2013 年，欧盟和美国陆续宣布了脑计划

mal

2014-08-16  2013 年，欧盟和美国陆续宣布了脑计划，人类开始向最神秘的大脑正式进军，但很多科学家对于此计划都不太乐观，因为脑结构和之间的联系实在是太复杂了，现在对于神经科学研究的利器也缺乏，就好像愚公移山一般，但随着两项划时代的研究利器的诞生（光遗传学 +CLARITY 技术），无疑给了科学家在征服大脑之路打了一支毛花苷 C!

更巧的是，这两项逆天的技术皆出自一人之手—Karl Deisseroth，且两项技术各不相干！对于这两件研究利器，在这儿，我只能对 Karl Deisseroth 说三个字：不要停！

图 1：Karl Deisseroth

2014 年 7 月 31 日的 Cell 杂志上，来自加州理工学院生物学和生物工程的 Bin Yang 博士等人带来了升级版的 CLARIT（透明）技术，即为 PACT (passive clarity technique，被动透明技术)，PACT 技术主要基于 CLARITY 技术，将 CLARITY 技术推向了另一个高度。

图 2：经过 PACT 处理后老鼠的大脑整体观和局部、超微神经元联系。

如果不了解神经科学的读者，也许会一头雾水，什么是 CLARITY 技术？简单来说，CLARITY 技术就是一种把不透明的组织器官或胚胎变为透明的手段，开启了神经科学的另一项新纪元，可以观察到整个无损的神经网络 3D 影像，包括复杂的神经网络。

在此之前，如果要观察大脑复杂的结构，就得像便秘一样一片一片切开脑组织，然后就镜下观察，然后将切片图片整合在一起形成脑组织的立体的影响，这不仅费时费力还不讨好，因为会在切片过程中可能破坏精细的神经细胞或者结构，这样的结果也不准确，而 CLARITY 技术很好的解决了这一问题。

CLARITY 技术为使用水凝胶这种材料来固定神经元的蛋白质、神经递质、轴突、树突、突触、蛋白、核酸等等，然后再使用去垢剂 SDS 就洗去细胞上的脂质（神经元中的脂质成分是不透光的），即可得到透明的脑组织结构。

升级版的 CLARITY 技术，即 PACT，与基础的 CLARITY 技术相比最大的区别在于，PACT 把透明剂通过泵入动物的循环系统来进行处理，这样加快了透明的进度；此外，PACT 可以处理整个身体或胚胎，这样更能观察到脑与周围器官的联系。

这项技术有何意义呢？

简单而言，可以更为方面且全面观察大脑的结构、功能、连接异常，还可以连续追踪神经环路，探索局部环路的细微差异，观察神经元与神经元之间的联系，以及与躯体之间的关系。

图 3：未透明化处理 vs 透明化处理后 1 周老鼠主要器官的比较。

此外，这项技术不仅仅局限于神经科学！

图 4：K 中使用 PACT 之后局部透明化处理的肾脏、心脏、肺、肠道、肿瘤活组织切片上
图 5：经过 PACT 处理的老鼠肠道和肾脏的局部与超微观。

我们在教科书里面经常看到病因不明这四个字，估计没有任何一门学科中的疾病，这四个字出现的频率有精神病学中的疾病高，大脑实在是太复杂，怎一个迷宫了得！要想找到发病的犯罪证据，谈何容易，虽然现在有了零星的线索，但完完全全不够给精神疾病的病因定罪！

究其原因，莫过于动物模型很难做成、没有更为先进的技术，以往精神病学和神经病学就是一难兄难弟，自从脑影像学的快速发展，神经病学坐上高铁，在疾病的诊疗和寻找病因上快速前进；而难弟精神病学呢，还在绿皮车上艰难的前行….

而光遗传学和 CLARITY 技术的出现，弥补了这一空缺，举两个例子来说，光遗传学的出现，让我们发现了抑郁症的另一个病因—突触之间的兴奋性连接减少；使用 CLARITY 技术对一名 7 岁患有孤独症的儿童大脑皮质进行检测，发现其神经元细胞像梯子一样聚集在一起，而正常情况下应该为分支状。

