2013年3月5日
人脑连接组计划
人的大脑有数以百亿计的神经细胞，这些神经元细胞通过数以万亿计的突触彼此连接，形成一个复杂而又庞大的网络，神经细胞控制着人基本的学习功能，大脑神经在对信息编码、存储、检索的同时，也影响着人的其他行为。在大脑里，人的每次思考、每个行动都是以神经细胞网络形式实现和控制的。然而，到目前为止，人类对脑神经的组织活动方式、作用机制并不完全清楚，例如，本无意识的细胞个体，是如何依靠集体行为构建自我感知的？人的意识从何而来？人是如何进行思考的？人的智能是如何实现的？人的行为是如何受到脑的控制的？这些人类对自己最基本、最终极的追问，是自古希腊起几千年来始终不得其解的最神秘莫测的问题。
在这些问题之中，一个更为基本的问题是，在人脑活动中，脑细胞组织之间、局部纤维之间、每个神经元之间，甚至每个突触之间的联络方式都是什么样的。它们有不同层次的连接，统称为“人脑连接组”，图1为人脑神经连接结构的模拟图。
图1
“人脑连接组”的活动是人脑活动的基础，只有从宏观到微观，从人类总体到人的个体，全面而精细地弄清人脑的结构网络图谱，并进一步挖掘人脑神经网络的连接方式，才能谈得上对人脑功能进行研究，也才能谈得上再建“模拟人脑”，在真正实现人工智能之后，才能对人的意识、情感等问题逐步做出回答。正是因为“人脑连接组”的重要性，近年来形成了人脑连接组学，也同时制定出来“人脑连接组计划”，就如同“人类基因组计划”一样，成为新世纪的一项意义重大的研究课题。
“人脑连接组计划”也是一项异常艰巨的工程。在人脑中，大量不同类型的神经元细胞，数以万亿计的突触，加上它们之间复杂的连接模式和动态变化，使得构建“人脑连接组”的网络结构难度极大，其艰难程度与“人类基因组计划”相比，有过之而无不及。在2012年12月21日，美国《科学》杂志已经将“人脑连接组计划”列为2013年六大值得关注的科学领域之一。
“人脑连接组计划”是由美国国立卫生院神经研究所资助，从2009年起，由几所大学和研究所在5年内共同完成的一项研究项目，总投资3850万美元，目标是解密脑神经系统的组织方式，这是人脑连接组学的开创性课题。在研究中，将使用了各种不同的脑成像技术，如利用磁共振成像、弥散磁共振成像、脑电图描记器、脑磁图描记器等绘制出不同人的脑功能和脑结构图谱，以确定人脑结构是如何影响一个人的才智和行为的。其中华盛顿大学圣路易斯分校的解剖与神经生物学教授大卫·范·艾森（David Van Essen）（图2）所获得的大脑皮质的结构、功能和连接的表面基础分析法，更具有开创性意义。
图2
这项计划的调查样本很大，不仅要进行问卷调查、行为测试和基因测序等，还将涉及高精和尖端技术，步骤繁琐，时间跨度也很大，成为当今世界脑成像研究中的最大课题。此项研究分成两组进行，第一组由华盛顿大学圣路易斯分校为首，另一组由哈佛大学、麻省理工学院、加州大学洛杉矶分校合作。整个研究分成两个阶段，第一阶段获取数据，优化数据分析方法等；第二阶段选取1200余人作为受试者，他们是来自300多个家庭的双生子和亲属。
经过近4年的研究，在2013年3月5日“脑连接组计划”发表了迄今为止最为详细的脑磁共振图（图3）和全部相关的数据。这是这个计划中的一个子项目，也是全部工程中的第一个重要阶段，这一成果成为认识人脑组织功能的开端。目前研究组已经完成了68位成年人的脑活动连接图谱，包括收集他们的行为特征和基因测序。领导这项研究的艾森教授在向英国广播公司（BBC）发布这项成果时说，他们所获得的这些信息，将免费提供给全球科学界，以促进脑科学研究在全世界的进展。
图3
在做脑图谱时，受试的时间是4小时。在这4小时内，受试的人所做的工作包括做算术题、听故事、下注赌博和肢体运动等。受试者还要做一些技术性和能力性的测试，受试同时，要为受试者做出脑图谱记录。这些图谱展示出，脑神经纤维是如何彼此连接和相互作用的，随着认知控制区的逐渐扩大，轴突的厚度也在增长，神经连接数目也在增加，脑皮质的各部分的连接也在增强。这些结果显示，大脑的功能是由各种复杂的连接功能共同完成的，这些连接功能直接关系到人的技能，例如计算能力、社交能力以及天然向科学或数学的倾向性强弱等。这些研究也将揭示出在人类进行智力行为时，哪些神经元回路是最重要的，对精神健全的人来说，为什么每个个体的行为特征有所不同，为什么对同一事物，每个人的感觉和思考方式有所不同等，这些结果都是使人倍感兴趣的问题。
关键词：人脑连接组计划，human connectome project
图1：http://thinktank.uchicago.edu/blog/2014/1/8/mapping-the-human-brain-to-understand-the-human-mind