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中國科學家將繪制最精細的人腦三維“地圖”
2018-12-06 20:14:50 來源: 新華社客戶端
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駱清銘在檢查實驗結果。(受訪者供圖)

  新華社南京12月6日電 為什麼有的大腦能洞見美妙的宇宙法則,有的能創作出扣人心弦的樂曲與畫作?記憶和意識是如何産生的?

  人類雖已能觀察億萬星辰、探測時空漣漪,卻對自己認知世界的大腦所知甚少,大腦的精細結構如何都還只是估測。

  為揭開大腦的奧秘,中國科學家計劃為人腦中錯綜復雜的神經元和血管繪制出最精細的三維“地圖”。

  這項浩大工程猶如給一座由近千億棵樹木組成的巨大森林拍出三維照片,既要看全整座森林,又要看清每一棵樹上的每一根細枝和每一片樹葉。

  領導這項研究的海南大學校長、華中科技大學蘇州腦空間信息研究院首席科學家駱清銘説:“人類缺乏大腦的觀測手段,尚無法‘既見樹木又見森林’。我們要提供新的觀測手段,獲得清晰的人腦圖譜,看清神經元網絡是如何連接的,這將幫助分析腦疾病的機理,並推動類腦人工智能的發展。”

  蘇州腦空間信息研究院副院長李安安説:“目前我們對大腦的認識水平還處于十分初級的階段,雖然能看到一些現象,但它們代表著什麼還解釋不清,就像是在巨大黑箱子裏一點點摸索。”

  “腦連接及腦活動在時間、空間上不斷演化,給解析腦功能帶來極大挑戰,但我們有理由相信,腦功能與腦活動依賴于最基本的細胞單元,好比電路網絡依賴于其最基本單元——電子元器件。不同類型的神經元是解析腦功能的基礎,更是腦疾病診斷與治療的重要依據。”駱清銘説。

  華中科技大學蘇州腦空間信息研究院的科研人員在開展實驗。(受訪者供圖)

  創新之路

  52歲的駱清銘是湖北蘄春人,出身農家,有著艱苦的求學經歷。上世紀90年代,從事光電子研究的駱清銘在美國留學期間,在世界上首次用近紅外光學的方式成像檢測出了腦的活動,所發明的技術獲得了美國專利。1997年,駱清銘放棄國外優越的條件回到母校華中科技大學。

  “我很慶幸趕上了改革開放後的好時代,覺得要為國家做點事。我當時的研究是一個新興領域,希望能回國在腦研究上繼續‘做文章’。”駱清銘説。

  盡管國際學術界認為繪制精細的腦圖譜非常重要,但因為這項研究極為困難,學科跨度非常大,還未能獲得成果。

  駱清銘借助華中科技大學多學科交叉的優勢,僅以20萬元資金和一間25平方米的實驗室啟動了腦科研項目。

  “大腦像豆腐一樣軟,將腦樣本固定並將其中的神經和血管標記出來是很難的。僅是腦樣本制備的難題,我們就花了三年時間才攻克。”駱清銘説。

  他説,這是真正意義上多學科交叉研究,要有生物、化學背景的人員制備樣本;有光學、機械、控制等工程技術人員研制成像儀器;還要有計算機人才,處理大數據,並將結果展示出來。

  “我們重視發展新技術新方法,研發出具有自主知識産權的科學儀器,再用它去開展應用研究、解決科學問題。”駱清銘説。

  那些年,駱清銘承受了巨大的壓力,不知何時能出成果,但他始終帶領團隊堅持著。

  華中科技大學蘇州腦空間信息研究院科研人員正在為鼠腦成像。(受訪者供圖)

  從“黑白照”到“彩色照”

  經過8年努力,駱清銘團隊終于研發出顯微光學切片斷層成像係統,于2010年底發表在《科學》雜志上,並入選2011年度“中國科學十大進展”。

  “如果把這個成像係統理解為一個相機,最開始我們造出的是黑白相機,給鼠腦拍出了黑白照。”駱清銘説。

  這之後,他的團隊不斷取得突破,拍出了鼠腦的彩色圖譜。再後來,圖譜的色彩越來越豐富,顯示的內容越來越精細,腦結構之美讓藝術家都嘆為觀止。

  然而,這一成像方式速度很慢,要如此為人腦成像恐怕100年也做不完。

  2016年,駱清銘團隊得到江蘇省、蘇州市和蘇州工業園的支持,獲得4.5億元投資,成立蘇州腦空間信息研究院,以工業化的方式來繪制腦圖譜。《自然》雜志對此進行了報道,在學術界引起轟動。

  在研究院潔凈的實驗室內,科研人員用樹脂包裹住鼠腦,形成如同膠囊大小的“琥珀”。成像儀器的金剛石刀片將浸泡在溶液中的鼠腦標本切割成1微米厚的薄片,邊切邊拍照。一只鼠腦大約切1萬層,最後合成三維腦圖譜。

  計算機屏幕上顯示的神經和血管網絡密密麻麻、色彩斑斕,每根神經纖維,每條血管都清晰可見。這是目前世界上最清晰的哺乳動物腦圖譜。

  “我們已在實驗鼠身上獲得成功,正在對更高級、更復雜的靈長類動物發起挑戰,力爭在世界上率先完成對人類大腦的精準掃描。”李安安説。

華中科技大學蘇州腦空間信息研究院。(受訪者供圖)

  期待中國腦計劃

  科學家估計,鼠腦有數千萬個神經元,猴腦數十億個,人腦大約860億個。蘇州腦空間信息研究院有數十臺成像儀器在日夜不停地工作著。

  “但要完成人腦成像絕不是增加機器就能解決的。成像後巨大的數據量,給存儲和分析都帶來了極大的挑戰。”李安安説。

  據估算,一個人腦的數據量相當于約20萬部4K高清電影。即便是中國最強大的超級計算機“神威太湖之光”,一套人腦數據就會把它的存儲空間佔滿。

  駱清銘説,目前計算是最大的技術瓶頸,人腦圖譜的繪制還要等待技術的發展。

  此外,李安安説,人腦的掃描成像目前也面臨倫理問題。“我們通常利用轉基因技術、病毒標記技術來標記鼠腦的神經元,但是這些技術都無法應用于人腦。”

  “還有無數技術難題要攻克,但我們相信隨著技術的發展,這些問題都將解決。”李安安説。

  駱清銘説,繪制精細的人腦圖譜在技術層面沒有根本性障礙,主要面臨的是經費和機制方面的制約,需要加大投入,改革人才的評價機制,允許科研人員長時間安心從事研究。

  駱清銘團隊被選中參與美國腦計劃,也為歐盟和其他國家的腦計劃提供數據。但駱清銘更希望中國能夠盡早啟動自己的腦科學計劃。

  據了解,腦科學和類腦研究已被列入“十三五”國家重大科技項目。

  “我們期待能夠像研制‘兩彈一星’一樣,啟動中國腦計劃。”駱清銘説,“一旦有足夠的經費支持,集中力量,我們有可能在5年至10年內獲得精細的人腦圖譜。”

  他説:“這項研究非常值得投入,會産生超過百倍的回報。它能促進兒童教育,推動人類對抑鬱症、帕金森、老年癡呆症等腦疾病的診斷治療。尤其是中國進入老齡化社會之後,這項研究對于延緩老年病,提高老年人生活質量,都具有重要意義。”

  “未來10至20年我們團隊的夢想就是做出人腦圖譜,如果這輩子能做成,將是件很自豪的事。”駱清銘説。(記者喻菲、胡喆、李博、夏鵬)

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【糾錯】 責任編輯: 王頔
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