“连接组”与中国脑计划：最后的前沿浅

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“连接组”与中国脑计划：最后的前沿浅
; c9 p5 J3 ^: t来源：光明网 / 作者： / 2016-05-16
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我们每个人都有一个“小宇宙”——大脑。人类大脑重约三磅（三市斤），被戏称为“三磅的宇宙”。因为具有高度发达的大脑，人类成为万物之灵，创造了绚烂文明，不断探索并发现宇宙间万事万物的规律。美国著名长篇科幻漫画Star Trek曾将探索浩瀚宇宙称为人类科学“最后的前沿”，但在科学家看来，人类的大脑一点都不比无穷宇宙简单。1 g$ N. Y& S9 |4 {: [* d
探索大脑奥秘的宏伟工程
5 }$ |; v/ f7 F1 F  l, y近十年间，世界各国神经科学家开展了一项探索大脑奥秘的宏伟工程——连接组计划（connectome）。这一计划希望全面认识大脑中神经元之间的连接。我们已经知道大脑中的神经元可能多达千亿，而每个神经元又同时与成百上千个其他神经元形成传递信息的连接（突触），研究大脑的连接组，就是要对近千亿神经元之间相互连接的情况进行全面的研究与分析，可想而知这可能是人类历史上信息量最大的艰巨工程。
' m, j( o. C9 }; n6 i“连接组”这个词是从“基因组（genome）”衍变而来的。二十世纪九十年代美国启动了人类基因组计划（Human Genome Project-HGP），历经十余年，在全球科学家的协作努力下，共耗资30亿美元，完成了人类基因组30亿个碱基的全测序，使人类攻克复杂疾病、寻找遗传病病因的能力大大加强。" Q. x  H. \9 x0 T- {% M9 ~' d
这项基础研究获得了丰厚的回报，美国总统奥巴马在2013年4月的国情咨文中宣称：对人类基因组计划的每1美元投入至今已获得140美元的巨额回报，因此美国从2013年开始启动研究大脑的“脑科学计划（BRAIN Initiative）”。当然，说科学研究是为了投资回报，这未免太功利了些。但毋庸置疑的是，过去三年，美国、欧洲及日本陆续宣布了专攻神经科学的“脑科学计划”。中国科学院也在2012年启动了研究大脑功能性联结图谱的战略先导专项。从2014年至2016年，中国脑计划经过神经科学家们反复研讨，呼之欲出。人类终于要向“最后的前沿”进军了！& s9 r" C+ c1 p4 A* ~( k. L4 b
连接组与基因组：先天还是后天决定了大脑
5 N8 F& y- v4 M: C) n究竟是先天因素还是后天因素决定了大脑？这是生物学界一个非常重要的争论。人类的大脑功能不仅仅是由神经元之间的连接决定的，更被编码蛋白质的遗传物质——基因组所决定。基因组代表先天因素，从父母遗传而来无法轻易改变；连接组象征后天因素，是我们在这个缤纷世界中接受无数外界信息后塑造的大脑。
* \  X! I- i3 e4 T$ K3 f在这个问题上，并非说基因组和连接组就是谁压倒谁的问题，而是在何种层次上相互协调贡献大脑功能的问题。比如我们知道在成年人的大脑中，虽然神经网络已经基本定型，但是基因组也并非对大脑的功能毫无贡献。人类在学习与认知时，大脑神经网络中的电信号就会激活神经元进而读取神经元中基因组的信息，将许多基因打开或关闭。通过改变神经元的重要功能蛋白质水平，来对神经元之间的连接（突触）做出可塑性的改变。因此，连接组其实也是基因组在大脑中的功能投射。
$ @# E/ _6 m0 t2 W0 c! H6 K" q; c动态与静态：动态变化的连接组能被认识吗
4 V: T3 H# U; }( l近年来，神经科学家们认识到，人类高等认知功能及脑疾病的起因，比如帕金森症、抑郁症等，往往与大脑中神经元的功能性连接改变关系甚密。但大脑连接组是具有可塑性的动态组成——在我们的大脑接收处理了外界信息后，神经元之间的突触很可能发生可塑性改变，这些改变就代表了我们的思考、记忆的过程等等。因此，即便在某一个时间点看清楚了大脑的所有神经连接，下一个时间点大脑的神经连接就不同了。( Z$ I0 B* H6 \6 J" n& I4 R
