報(bào)道內(nèi)容摘選《學(xué)術(shù)經(jīng)緯》公眾號(hào)：
在最新出版的《科學(xué)》雜志上，由麻省理工學(xué)院（MIT）和霍華德·休斯醫(yī)學(xué)研究所（HHMI）的科學(xué)家們領(lǐng)銜的一支團(tuán)隊(duì)，成功對(duì)果蠅的完整大腦進(jìn)行了成像，清晰度達(dá)到了納米級(jí)！這讓我們能夠看清大腦中，不同的神經(jīng)細(xì)胞，乃至蛋白質(zhì)在空間上的相對(duì)分布，對(duì)基礎(chǔ)科研有著極為重要的意義。
本研究的通訊作者之一是MIT的知名科學(xué)家Edward S。 Boyden教授。他最初因在光遺傳學(xué)上的研究而聞名于世，最近幾年則在大腦成像領(lǐng)域有著諸多突破性的貢獻(xiàn)。2015年，他獲得了有“科學(xué)界奧斯卡”之稱的“科學(xué)突破獎(jiǎng)”（Breakthrough Prize）。2018年，他也獲得了有諾貝爾風(fēng)向標(biāo)稱號(hào)的蓋爾德納獎(jiǎng)。
在2015年左右，Boyden教授團(tuán)隊(duì)向解析大腦的高清結(jié)構(gòu)發(fā)起了沖鋒，目標(biāo)是理清大腦在細(xì)胞、乃至蛋白層面上如何進(jìn)行組合。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，科學(xué)家們開發(fā)了一種看起來很有趣的研究方法：他們首先往大腦組織樣本中注射一種膠狀物質(zhì)，隨后讓這些凝膠吸水膨脹，把大腦撐開。
從原理上看，這和嬰兒尿布中的材料吸水膨脹，有著異曲同工之妙。
這種看起來簡(jiǎn)單的方法，在解析大腦結(jié)構(gòu)中扮演了重要的角色。在長(zhǎng)、寬、高的維度上膨脹擴(kuò)大2倍，整個(gè)體積就會(huì)擴(kuò)大8倍。由于膨脹后的大腦組織更為松散，對(duì)其進(jìn)行顯微觀察就成為了可能。更關(guān)鍵的是，大腦樣本中的這些神經(jīng)細(xì)胞，相對(duì)位置被凝膠所固定，并不會(huì)發(fā)生變化。
果蠅大腦的擴(kuò)大過程（圖片來源：參考資料[1]）
正是因?yàn)檫@一突破，針對(duì)特定的大腦細(xì)胞或小型大腦區(qū)域，我們已經(jīng)獲得了不少“高清地圖”。
在體積較小的大腦樣本中取得的成功，并不一定能被復(fù)制到大型腦組織里。這是因?yàn)闃颖镜捏w積越大，就越難對(duì)深埋其中的特定部分進(jìn)行成像。如果單純?yōu)榱恕包c(diǎn)亮”而增強(qiáng)光源，還會(huì)破壞用于做標(biāo)記的熒光蛋白?？梢哉f，這是一個(gè)兩難。
此外，大型腦組織在膨脹擴(kuò)大之后，如何對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行快速的掃描成像，也就成了一個(gè)難題?！拔覀冃枰軌蚩焖俪上瘢粫?huì)帶來太多光褪色（photobleaching）效應(yīng)的顯微鏡”，本研究的共同第一作者Ruixuan Gao博士說道。而他們知道，HHMI的Eric Betzig教授課題組中，就有這么一臺(tái)高級(jí)的顯微鏡。
Betzig教授的顯微鏡叫做“晶格層光顯微鏡”（lattice light-sheet microscope）。它每次只會(huì)照亮超級(jí)薄的一層樣本，將對(duì)樣本的損害降到了最低。此外，它也能快速對(duì)樣本進(jìn)行成像，這正是研究人員們所需要的技術(shù)。
Ruixuan Gao博士與另一名共同一作Shoh Asano博士帶去了一些經(jīng)過膨脹擴(kuò)大的小鼠大腦組織，在晶格層光顯微鏡下進(jìn)行觀察。通過結(jié)合“擴(kuò)大顯微技術(shù)”和“晶格層光顯微技術(shù)”，他們看到了神經(jīng)元上的許多樹突棘結(jié)構(gòu)。這種微小的結(jié)構(gòu)看起來就像是蘑菇，有著龐大的頭部，以及細(xì)長(zhǎng)的根部。過去，樹突棘的成像一直是一個(gè)挑戰(zhàn)。然而在兩種顯微技術(shù)的合力下，研究人員們連“最細(xì)小的根部”都可以看到。
