■ 文/丁秋萍 何宏建 鐘健暉

丁秋萍，浙江大學生物醫(yī)學工程與儀器科學學院，腦影像科學技術中心技術人員。

何宏建，浙江大學生物醫(yī)學工程與儀器科學學院，腦影像科學技術中心副教授。

鐘健暉，浙江大學生物醫(yī)學工程與儀器科學學院，腦影像科學技術中心主任、教授。

腦科學研究的終極目的是“認識腦”、從而“保護腦”，并最終“創(chuàng)造腦”。

大腦是人體最復雜的器官。破譯大腦運轉(zhuǎn)密碼、揭開生命之謎，是令無數(shù)科學家殫精竭慮的課題。電子信息技術、精準檢測設備的發(fā)展，為腦科學的發(fā)展插上了強有力的翅膀；反之，人類對大腦的不斷認識也為多門技術發(fā)展開啟了創(chuàng)新之路。腦科學這個最富有挑戰(zhàn)性的科學問題，逐漸成為國際科學前沿的熱點領域，被視為未來新的經(jīng)濟增長點和引領新科技革命的潛在引擎。

人類大腦，神秘的存在

大腦是人體中最復雜的系統(tǒng)，由超過800億個神經(jīng)元組成，每個神經(jīng)元又衍生出成百上千個分支。這些神經(jīng)元有機結(jié)合，形成龐大而精細的神經(jīng)網(wǎng)絡。將大腦作為一個“系統(tǒng)”而不是簡單單元的堆積，可能是理解大腦在正常狀態(tài)下如何工作以及異常導致的神經(jīng)系統(tǒng)疾病的關鍵。

大腦分工精細、組織有序，不同的腦區(qū)各司其職又互相協(xié)作，腦區(qū)之間有著超強的代償能力。例如，7歲的澳大利亞男孩，缺失了大部分視覺皮層，視力卻正常。經(jīng)磁共振掃描分析發(fā)現(xiàn)，視覺激活區(qū)轉(zhuǎn)移到了丘腦部位，丘腦枕下端扛起了初級視覺皮層的責任。美國有個科研人員，只有半個腦，生活可以完全自理，他的運動、科研能力甚至超過正常擁有全腦的人。事實上，即使同是健康人，大腦的結(jié)構和功能也存在較大的個體差異，這可能和基因、文化背景以及生活環(huán)境等因素都息息相關。

腦科學研究時機成熟，序幕拉開

隨著信息技術的迅速發(fā)展，神經(jīng)科學和信息科學相結(jié)合的人類腦計劃應運而生。計算機處理海量數(shù)據(jù)的能力不斷得到提升，腦科學研究得以更加深入,神經(jīng)網(wǎng)絡在內(nèi)的新技術的不斷涌入，將該領域的研究提升到了一個更高的層次。

在過去的幾十年間，腦科學研究的武器，特別是成像技術裝備得到了全新升級。宏觀的活體檢測成像方法常見的有磁共振成像（MRI）、正電子發(fā)射斷層掃描技術（PET）、腦電技術（EEG）等。以MRI為例，20世紀80年代，臨床MRI設備誕生，使得活體檢測大腦圖像成為可能，當時完成一次檢查需要1.5小時。隨著超導磁體的出現(xiàn)，成像速度和圖像質(zhì)量得到了很大提升。近期，MRI設備空間分辨率的發(fā)展使我們可以觀察并分析大腦活體基本信息處理單元網(wǎng)絡（大概為200微米大?。瑢θ四X從結(jié)構、功能、血流和代謝、網(wǎng)絡連接等全方面、多角度進行了解。利用MRI設備開展活體無損的人腦圖譜研究也是當前腦科學研究的熱點之一。美國神經(jīng)科學家已經(jīng)對大腦的結(jié)構和分區(qū)進行了精細的描繪。我國宣武醫(yī)院、浙江大學等團隊多中心聯(lián)合采集了不同地區(qū)不同年齡的近千例健康人群磁共振和認知行為數(shù)據(jù)，擬建立中國人自己的腦圖譜，結(jié)合計算機科學技術，人類對大腦的工作原理將有更加深入的理解。

近年來，腦電（EEG）技術也得到了快速發(fā)展，強磁場環(huán)境兼容的EEG可以在掃描磁共振的同時記錄腦電信號，將腦電的高時間分辨率和磁共振的高空間分辨率、多模態(tài)相結(jié)合，得到更全面的信息。PET通過檢測注入體內(nèi)的放射物質(zhì)產(chǎn)生圖像，人體不同組織的代謝狀態(tài)不同，在高代謝的惡性腫瘤組織中葡萄糖代謝旺盛，聚集較多，這些特點能通過圖像反映出來，從而對病變進行診斷。PET與MRI、電子計算機斷層掃描（CT）優(yōu)勢互補，又出現(xiàn)了PET-MRI、PET-CT。

