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自学成才的神经科学家:16年绘制大脑心路历程

逍遥摘要:一位自学成才的神经科学家不断努力绘制人类大脑图谱的史诗般的故事。

在个人电脑诞生前,一些大脑模型是用塑料和胶水制成的。1972年,在巴尔的摩,我的第一个神经科学实验室设在家中潮湿的地下室。我将一个相当大的塑料色拉碗做成大脑皮层,其他部分用树脂玻璃制成,但是,如何把各部分连结起来并让其彼此发送信号,我毫无头绪(估计也没人能做到)。但很明显,如果正确制作出模型,用非常细的金属丝代表神经元,那么,该模型将比地下室还大。将比整个两层楼的房子还大。事实上,它有巴尔的摩金莺队的球场那么大。

这些天,我远离世俗,独自沉浸在我所热爱和追求的事业中。奥巴马政府投入10年时间和数百万美元进行类似人类基因组计划的大脑研究计划,欧盟投入12.9亿启动的欧盟大脑计划,绘制大脑计划越来越受到全球瞩目。

构建更好的大脑模型

绘制大脑的历史由来已久。虽然「大脑」这一术语最早出现在公元前4200年的埃德温·史密斯纸莎草纸文稿(一个古埃及医学文稿)中,但是,亚里士多德曾记录了第一个连接模型,表明人类大脑不是一碗未分化的果冻状物质。他的模型可以简单直观的看到三个部分:小脑,大脑,脊髓神经。现在,经过6000年的解剖、观察、比较和思考,已经确定了10个部分。

我们想知道这个3磅重的脂肪体是如何运作的。

为什么绘制大脑如此困难?斯坦福大学生物学、神经学和神经外科教授,麦克阿瑟研究员Robert Sapolsky曾表示:「我们对大脑的工作原理依旧所知甚少。」约55000个神经科学家,每周发表3000篇论文所做的贡献真的就那么少吗?当然,Sapolsky的话略带挑衅意味,但是,我把他的话解读为我们积累了太多毫无用处的大脑事实,这也突显了我们对于大脑的工作原理知之甚少。

然而,最新的研究成果似乎正在改变这一现状。我认为绘制大脑计划方兴未艾有两个原因:一、我们有非常棒的新工具来观察大脑,不仅有对大脑的直观描绘,还有关于电流、磁场和化学方面的内容。二、正如南加州大学世界一流的神经解剖学家Larry W. Swanson说的那样,我们希望找到一个令人信服的理由,来解释为什么这10个基本结构能组合在一起。丫的,我们就是想知道这一坨三磅重的脂肪到底是如何运作的。

了解一个正常大脑是如何工作的,能在很大程度上帮助我们治愈一些严重而顽固的精神疾病(精神分裂症、创伤后压力性心理障碍、临床忧郁症)以及一些破坏性神经疾病(老年痴呆症、多发性硬化和卢伽雷氏症)。我们可以增强正常大脑的功能:提高记忆,加强学习能力以及提高运动技能。正如Buckminster Fuller曾经说过的,要想理解整个系统,最好的着手点就是将其可视化。

一个50岁的人对自己的承诺

我明白Bucky所说的。16年前,在我的50岁生日时,我承诺要用我的余生来研究大脑。当然,我在医学院的时候解剖过尸体,但那是很久以前的事了。因此,为了开展这项工作,我做了任何人都可能做的事:谷歌「人类大脑图谱」。我喜欢简单的开始。我想要一张「地图」,里面有主要的大脑结构和连接它们的神经元。我想要这些神经元根据其不同的化学信号(又叫神经递质或者神经调节剂)进行不同的颜色标注。我想要这些神经元所连接的感受器的具体位置。但是,我在神经科学数据库中发现了一个断层区,就像视野中的盲点一样。

在这里需要强调的是,在我完成自己的大脑图谱的13年里,甚至连「绘制大脑」这个术语的含义都发生了变化。还是会有类似地图册的二维图谱(像我的)。但是现在,有一个更好的术语来表述,即「大脑表征(或大脑图式)」。EEG(脑电图)和SQUID(量子扰动超导探测器)所照出的弯弯曲曲的图谱,fMRI(功能性核磁共振成像)对大脑细胞(或神经元)输入及运作时的彩色成像,甚至工程量巨大的「蓝色大脑计划」,上述这些以及更多不同技术都可以认为是绘制大脑。