那么，在暂时无法洞察活人大脑的情况下，研究大脑连接组还有意义么？
/ T! z$ q; M' h6 @" Y: y答案是肯定的。现在，科学家们已经可以通过模式生物的大脑，如大、小鼠，人类的近亲——猴等，来对大脑中的特定神经连接环路进行研究，包括在高等认知功能中有哪些神经连接组成的环路发生了激活与抑制，在病理状态包括老年痴呆症、帕金森症、自闭症、抑郁症及精神分裂症中，大脑中哪些神经连接组成的环路发生了破坏性的改变等问题。我们相信，如果能认识到大脑中这些特定神经元的连接模式及细节，可以极大促进我们对大脑工作原理的了解，同时得知脑疾病的起因与病理进程。
4 A$ A5 O& l' V2 [4 T- K% B; E2 S6 z幼儿与成人：成年后大脑还具有可塑性吗+ s' w& w8 j" ^( a  i5 q' t
通常我们认为在人类发育过程中，最具有可塑性潜能的是孩童阶段。人类在幼年学习知识并学会适应外界复杂的社会，一些严重的神经系统疾病如自闭症也从孩童阶段开始表现出来。那么成年以后，大脑还是否具有可塑性呢？患有自闭症的儿童长大后是否还能够被治愈呢？4 ~8 I! @0 @4 m) E7 p  T
在最近几年的神经科学研究中，科学家们发现，一些作为人类自闭症疾病模型的基因突变小鼠（如Shank3与MeCP2基因突变小鼠），在长至成年、表现出疾病症状后，仍可以通过基因修复，恢复大脑的正常功能。这些研究为人类自闭症患者成年后的有效临床治疗与干预提供了重要线索。
. S. O6 I9 X2 Y' }/ e& S“一体两翼”的中国脑计划8 X1 w! Z; E: h# g# _2 S1 o
大脑连接组计划耗资甚巨，目前世界各国的“脑科学计划”都还没有将连接组计划作为主攻方向。美国的脑计划希望先搭桥铺路——继续创新研究大脑的工具手段，让我们可以看到以前看不到的细节，如神经元间突触的动态变化等。备受争议的欧洲脑计划，原本打算利用计算机模拟方法，构建人类大脑的计算模型，无奈受到欧洲各国神经科学家们的强力反对，很有可能改弦易辙。日本于2014年启动的脑计划决定从一种非人灵长类（狨猴）入手研究大脑的结构与功能。
+ @8 z( b: V9 ?7 Z西方国家已发展了逾一个世纪的现代神经科学，目前还处于“学徒”阶段的中国神经科学家们将如何作出自己的贡献？令人欣喜的是，近几年来中国科学家们已经利用中国特有的灵长类动物（猴类）资源作出了一系列震惊世界的发现，例如世界第一个基因编辑猴与第一个可作为自闭症模型的基因工程猴等，为脑疾病研究提供了前所未有的平台与机遇。" k& ?: v' L, D4 h' A
其实，大众更为关心的问题可能是：是否可以治愈，至少延缓脑疾病的发生发展？是否能促进少年儿童的智力发育？是否能够让大脑“广场舞”，让大脑永葆青春？  d, Z! x3 Q3 W
回答这些问题，需要基础研究与应用研究齐头并进。据参与中国脑计划制定的中国科学院外籍院士、美国国家科学院院士蒲慕明教授介绍，即将面世的中国脑计划架构可以概括为“一体两翼”：一体是以理解大脑为中心的基础研究，两翼是侧重应用研究的诊治脑疾病和类脑智能技术。中国脑计划兼备基础与应用研究的宏图，期待我们中国科学家能交出一份满意的答卷。1 K0 C# c9 v# n1 }
著名科幻电影《星际穿越》中，地球即将耗尽资源的，平时看起来毫无用处的宇航科学和尖端物理学成了让人类拯救自身的救命稻草。脑科学研究也是一样，它看似无用，却关系到人类生活的方方面面。人类正是在攻克一个又一个前沿中创造了灿烂的文明，屹立于茫茫宇宙之中。面对着人类“最后的前沿”，让我们像第一次飞入太空的尤里•加加林那样，豪情万丈地说：“让我们出发！”8 r5 x8 N* O, _) s$ L! [# @
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（仇子龙，作者为中国科学院上海神经科学研究所研究员，改编自《连接组》序言，有删节与增补）+ w* _, n2 f' K3 R7 S5 E

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