为大脑绘“地图”

邹丹

我们都知道，出门旅游，地图是必不可少的。不管是纸质地图，还是电子地图，都标满了道路和建筑物，能指引我们到达目的地。

那么，什么是大脑的“地图”呢？我们又不能去大脑里旅游，为什么要给大脑绘“地图”呢？回答这两个问题，我要从大脑的功能和基础结构说起。

大脑是所有脊椎动物和大部分无脊椎动物的神经系统控制中心，也是神经系统最高级的部分。它参与了我们日常生活的方方面面，我们的情感、行为、决策等都与它密切相关。被尊称为“西方医学之父”的古希腊医师希波克拉底曾经说：“我们的欢乐、开怀的大笑、说的俏皮话以及我们感到的难过、悲伤、意志消沉……都是只来源于我们的大脑，而不是别的什么东西。”另一方面，对于有关大脑的疾病，例如孤独症、阿尔茨海默症等，目前我们仍然缺少有效的检测手段，一个重要的原因是我们对大脑工作的机制知道得很少。所以，探究大脑是如何工作的，为大脑绘“地图”，至关重要。

人类的大脑虽然只重约1.5千克，但是包含约1000亿个神经元。神经元由细胞体和从细胞体伸出的突起（轴突和树突）两部分组成，以复杂的空间结构分布在大脑中，神经元与神经元通过轴突和树突相互连接。如果我们把大脑想象成地球，那么神经元就像分散在空中、地上和地下各个角落的无数城市。

大脑的功能是由大脑的结构决定的。因此，要充分理解大脑的功能，科学家就要从了解大脑的基础结构入手，即了解、标定神经元的位置及连接关系，这就像给大脑绘地图。

在地图测绘领域，人们通过航拍的方式获取大量照片，然后根据照片里建筑和道路的位置绘地图。在脑科学领域，科学家也用类似的研究思路：先通过脑成像技术获取大脑内部结构的三维图片，然后寻找神经元的位置、摸清它们的连接关系，最终绘出大脑的“地图”——全脑神经元连接图谱。

经过多年研究，科学家已经初步掌握脑成像技术。其中，我国科学家在这方面开展了深入研究，取得了一定成果。以华中科技大学武汉光电国家研究中心自主研发的荧光显微光学切片断层成像系统为例，研究人员使用高精度的设备对小鼠大脑超薄切片进行光学成像，而且采用“切片同时进行成像”的数据获取方法，获取突起水平（亚微米分辨率）的完整脑数据。虽然大脑并不大，但是脑成像数据量非常大。比如，小鼠的大脑体积很小，小鼠的脑成像数据量却可超过10万亿字节。

面对这样大规模的数据，普通计算机“无能为力”，这时就需要超级计算机“登场”。超级计算机将大量处理器集中在一起，有极大的数据存储容量、极快的数据处理速度，因此可以在多种领域进行一些普通计算机难以进行的工作。

近年来，科学家正在运用超级计算机全力研究动物的全脑成像和数据处理技术。比如，我国有一个课题叫“神经回路大数据的定量分析与可视化”，研究人员借助我国自主研制的超级计算机，实现了小鼠酌全脑成像数据并行处理，只用2小时就得到了小鼠脑部的所有神经元位置和连接信息。

为大脑绘“地图”的工作仍在进行，还有很多需要解决的问题。但随着科学技术的进步，相信在不久的未來，我们能够获取人类的全脑成像数据，为人脑绘出精准的“地图”，治愈与大脑有关的疾病，真正破解人类智能的秘密。