研究人員們看到了樹突棘的“森林”（圖片來源：參考資料[1]）
在驚人的圖像質(zhì)量面前，兩支科研團(tuán)隊(duì)迅速達(dá)成合作。在兩年多的時(shí)間里，Ruixuan Gao博士與Shoh Asano博士，以及其他生物學(xué)家，顯微鏡專家，以及計(jì)算機(jī)專家一道，拍攝了大量的圖片，并對(duì)其進(jìn)行分析。
“我們就像是復(fù)仇者聯(lián)盟?！?Ruixuan Gao博士這樣評(píng)論他們的合作關(guān)系。
看清大腦結(jié)構(gòu)，一直是科研人員們的夢(mèng)想（圖片來源：參考資料[1]）
這些研究帶來的最大亮點(diǎn)之一，就是對(duì)完整果蠅大腦的成像分析。從每個(gè)果蠅大腦中，科學(xué)家們都獲得了大約50000個(gè)立體圖像。隨后，計(jì)算機(jī)就像是做三維拼圖一般，把這些立體圖像拼成一個(gè)完整的果蠅大腦。
研究人員們說，他們研究了超過1500個(gè)樹突棘，觀察了保護(hù)神經(jīng)細(xì)胞的髓鞘，標(biāo)出了所有的多巴胺能神經(jīng)元，并數(shù)清了整個(gè)果蠅大腦中存在的突觸。
這一研究為神經(jīng)科學(xué)帶來了極為重要的研究工具。它讓我們可以理解不同的神經(jīng)環(huán)路如何組成，性別對(duì)大腦有怎樣的影響，疾病又會(huì)怎樣破壞大腦。
天衍智（北京）科技有限公司創(chuàng)始人 腦與人工智能專家 陳樹銘的評(píng)論
1、這種全新腦掃描技術(shù)本質(zhì)仍然是一種間接采集屬性映射信息的傳感器技術(shù)。
2、激光掃描、物探、超聲波檢測(cè)、SAR掃描，以及大家習(xí)以為常的拍照（圖像）等都是類似的傳感器技術(shù)。
3、傳感器技術(shù)所采集信息能夠一定程度上可以反演被采集對(duì)象的活動(dòng)規(guī)律或表征特征。
4、但總的來說，現(xiàn)有的傳感器信息（數(shù)據(jù)）的反演技術(shù)（建模技術(shù)）遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于采集本身，圖像領(lǐng)域算是稍微有點(diǎn)成績(jī)的。
5、這種新型掃描技術(shù)對(duì)于腦疾病會(huì)很有價(jià)值，但是對(duì)于智能的認(rèn)知研究，價(jià)值會(huì)比較有限。
計(jì)算機(jī)博士，互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)化論作者劉鋒的評(píng)論
毫無疑問，這是一個(gè)重要的科技進(jìn)展，若干前沿技術(shù)的組合形成對(duì)神經(jīng)元結(jié)構(gòu)與關(guān)系更為細(xì)致的觀察，但不能忘記美國(guó)哥倫比亞大學(xué)神經(jīng)學(xué)家拉斐爾·尤斯特曾經(jīng)說過：“這是因?yàn)槿鄙僖粋€(gè)腦科學(xué)的統(tǒng)一框架?？茖W(xué)家現(xiàn)在只能研究其中的個(gè)體或小部分，就像是“通過一個(gè)像素來理解電視節(jié)目一樣”。這些連接之間的每一層次都有各自的運(yùn)作法則。但是，“這些運(yùn)作法則，我們目前幾乎一無所知”。
由此這次重要的科學(xué)進(jìn)展可能依然無法解決拉斐爾·尤斯特提出的這個(gè)問題。
關(guān)于腦科學(xué)研究還原論與整理論的背景知識(shí)
歷史上，神經(jīng)科學(xué)家研究大腦之謎主要采用了兩條截然不同的思想線路：還原論和整體論。
