法洞察一個活人大腦中的神經(jīng)元之間全面且動態(tài)的連接情況，那么研究大腦連接組還有意義嗎？ ???? ?
近年來，神經(jīng)科學(xué)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(jīng)元的功能性連接改變關(guān)系甚密。雖然我們目前還無法全面地得知大腦中所有神經(jīng)元的動態(tài)連接情況，但是我們已經(jīng)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(jīng)連接環(huán)路進行研究，包括在高等認知功能中，有哪些神經(jīng)連接組成的環(huán)路發(fā)生了激活與抑制？ ???? ?
在病理狀態(tài)包括老年癡呆癥、帕金森癥、孤獨癥（自閉癥）、抑郁癥及精神分裂癥中，大腦中哪些神經(jīng)連接組成的環(huán)路發(fā)生了破壞性的改變？ ???? ?
例如，我們已經(jīng)知道在帕金森癥病人中，因為釋放多巴胺的神經(jīng)元發(fā)生了死亡，大腦中涉及多巴胺的神經(jīng)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(jīng)元的連接模式及細節(jié)，的確可以極大地促進我們對大腦工作原理的認識，并同時得知腦疾病的起因與病理進程。 ???? ?
因為大腦中神經(jīng)元為數(shù)甚多，相互之間的連接更是數(shù)不勝數(shù)，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(xué)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(xù)研發(fā)創(chuàng)新研究大腦的工具手段，讓我們可以應(yīng)用新型的方法看到我們以前看不到的細節(jié)，如神經(jīng)元間連接的動態(tài)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(gòu)建人類大腦的計算模型，無奈受到歐洲各國神經(jīng)科學(xué)家們的強力反對，很可能改弦易轍。日本于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(jié)構(gòu)與功能。面對這樣一個近乎“不可能的任務(wù)”，中國的神經(jīng)科學(xué)家們將何去何從？怎樣另辟蹊徑而做出獨特的貢獻？ ???? ?
探索人類科學(xué)的最終前沿，顯然還需要數(shù)代人的不懈努力。而在中國的“腦科學(xué)計劃”即將面世之際，社會大眾更為關(guān)心的問題可能還是：這么多“腦計劃”是否可以厘清腦疾病的機理？是否可以治愈或者至少可以延緩腦疾病的發(fā)生發(fā)展？是否可能通過腦科學(xué)研究幫助少年兒童的智力發(fā)育？特別是在中國已經(jīng)步入老齡化社會的時刻，是否可能通過腦科學(xué)研究讓老年人的大腦經(jīng)?！疤鴱V場舞”而長葆青春？ ???? ?
基礎(chǔ)研究與社會發(fā)展密不可分，特別是腦科學(xué)研究，腦的衰老及疾病已經(jīng)成為影響社會發(fā)展的巨大負擔。中國的腦科學(xué)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(xué)高峰的同時造福社會大眾做好轉(zhuǎn)化研究，是國家科技政策的決策者和從事基礎(chǔ)科學(xué)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系人類生存，平時看起來毫無用處的宇航科學(xué)和理論物理學(xué)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(xué)也是一樣，看起來與社會大眾好像毫無關(guān)系，但其實卻關(guān)系到人類生活的方方面面，從健康時如何學(xué)習與記憶到患腦疾病時如何康復(fù)。 ???? ?
人類只有攻克一個又一個前沿才能創(chuàng)造更燦爛的文明，才能讓自身屹立于茫茫宇宙之中。面對人類科學(xué)“最后的前沿”，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(fā)！” ???? ?（本文為《連接組，造就獨一無二的你》一書序言，作者：上海生科院神經(jīng)科學(xué)研究所/中科院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心 仇子龍研究員???蒲慕明院士?）
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