最近,涌现出了很多诸如此类的十分详细的计划图样,而单单挑选出一个大脑模型来研究几乎就和决定一个健康保险政策一样的复杂。正如量子力学有自己的模型系统(氢原子),生物化学有自己的模型分子(血红蛋白),而首先出现的神经科学的模式生物体在1963年登上了科学的舞台。那时的Sydney Brenner博士醉心于研究一种短小(1毫米)、近乎透明、繁殖力惊人的秀丽隐杆线虫(Caenorhabditis elegans,现在大多称之为C.elegans)。这种线虫没有大脑,但是其302个神经元在结构上和功能上都被研究透彻,结果表明其神经元是小型网状结构。至少16个网站致力于绘制C.elegans的神经结构,在这些网站里你可以看到每个神经元的透视图,以及其相应的结构和功能。当然,每一个非凡的生物研究都伴随着风险。 Cornelia I. Bargmann博士作为过去二十年来线虫研究的佼佼者,她告诉一名《纽约时报》的记者,她的同事是这样称赞她的:他告诉我,作为科学家最强大的一点就是我能像线虫一样思考。

但是,回到我过时的大脑绘制工作上。1995年以前,我一直住在南加州,我们的「黑暗时代」由于家庭电脑的出现而迎来了曙光。使用AutoCAD绘图软件(当时非常棒的电脑制图程序),就像我拥有了一台柴油机车出行一样可以用其处理数据。事实证明,在图形上和解剖学上,使用CAD软件都能很好地绘制出大脑这样的类似于集成电路的设计结构。最大的问题是当时没有人对我需要的那些数据进行整理归档,(而现在有大量类似数据)。在加州大学旧金山分校一名十分有耐心的图书馆研究员的帮助下,我花了数年时间收集论文,并从其中一点点发掘出那些被埋藏的大量信息。

五年之后,人类大脑图谱1.0(点此免费下载)终于面世。一位密友说那时的我过的是苦行僧般的生活。能保留数百条神经回路清晰可见的最小分辨率47*67英寸。由于AutoCAD是一款向量制图软件,所以我也将我的大脑图谱印在了我的T恤衫上:「这是印在T恤衫上的大脑。」欢迎任何人将这个大脑图谱印在自己的作品上。

我的图谱描绘了120个皮层位点,400个皮层下位点,46种神经递质的1400条独特的神经通路,以及4500个感受器。没有人确切知道人脑中神经元的平均数量。在2012年巴西科学家Suzana Herculano-Houzel博士降格了「一千亿个神经元神话」,通过研究四个成年人的大脑,发现了成年人大脑平均约有860亿个神经元。根据这个数字,我的图谱描绘了成年人大脑的0.000000016%的神经元。(如果把这860亿个神经元每一个想象成一个乒乓球,那它们可以组成一个边长为90.4882万英里的立方体,在这庞大的结构中的某处,就是我绘制的1400个神经元)。在我看来,这意味着那些绘制大脑图谱的瑞士同行们迟早也会疯掉的。

浪漫的神经元

返回实验室之前,我想快速聊聊另一种大脑绘制工作,因为它的成果可能会改变双色球倍投最少可以投几倍规则。它的重点不在全脑,而在单个神经元。这是巴罗神经学神经研究所(Barrow Neurological Institute)的Dorian Aur和加拿大西安大略大学(the University of Western Ontario)的Mandar Jogde所做的一项工作。他们认为,神经元传递的电化学信号携带了大脑要将其它转换成数据、信息、知识甚至是智慧的信号。

有一个经典比喻说,神经元的工作原理就像厕所。冲厕所的时候,水槽中的水会增多,对神经元而言就是动作电位,当水槽满了时候就会停止加水。这是一个不应期。数十年来一直困扰学界的问题是你能研究任何你想要的动作电位,但是你却不能解码50%以上的进入大脑中的信息。Aur 和 Jog,用一个四管电极,能解码大约70%的信息。这就像是发现向西航行最终能到达东方。

最近,涌现出了很多诸如此类的十分详细的计划图样,但是,单单决定用哪个大脑模型进行研究几乎就和健康保险决策一样复杂。

绘制大脑最奇怪的地方就是它改变生物学的方式。不久之前,生物学家被认为是太傻或者懒得去学习数学,而且他们无法制定出可验证的假设。(或者仅仅是我这么认为?)当大批物理学家每周发现了新的「基本」粒子的时候,诺贝尔奖得主Laureate Enrico Fermi嘲讽道,「如果我能记住所有粒子的名字,我将会成为一个植物学家。」这不是恭维。生物学家收集事物并将其分类,然后结束整个工作。

现在,我们对大脑的工作原理依旧所知甚少。但是首先,我们应该知道该怎样知道。认知的奥秘(悟性、思考、记忆、预感、创造力)将在未来20年破解。甚至一个世纪以来作为科学禁忌被遗忘的意识,也将由那些严谨的人来研究,因为他们认为这是了解宇宙、时间、物质和能量如何发展的一种方式。生物学已经成为了一门能涵盖所有其他科学的科学。神经生物学可能会改变传统科学的层次结构,代替物理学成为所有科学的基础。换句话说,从塑料色拉碗到基础科学,我们经历了漫长的过程。

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