還原論又被稱為自下而上的研究方法。該方法試圖通過研究單個(gè)分子、細(xì)胞或回路等神經(jīng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)元素的特性來理解神經(jīng)系統(tǒng)。這種思路可以研究神經(jīng)細(xì)胞的信號(hào)傳遞特性，從而了解神經(jīng)元相互之間是如何通訊的，彼此之間通訊的模式在發(fā)育的過程中如何建立的，以及這種模式是如何被經(jīng)驗(yàn)活動(dòng)所修飾的。
整體論又被稱為自上而下的研究策略。它主要是從研究功能入手來理解神經(jīng)系統(tǒng)，該方法主要關(guān)心的方面是系統(tǒng)的活動(dòng)如何調(diào)節(jié)或是反映在行為上。這兩套研究思路都有不可避免的缺點(diǎn)，但是在神經(jīng)科學(xué)反展的歷史上也都曾取得了重大的成就。
采用整體論研究神經(jīng)科學(xué)的科學(xué)家們，早在十九世紀(jì)中葉就取得了他們的第一個(gè)重大的成功，即采用選擇性損毀特定腦區(qū)的方法來分析行為的變化。
以Paul Pierre Broca 為代表的臨床神經(jīng)科學(xué)家們，通過上述損毀的方法發(fā)現(xiàn)人類大腦皮層不同區(qū)域行使著不同的功能，即大腦皮層曾在功能上的分區(qū)。損毀不同的腦區(qū)會(huì)導(dǎo)致不同的認(rèn)知障礙。
例如，損毀特定區(qū)域會(huì)影響語言的理解，而另一個(gè)特定腦區(qū)的損毀則會(huì)導(dǎo)致語言表達(dá)的障礙；同樣，他們還觀察到某些腦區(qū)與運(yùn)動(dòng)視覺或形狀視覺相關(guān)，另一些與長(zhǎng)期記憶的存儲(chǔ)有關(guān)等等。
這些研究的另一個(gè)重要的意義在于，它闡明了神經(jīng)科學(xué)的一個(gè)基本概念：無論多么復(fù)雜的精神活動(dòng)都是源自大腦的，理解特定的精神活動(dòng)的關(guān)鍵在于闡明不同腦區(qū)之間是如何交換信息，從而導(dǎo)致了特定行為的發(fā)生的。因此，這些整體論的分析研究揭示了精神活動(dòng)的非神學(xué)化的一面，為神經(jīng)科學(xué)的研究奠定了基礎(chǔ)。
還原論的成功是出現(xiàn)在二十世紀(jì)對(duì)于大腦的信號(hào)系統(tǒng)的分析研究上。這些工作使我們了解了神經(jīng)信號(hào)傳遞的一些基本的分子機(jī)制，比如，單個(gè)神經(jīng)元是如何通過產(chǎn)生全或無的動(dòng)作電位來進(jìn)行長(zhǎng)距離的信號(hào)傳遞的；神經(jīng)元之間又是如何通過突觸傳遞來實(shí)現(xiàn)彼此之間的通訊聯(lián)系的。
這方面的工作顯示，無論是長(zhǎng)距離的還是短距離的信號(hào)傳遞在所有動(dòng)物的神經(jīng)系統(tǒng)的各個(gè)部分都是采用了相同的方式進(jìn)行的。之所以大腦的各部分擁有不同的功能，并且不同的種屬之間在神經(jīng)系統(tǒng)上存在著巨大的差異原因，并不是組成它們的基本元素神經(jīng)元在傳遞信息時(shí)采用了不同的分子機(jī)制，而是在于它們所擁有的神經(jīng)元的數(shù)量不同，并且更重要的是神經(jīng)元之間的聯(lián)系是有很大差別的。
從文藝復(fù)興到現(xiàn)在，人類對(duì)神智與腦關(guān)系的認(rèn)識(shí)雖已取得多方面的重大進(jìn)展，然而困惑依舊存在，主要集中于兩點(diǎn)，一是整體論如何與還原論相整合，二是主觀的神智現(xiàn)象如何用客觀方法來研究。
整體論與還原論的整合，怎樣在研究中使整體論與還原論平衡并相互補(bǔ)充，還遠(yuǎn)未得到解決。雖然整體論方向，腦科學(xué)取得了諸如大腦皮層功能分區(qū)，系統(tǒng)性理解感知的形成機(jī)理等成果，但迄今為止腦科學(xué)研究中還原論思想過多占據(jù)了主導(dǎo)位置，在一系列問題上突出地顯露出當(dāng)前神經(jīng)科學(xué)的局限性。
聯(lián)系客服