除了宏觀檢測裝備的快速發(fā)展之外，干預腦疾病、腦功能的設備和技術也越來越朝著精細化的方向發(fā)展。自古以來，人們探索用電鰩魚放電來治療頭疼、癲癇，隨著認識的深入與技術逐步成熟，經(jīng)顱直流電刺激(tDCS)可以實現(xiàn)神經(jīng)興奮性的雙向調(diào)節(jié)，受到臨床的青睞。神經(jīng)刺激技術越來越受到大眾的關注，經(jīng)顱直流電刺激（tDCS）、深部腦刺激（DBS）、經(jīng)顱磁刺激（TMS）等技術開始得到快速發(fā)展，干預大腦疾病和認知的工具越來越發(fā)達，干預方式越來越精細化、定量化。

從微觀角度來看，17世紀，英國博物學家羅伯特·胡克利用自己制作的顯微鏡發(fā)現(xiàn)了“細胞”。隨著技術的發(fā)展，人們可以借助電子顯微鏡觀察到神經(jīng)細胞之間突觸連接的精細結(jié)構。更進一步，借助包括共聚焦、雙光子成像等各種熒光顯微成像技術，人們開始細化研究大腦組織中大量神經(jīng)元如何相互連接形成神經(jīng)環(huán)路。最近，北京大學的程和平教授等在《自然》（Nature）雜志子刊《自然·方法》（Nature Methods）上發(fā)布了一項最新的研究成果——新一代高速高分辨微型化雙光子熒光顯微鏡，它改變了觀察自由活動動物的亞細胞結(jié)構的方式，在動物覓食、睡眠等自然行為條件下，可以長時程觀察神經(jīng)突觸、神經(jīng)元、神經(jīng)網(wǎng)絡、遠程連接的腦區(qū)等多尺度、多層次動態(tài)變化。

盛大網(wǎng)絡首席執(zhí)行官陳天橋認為：腦科學涉及的計算能力、顯影技術以及其他重大技術，都到了能夠利用科學解決問題的時候，產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，腦科學的全民認識也都到了臨界點。繼歐盟腦計劃提出之后，各國都圍繞認識腦、研究腦、開發(fā)腦和保護腦的最終目標，相繼提出腦研究相關計劃。各國啟動的腦計劃各有側(cè)重，美國重點關注研發(fā)新型腦研究技術；歐盟主攻以超級計算機技術來模擬腦功能；日本主要以狨猴為模型研究腦功能和腦疾病。

我國的科學家和政府部門也開始重視腦科學的研究。2016年，“腦科學與類腦研究”被“十三五”規(guī)劃綱要確定為重大科技創(chuàng)新項目和工程之一，作為“科技創(chuàng)新2030重大項目”的四個試點之一。2017年年底即將推出“腦科學研究計劃”，主要針對腦科學和類腦研究進行名為“一體兩翼”的戰(zhàn)略部署?！耙惑w”指以闡釋人類認知的神經(jīng)為主體，“兩翼”包括對腦重大疾病的研究和通過計算和系統(tǒng)模擬推進人工智能的研究。

人工智能學家劉鋒博士在北京圓恩空間作了題為“互聯(lián)網(wǎng)云腦，新科學革命的前夜與人類的未來”的講座，認為這次新科技革命將發(fā)生在互聯(lián)網(wǎng)、腦科學與人工智能的交叉領域，其產(chǎn)生的成果將對諸多領域產(chǎn)生影響，包括互聯(lián)網(wǎng)、人工智能、智慧城市、物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、機器人，甚至腦科學、科技哲學、生物的進化都會從這個領域的發(fā)展過程中得到推動力。

腦科學研究旅途遙遙，路在腳下

如果腦科學是一座冰山，那么我們只看到了它露出水面的一角。腦科學研究的終極目的是“認識腦”、從而“保護腦”，并最終“創(chuàng)造腦”?！罢J識腦”就是要揭示腦功能的本質(zhì)，“保護腦”就是要預防和治療腦疾病，“創(chuàng)造腦”就是要激發(fā)人腦的潛在能力，開發(fā)人工智能。

互聯(lián)網(wǎng)和人工智能的發(fā)展某種意義上解放了人腦，也延伸、拓展了人腦。腦科學和類腦智能技術二者相互借鑒、相互融合是國際科學界涌現(xiàn)的新趨勢。近年來，人工智能、深度學習的高度發(fā)展，使得智能家居、無人駕駛汽車等變得觸手可及。

我國楊雄里、蒲慕明院士等科學家一直在呼吁開展適合中國國情的腦計劃。中國大腦項目希望在基礎和應用神經(jīng)科學之間實現(xiàn)平衡，使得一部分科學家能夠追求他們的興趣探索大腦的秘密，同時其他人可以應用我們已經(jīng)獲得的研究成果，來預防和治療腦疾病并開發(fā)腦的相關智能技術。

理解人類大腦認知是人類認識自然、利用自然的終極挑戰(zhàn)，造出像人腦那樣有高度智能的機器一直是人類世代的夢想。真正實現(xiàn)腦科學的突破，有待多學科交叉、多領域攜手，旅途遙遙，路在腳下……