美國(guó)加州斯坦福大學(xué)醫(yī)學(xué)院的神經(jīng)生物學(xué)家 Bill Newsome 接到了來(lái)自美國(guó)**衛(wèi)生研究院（NIH）院長(zhǎng) Francis Collins 的電話(huà)后，他的第一反應(yīng)是驚慌。 Collins 突然與他聯(lián)系，詢(xún)問(wèn) Newsome 是否愿意在一項(xiàng)為期10年的大腦研究項(xiàng)目中擔(dān)任共同主席。

　　對(duì) Newsome 而言，這聽(tīng)起來(lái)像個(gè)吃力不討好的、無(wú)組織的、繁重麻煩的工作，會(huì)毀了一個(gè)夏季的好心情。但是，經(jīng)過(guò) 24 小時(shí)的思想斗爭(zhēng)后， Newsome 對(duì)工作的熱情終究戰(zhàn)勝了驚慌。他接受了這項(xiàng)任務(wù)。 Newsome 表示：“現(xiàn)在的時(shí)機(jī)很棒。21世紀(jì)，研究大腦對(duì)于學(xué)界而言是頗有意思的課題。”

　　早在 4 月 2 日，美國(guó)總統(tǒng)奧巴馬就宣布計(jì)劃投入 1 億美元，用于啟動(dòng)“腦計(jì)劃”項(xiàng)目——這個(gè)旨在研究大腦的項(xiàng)目的最終耗資可能是預(yù)算的 10 倍。無(wú)獨(dú)有偶，歐盟委員會(huì)也有相似的雄心壯志。今年年初，歐盟委員會(huì)宣布將啟動(dòng)旗艦項(xiàng)目“人腦工程”，該項(xiàng)目 2013 年的預(yù)算為 5400 萬(wàn)歐元（6900 萬(wàn)美元），并將在未來(lái) 10 年內(nèi)獲得 10 億歐元的經(jīng)費(fèi)。

　　盡管美國(guó)和歐盟的腦項(xiàng)目目標(biāo)不同，但事實(shí)上，都直指神經(jīng)系統(tǒng)科學(xué)家的終極難題：人腦中數(shù)十億神經(jīng)元和數(shù)以萬(wàn)億計(jì)的連接或突觸，如何組織起來(lái)形成有效的神經(jīng)回路，從而使人類(lèi)能夠墜入愛(ài)河、走上戰(zhàn)場(chǎng)、解開(kāi)數(shù)學(xué)定理或?qū)懺?shī)。此外，研究人員還希望了解大腦神經(jīng)元回路發(fā)生變化的方式。

　　實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)需要新的技術(shù)（例如納米技術(shù)、遺傳學(xué)技術(shù)、光學(xué)技術(shù)等），以便能捕捉到在神經(jīng)元之間發(fā)生的腦電活動(dòng)，而后刺激這些神經(jīng)元以弄清它們的工作狀態(tài)，以及繪制出詳細(xì)的潛在結(jié)構(gòu)電路等。美國(guó)芝加哥市西北大學(xué)神經(jīng)系統(tǒng)科學(xué)家 Konrad Kording 說(shuō)：“人類(lèi)的大腦在 30 秒內(nèi)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量相當(dāng)于哈勃太空望遠(yuǎn)鏡一生使用周期中所產(chǎn)生的信息量。”

　　研究人員已經(jīng)在尋找一些切入點(diǎn)以解決問(wèn)題。過(guò)去的幾年人們也見(jiàn)證了驚人的技術(shù)進(jìn)步，例如科學(xué)家構(gòu)建了無(wú)比精確的人腦解剖圖。截止到目前，大多數(shù)神經(jīng)系統(tǒng)科學(xué)家正在使用更簡(jiǎn)單的物種例如老鼠或蠕蟲(chóng)來(lái)研究一些基礎(chǔ)原理。在此，《自然》雜志審視了一些有助于人們更深入了解大腦工作原理的技術(shù)進(jìn)步。

