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科研感悟

脑科学探索:在宏观与微观间“架桥”

日期:2013-08-21 作者:郭爱克 来源:文汇报

 

脑科学探索:在宏观与微观间“架桥” 不只关心神经元层面,更注重其联结与功能的关系

  □中科院院士中科院上海生科院神经所研究员 郭爱克

  中科院有一个脑科学先导项目,叫做脑功能联结图谱计划。

  我们知道,脑是非常复杂的结构,1千克质量的脑中,有1千亿个神经元;如果用神经纤维衡量,其总长度将达到18万公里,可以绕地球好几圈;它有1千万亿的联结数,有1百亿亿个突触蛋白。所以,脑是当前在地球范围内我们所能遇到的最复杂的信息处理系统。

  弗朗西斯·克里克(与詹姆斯·沃森共同发现DNA双螺旋结构并获诺贝尔奖——编注)1993年说过一句话,非常经典。他说,我们至今没有绘制出人类大脑的联结图谱,这是一件无法忍受的事情,没有它就别指望了解大脑是如何工作的。

  我们知道,生命科学发展的轨迹是从基因组、蛋白质组到神经联结组这样一个递进的过程。未来的脑科学必将是将基因组、蛋白质组、神经联结组、脑网络组等有效集成和汇聚的大科学前沿。刚才,蒲先生强调了脑科学很重要的是在介观(介观,介于微观与宏观之间——编注)层面上去了解脑的机制,要在微观和宏观层次之间架起桥梁。

  

从理解脑功能入手

  中科院的脑研究项目聚焦在脑功能联结图谱,就是我们要对特定脑功能的神经联结通路和网络结构进行解析和模拟,包括突触层面、神经元环路层面,结构和功能网络层面。脑功能联结图谱研究是脑科学的战略制高点,是探索脑工作原理、揭示脑疾病发生机制,发展脑式计算的必由之路,脑科学极有可能在这个方向上取得重大突破。

  为什么要这样做?迄今的神经科学,很大的成就和贡献都在脑的基本单元上,从基本单元去研究感知、学习、抉择、情感等功能。但是随着脑科学的发展,现在人们已经不再只关心具体神经元层面上的活动,而是更注重它们的联结与功能的关系,注重每个功能网络的联结。脑科学当今发展的趋势,就是从强调个体细胞结构、功能到强调功能环路的联结图谱。我们要适应这一主流趋势,这也是在诸多的脑功能中,中科院先导项目选择感知、学习、抉择、情感这四个方面的原因。

  我们都知道,脑功能非常复杂,包括各种语言、逻辑、价值、注意、意识等等,而学习、感知、抉择和情感都是基本功能。我们希望通过对学习机制的探究,研究神经退行性疾患,如老年痴呆;抉择问题则和成瘾机制的研究有关,成瘾也是一种抉择误区;情感出问题,就涉及抑郁症等;感知则涉及到慢性痛、视听障碍等。这四个功能方面都挂着一个相应的脑疾病——老年痴呆、成瘾、抑郁和慢性痛。

  从蒲先生刚才的介绍看,美国现在计划着重研发脑的显微纳米探针技术。我们这个项目也很关注新技术的开发和研究,如特异性脑功能的光控技术、脑彩虹和纤维示踪技术、超高分辨率的成像技术等。还有一些涉及信号转导、神经突触的转递、同步活动、思维和功能破译等方面的技术,研究这些技术,就是希望能回答感知觉联结的图谱、情绪功能联结图谱、学习记忆功能联结图谱和抉择等问题。

  

瞄准多种重要疾患

  具体来讲,感知觉联结图谱研究,首先会关注我们的感知觉系统,探究包括视、听、味、嗅、体等各种感觉器官的神经联结基础和机制。

  第二个方面,研究学习记忆和神经退行性疾患,如老年痴呆症。人类记忆分很多类型,某些类型的记忆障碍会导致记忆衰退、老年痴呆。我们将探索学习记忆和老年痴呆症的多层次规律的情况。

  第三个问题是研究情绪和抑郁的脑功能联结图谱。情绪问题会导致很多复杂的社会问题,这里的核心是研究情绪编码的环路、功能表现、结构功能联结、异常网络和干预。

  第四个问题研究抉择和成瘾。抉择是脑认知功能的非常重要的核心问题之一。我们每天都在做抉择,成瘾本身也是一种抉择,只不过是病态抉择。抉择研究中,我们会选择各种动物,包括果蝇、斑马鱼、小鼠、猴子乃至人的抉择。

  第五个方面我们叫脑功能联结图谱研究关键技术。这方面包括多尺度的示踪和成像技术、神经系统的功能调控等,这些技术都非常关键。总的来讲,我们要围绕脑功能的研究,做一系列技术开发、集成、应用和支撑。目前,国内在脑功能研究及相关技术方面是相对弱的。

  

突破壁垒聚全国资源

  这个计划跨了中科院9个研究单位,包括中科院上海生命科学研究院神经所、中科院生物物理所、心理所、遗传发育所、自动化所、中国科技大学、中科院昆明动物所、武汉物理与数学研究所、中科院深圳先进技术研究院。目前,总共有23个研究团队参加。

  现在,国际上围绕脑科学研究的技术手段开发真是八仙过海,大家都在积极探究各种技术。我们非常期待各行各业的专家学者都来关注脑科学。脑科学没有界限,每个人都有智慧的大脑,我们要突破学科壁垒,实现交叉和汇聚,从不同层面进入脑科学。

 


 
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