图 6：C 中使用 PACT 处理老鼠脑组织，其皮质和海马结构以及神经元联系等。

只有解开大脑的谜团才能拨云见雾看到精神疾病的真正病因，we’ll see！

mal

抑郁症的另一个病因—突触之间的兴奋性连接减少

mal

这项技术 可以更为方面且全面观察大脑的结构、功能、连接异常，还可以连续追踪神经环路，探索局部环路的细微差异，观察神经元与神经元之间的联系，以及与躯体之间的关系。

mal

CLARITY 技术就是一种把不透明的组织器官或胚胎变为透明的手段， 可以观察到整个无损的神经网络 3D 影像，包括复杂的神经网络。

mal

大脑是人体最复杂也是最神秘的器官，迄今为止，人类对于大脑是如何运作仍只是一知半解。早在上个世纪90年代，美国总统老布什就提出了“脑的十年”计划，其后日本、欧洲等相继跟进，对大脑开展了深入研究。
　　刚刚开始第二任期的奥巴马，将解开大脑之谜作为美国科技发展的重点，并欲借此振兴美国经济。《纽约时报》称，奥巴马政府酝酿的这项宏大计划堪与人类基因计划相媲美，其最终目标是绘制出完整人脑活动地图，并全面解开大脑之谜。
　　1 堪比人类基因计划
　　据报道，奥巴马计划在下个月商讨政府预算草案时，正式提出这项名为BAM (大脑活动地图）的科研计划。这项计划将专门针对人类大脑的思维活动进行研究，并尽可能绘制出完整的大脑活动地图。
　　该计划的参与者将包括联邦机构、私人基金会，以及神经科学家和纳米科学家组成的团队。他们将共同努力，增进人类对人脑中近千亿个神经元的认识，更好地了解人类的知觉、行为，并最终解开人类意识之谜。
　　科学家对这项计划抱有很高期望，项目如果成功，一些与大脑相关的疾病――诸如阿尔茨海默氏病、帕金森氏症、自闭症等，将得到准确定位，从而为寻找新的治疗方法提供可能。
　　此外，绘制人脑地图，将有可能带来人工智能的大突破。这些都将极大地带动美国经济的发展。
　　这一计划预计耗时十年、耗资逾30亿美元。但奥巴马认为高投入是值得的，“在人类基因图谱的研究中，我们每投入一美元，都获得了140美元的回报。”他以此为例，认为BAM计划将为美国带来丰厚的回报。美国人类基因计划耗资38亿美元，截至2010年，美国已获得8000亿美元回报。
　　BAM计划最终耗资很可能不会少于人类基因计划，但专家预计，项目如果取得成功，美国从中获得的收益将会比人类基因计划收益更多。不过由于当下美国财政拮据，究竟联邦政府会批准多少拨款，尚是未知数。
　　2 解释人类如何思考
　　布朗大学神经科学教授约翰?当纳格是该计划的一名核心成员。
　　当纳格说，“最令我感兴趣和困惑不解的问题就是大脑如何将思想转化为行动？尽管大脑成像技术以及基于细胞的研究为大脑工作机制提供了一些洞见，但对于大脑深层工作原理，我们仍然了解得不深。”
　　如果将大脑比作一个城市，那么目前的技术，只能使我们看到这个城市的大概轮廓，却无法了解里面发生了什么。BAM就是为我们的大脑之旅绘制一幅导航的地图，每一种想法从何而来，如何转化为行动，都将在地图上标明。
　　大脑中有近1000亿个神经元，受到外界刺激时，每一个神经元都会传达电力“冲动”，巨大的神经元组织也会有意识或无意识地做出反应。
　　哥伦比亚大学神经科学教授拉斐尔?尤思蒂对此解释道，该计划最终绘制的并非是静态地图，而更像是一个高分辨率的视频。通过这幅动态图，单个的神经元受到刺激时做出什么反应，和其他神经元怎样互动，最终这些是如何转变为想法、感情乃至最后的行动，都可以观察得一清二楚。
　　BAM计划的另一个重要意义，是整合现有的分散研究。中科院神经科学研究所助理研究员潘Z伟对新京报记者表示，“（我估计）世界上有几万个实验室在做这种类型的研究，每个实验室只能研究某个脑区的数个环路，但BAM计划将把这些研究整合起来。”
　　潘Z伟解释说，“就像每个人拿着几块拼图，但却不知道别人的拼图是什么样子的，更不知道拼好的图是什么样子。而这个项目，其实是在整合科研资源，最终拼好整个‘地图’。”
　　3 已绘出鼠脑图谱