　　測(cè)量神經(jīng)元

　　如果研究人員想要弄懂流過(guò)大腦回路的電子信號(hào)，那么他們需要同步記錄盡可能多的神經(jīng)元的有關(guān)信息。

　　目前，研究人員主要通過(guò)在大腦中嵌入金屬電極的方法，來(lái)測(cè)量神經(jīng)元的活動(dòng)。但是這一方法伴隨著巨大的挑戰(zhàn)。每個(gè)電極都需要電線(xiàn)來(lái)測(cè)量模擬信號(hào)——電壓變化，但在傳輸過(guò)程中，信號(hào)很容易丟失或失真。

　　此外，電線(xiàn)必須細(xì)如發(fā)絲以避免組織損傷。電極技術(shù)的進(jìn)步使同時(shí)記錄幾百個(gè)神經(jīng)元成為可能。但要想解開(kāi)終極謎題，還需要研究人員盡可能多地去探測(cè)更多的細(xì)胞，并捕捉到更好品質(zhì)的信號(hào)。

　　由硅制成的新一代神經(jīng)探索裝置（以極致小型化為特色）的問(wèn)世，使這一切成為可能。2 月，這類(lèi)神經(jīng)探索裝置的原型（僅 1 厘米長(zhǎng)，如一美元鈔票那么薄）在美國(guó)加州舊金山市舉行的國(guó)際固態(tài)電路會(huì)議上亮相。該裝置由專(zhuān)門(mén)研究納電子學(xué)的組織 Imec （總部位于比利時(shí)勒芬市）推出。

　　當(dāng)裝置被嵌入老鼠的大腦中， Imec 裝置上的電極能夠同時(shí)在老鼠的所有大腦皮層上記錄信息。這有助于神經(jīng)系統(tǒng)科學(xué)家拆分大腦中互相連接的復(fù)雜電路。 Imec 生物和納電子學(xué)主管 Peter Peumans 說(shuō)：“這一原型可以被拓展。”在3年內(nèi)，神經(jīng)探索裝置將擁有多達(dá) 2000 個(gè)電極和超過(guò) 200 個(gè)電線(xiàn)。

　　繪制圖譜

　　研究人員一直在收集有關(guān)神經(jīng)元活動(dòng)和電路的信息，這些信息對(duì)于繪制一份可靠的高度詳細(xì)的大腦解剖圖非常必要。

　　一個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，各種繪制神經(jīng)解剖學(xué)圖譜的方法，一直力求把大腦切成盡可能薄的切片，之后科學(xué)家會(huì)在光學(xué)顯微鏡下仔細(xì)研究這些切片。但是，通過(guò)計(jì)算方法，使這些數(shù)量驚人的切片有序排列（為了重建人腦中錯(cuò)綜復(fù)雜的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)）是極具挑戰(zhàn)性的。

　　盡管如此，德國(guó)尤利希研究中心的 Katrin Amunts 和同事宣布，上個(gè)月，他們已經(jīng)完成了這項(xiàng)困難的工作。

　　研究人員通過(guò)對(duì)一名 65 歲婦女的大腦樣本進(jìn)行切片研究和分析，制作出迄今為止最詳細(xì)的完整三維人腦圖。這份人腦圖匯編自 7400 個(gè)大腦切片，每個(gè)切片厚度為 20 微米，經(jīng)過(guò)光學(xué)顯微鏡成像，兩臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)用時(shí) 1000 個(gè)小時(shí)處理了包含萬(wàn)億字節(jié)的數(shù)據(jù)。

　　Amunts 表示，整個(gè)項(xiàng)目歷時(shí) 10 年。目前， Amunts 及其同事已經(jīng)開(kāi)始投身到下一個(gè)關(guān)注于個(gè)體差異的人腦項(xiàng)目中，她期待新項(xiàng)目能夠推進(jìn)得更快。

　　了解腦數(shù)據(jù)處理功能

　　或許，人腦研究最大的挑戰(zhàn)在于弄清大腦存儲(chǔ)與處理數(shù)據(jù)的方式。美國(guó)哈佛大學(xué)的 Jeff Lichtman 與德國(guó)慕尼黑市馬克斯—普朗克神經(jīng)生物學(xué)研究所的 Winfried Denk 通過(guò)新型顯微鏡獲得的電鏡信息顯示，腦組織只需1立方毫米便可以處理 2000 太字節(jié)。