　　2010年，美国还启动了一个“人脑连接组计划”，其目的是绘制出不同大脑区域之间的主线路图，然后揭示这些连接在个体间的差异，BAM计划就是在这个基础上发展的。
　　除了美国政府拨款外，还有包括谷歌和微软在内的几家私人公司将对计划提供资金支持。
　　1月17日，三家政府机构、神经科学家、纳米技术专家，以及来自谷歌、微软和高通公司的代表在加州理工学院举行会议，确定是否存在能够收集和分析BAM计划中得出的海量数据的计算设施。会议最后给出了肯定回答，他们还表示，作为计划的一部分，美国应该建设一系列与天文台相似的国家大脑“检测站”。
　　事实上，微软联合创始人保罗?艾伦早就对大脑研究产生了兴趣，“大脑是一个不可思议的电脑，我们不知道它是如何工作的。”由于人类大脑样本难以大量获得，保罗?艾伦投资1亿美元，资助了小鼠脑图谱的绘制。
　　2006年科学家绘制出了老鼠大脑2.1万个基因的三维图，虽然使用鼠脑有很多缺陷，但由于老鼠和人类的基因组90%相似，所以仍然对人类大脑研究提供了重要资源。
　　研究中一个重要发现是，老鼠80％的基因都在大脑中得到表达，这远远超出人们此前的估计。研究成果完成后免费放到了网上，网站点击量每个月超过400万次，每天有约250位科学家使用他们的研究成果。
　　4 耗资大科学家反对
　　中科院神经科学研究所助理研究员潘Z伟也认为，美国人脑地图这个项目就很像人类基因组计划或者大型强子对撞机项目，在脑科学领域是绝无仅有的。
　　虽然意义重大，不过BAM计划也遭到一些科学家们的反对。他们认为，政府不应该在单独一个项目上投入重资，更何况该项目还缺乏明确目标。美国生物学家迈克尔?爱森说：“必须有人站出来给国会议员们解释基础研究的重要性，而不是迎合他们的口味提出耗资巨大的科学项目。”他认为，大型生物项目并不利于以个人探索发现为动力的科学发展。
　　加州大学圣地亚哥分校心理学副教授艾德?瓦尔说，“我更喜欢科研领域百花齐放的状态。与其将所有资金资助一个大型计划，不如资助更多的科学家进行他们自己的研究。”
　　同时，一些科学家表示，与绘制基因图谱相比，绘制大脑活动图挑战要大得多。美国国家卫生研究所专家斯托利?兰迪斯认为，光是研发用于绘制出所有信息所需的工具，便至少需要5年时间。
　　对于质疑，自称参与大脑计划的拉尔夫?J?格林斯潘博士回应说，“不同之处在于，后者本质上是一个更为复杂的问题，说明基因组计划的目标非常容易。但对于这个项目，我们的问题更难也更有趣：整个大脑的活动模式是怎样的，这些活动最终如何驱使人做出行动？”
　　面对美国的“大脑蓝图”计划，欧洲最近也宣布了一项拟耗资10亿欧元的计划，利用有关大脑内部运作的最佳研究成果，构建一个模拟人脑的超级计算机。
　　人脑十大未解之谜
　　1.神经元如何编码？
　　神经元是大脑特殊细胞，载有很多信息。这些信息在神经元活动中是如何编码的？
　　2.记忆如何存储和检索？
　　新知识会改变大脑结构，但是如何形成的，记忆为什么在很久后还能被提取？
　　3.大脑基线活动是什么？
　　大脑消耗身体20%氧气，却仅占身体2%重量。休息时大脑活性，即基线活动有怎样意义？
　　4.大脑怎样模拟未来？
　　进行未来模拟是大脑特性之一，我们对于这种能力还知之甚少。
　　5.情绪是什么？
　　情绪是大脑的一种状态，是对于外界刺激的一种简单的反应模式，它是怎么产生的？
　　6.智慧是什么？
　　智慧有很多种表现形式，为什么数十亿的神经元组合在一起就能控制知识呢？
　　7.大脑如何掌控时间？
　　不同步的感官输入会让人跌跤。大脑如何处理不同速度的信号呢？
　　8.为什么会睡觉和做梦？
　　对于睡眠和梦境的研究，也许能在治疗疾病方面起到不可低估的作用。
　　9.大脑为什么如此构造？
　　大脑中各部门都代表不同的功能，这些不同的功能区域是如何结合在一起的？
　　10.什么是意识？
　　神经科学家认为意识来源于大脑中的物质，这是神经科学领域最难解的谜题之一。

帅得惊动党中央

非常振奋人心的计划