　　Denk 估計(jì)，一個(gè)完整的老鼠大腦可以產(chǎn)生 60 拍字節(jié)的信息，而人類(lèi)的大腦則可以處理 200 艾字節(jié)的信息。 Lichtman 說(shuō)，這個(gè)數(shù)據(jù)量可以與當(dāng)今整個(gè)世界的數(shù)字信息相媲美，包括臉譜網(wǎng)以及所有其他大型數(shù)據(jù)儲(chǔ)存庫(kù)。

　　而這一切只是開(kāi)始。神經(jīng)科學(xué)家最終將收集人類(lèi)大腦的解剖信息（每個(gè)大腦的解剖信息都是獨(dú)一無(wú)二的），并層層深入分析其背后的神經(jīng)活動(dòng)?？茖W(xué)家需要儲(chǔ)存并系統(tǒng)化地組織這些多樣化的數(shù)據(jù)模式，以便更深入探索大腦的奧秘。

　　歐洲的人腦工程旨在提供一個(gè)人腦模擬環(huán)境，使研究者可以實(shí)時(shí)地與它互動(dòng)，這是另一個(gè)層次的需求。西班牙巴塞羅那超級(jí)計(jì)算中心的 Jesus Labarta Mancho 是人腦工程的合作者之一，他說(shuō)：“我們面臨的挑戰(zhàn)之一便是開(kāi)發(fā)一種電腦語(yǔ)言，以便更高效地利用超級(jí)電腦。”

　　目前，有些實(shí)驗(yàn)需要同時(shí)刺激不同大腦區(qū)域的不同部位，超級(jí)電腦難以滿(mǎn)足這種需求。因此，需要開(kāi)發(fā)出一種新方法，使得超級(jí)電腦能夠壓縮其一部分區(qū)域的信息，以便集中精力處理急需解決的問(wèn)題。

　　即便超級(jí)電腦可以打包處理數(shù)據(jù)，理論家仍然需要思考應(yīng)該問(wèn)它什么問(wèn)題。位于葡萄牙里斯本的 Champalimaud 探索未知中心的理論神經(jīng)科學(xué)家 Christian Machens 說(shuō)：“這是一個(gè)先有雞還是先有蛋的問(wèn)題。一旦我們弄清大腦的工作原理，我們便知道如何去處理這些數(shù)據(jù)。”

　　任務(wù)的規(guī)模和工程量是理論家爭(zhēng)議的焦點(diǎn)；與許多人一樣， Kording 認(rèn)為還有太多的事情需要完成。他說(shuō)：“與之相比，谷歌搜索的問(wèn)題就像小孩子的游戲。大腦中神經(jīng)元的數(shù)量大致與互聯(lián)網(wǎng)頁(yè)面的數(shù)量相等。但問(wèn)題在于，互聯(lián)網(wǎng)的頁(yè)面之間是直線(xiàn)聯(lián)系的，而每一個(gè)神經(jīng)元都與數(shù)千個(gè)神經(jīng)元相連，并不是直線(xiàn)聯(lián)系。”

　　但是，美國(guó)紐約冷泉港實(shí)驗(yàn)室的生物數(shù)學(xué)家 Partha Mitra 認(rèn)為，完全了解大腦工作原理的最大挑戰(zhàn)來(lái)自社會(huì)學(xué)。他說(shuō)：“追蹤大腦的工作原理與追蹤希格斯玻色子不同，每一個(gè)希格斯玻色子都會(huì)跟著同一個(gè)單獨(dú)目標(biāo)移動(dòng)。就比如團(tuán)隊(duì)中的每個(gè)個(gè)體在設(shè)立團(tuán)隊(duì)目標(biāo)時(shí)會(huì)暢所欲言，一旦目標(biāo)設(shè)立完畢，便會(huì)嚴(yán)格自律，共同完成團(tuán)體目標(biāo)。”

　　不出 Newsome 所料，設(shè)立這些項(xiàng)目目標(biāo)已經(jīng)幾乎耗費(fèi)了他的整個(gè)夏季。目前，他正在參加一系列旨在為美國(guó)“腦計(jì)劃”設(shè)立研究目標(biāo)的專(zhuān)家研討會(huì)，并修改一份將于9月份發(fā)布的“腦計(jì)劃”研究報(bào)告。他表示，該報(bào)告不能確保解決所有與大腦有關(guān)的難題，但將會(huì)把研究引入正軌，使得回答這些問(wèn)題在未來(lái)成為可能。