為什么有的大腦能洞見(jiàn)美妙的宇宙法則，有的能創(chuàng)作出扣人心弦的樂(lè)曲與畫(huà)作？記憶和意識(shí)是如何產(chǎn)生的？

人類(lèi)雖已能觀察億萬(wàn)星辰、探測(cè)時(shí)空漣漪，卻對(duì)自己認(rèn)知世界的大腦所知甚少，大腦的精細(xì)結(jié)構(gòu)如何都還只是估測(cè)。

為揭開(kāi)大腦的奧秘，中國(guó)科學(xué)家計(jì)劃為人腦中錯(cuò)綜復(fù)雜的神經(jīng)元和血管繪制出最精細(xì)的三維“地圖”。

駱清銘在檢查實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

這項(xiàng)浩大工程猶如給一座由近千億棵樹(shù)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(shù)上的每一根細(xì)枝和每一片樹(shù)葉。

領(lǐng)導(dǎo)這項(xiàng)研究的海南大學(xué)校長(zhǎng)、華中科技大學(xué)蘇州腦空間信息研究院首席科學(xué)家駱清銘說(shuō)：“人類(lèi)缺乏大腦的觀測(cè)手段，尚無(wú)法‘既見(jiàn)樹(shù)木又見(jiàn)森林’。我們要提供新的觀測(cè)手段，獲得清晰的人腦圖譜，看清神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)是如何連接的，這將幫助分析腦疾病的機(jī)理，并推動(dòng)類(lèi)腦人工智能的發(fā)展。”

蘇州腦空間信息研究院副院長(zhǎng)李安安說(shuō)：“目前我們對(duì)大腦的認(rèn)識(shí)水平還處于十分初級(jí)的階段，雖然能看到一些現(xiàn)象，但它們代表著什么還解釋不清，就像是在巨大黑箱子里一點(diǎn)點(diǎn)摸索。”

“腦連接及腦活動(dòng)在時(shí)間、空間上不斷演化，給解析腦功能帶來(lái)極大挑戰(zhàn)，但我們有理由相信，腦功能與腦活動(dòng)依賴于最基本的細(xì)胞單元，好比電路網(wǎng)絡(luò)依賴于其最基本單元——電子元器件。不同類(lèi)型的神經(jīng)元是解析腦功能的基礎(chǔ)，更是腦疾病診斷與治療的重要依據(jù)。”駱清銘說(shuō)。

華中科技大學(xué)蘇州腦空間信息研究院的科研人員在開(kāi)展實(shí)驗(yàn)。（受訪者供圖）

創(chuàng)新之路

52歲的駱清銘是湖北蘄春人，出身農(nóng)家，有著艱苦的求學(xué)經(jīng)歷。上世紀(jì)90年代，從事光電子研究的駱清銘在美國(guó)留學(xué)期間，在世界上首次用近紅外光學(xué)的方式成像檢測(cè)出了腦的活動(dòng)，所發(fā)明的技術(shù)獲得了美國(guó)專(zhuān)利。1997年，駱清銘放棄國(guó)外優(yōu)越的條件回到母校華中科技大學(xué)。

“我很慶幸趕上了改革開(kāi)放后的好時(shí)代，覺(jué)得要為國(guó)家做點(diǎn)事。我當(dāng)時(shí)的研究是一個(gè)新興領(lǐng)域，希望能回國(guó)在腦研究上繼續(xù)‘做文章’。”駱清銘說(shuō)。

盡管?chē)?guó)際學(xué)術(shù)界認(rèn)為繪制精細(xì)的腦圖譜非常重要，但因?yàn)檫@項(xiàng)研究極為困難，學(xué)科跨度非常大，還未能獲得成果。

駱清銘借助華中科技大學(xué)多學(xué)科交叉的優(yōu)勢(shì)，僅以20萬(wàn)元資金和一間25平方米的實(shí)驗(yàn)室啟動(dòng)了腦科研項(xiàng)目。

“大腦像豆腐一樣軟，將腦樣本固定并將其中的神經(jīng)和血管標(biāo)記出來(lái)是很難的。僅是腦樣本制備的難題，我們就花了三年時(shí)間才攻克。”駱清銘說(shuō)。

他說(shuō)，這是真正意義上多學(xué)科交叉研究，要有生物、化學(xué)背景的人員制備樣本；有光學(xué)、機(jī)械、控制等工程技術(shù)人員研制成像儀器；還要有計(jì)算機(jī)人才，處理大數(shù)據(jù)，并將結(jié)果展示出來(lái)。

“我們重視發(fā)展新技術(shù)新方法，研發(fā)出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的科學(xué)儀器，再用它去開(kāi)展應(yīng)用研究、解決科學(xué)問(wèn)題。”駱清銘說(shuō)。

那些年，駱清銘承受了巨大的壓力，不知何時(shí)能出成果，但他始終帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)堅(jiān)持著。

華中科技大學(xué)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(jīng)過(guò)8年努力，駱清銘團(tuán)隊(duì)終于研發(fā)出顯微光學(xué)切片斷層成像系統(tǒng)，于2010年底發(fā)表在《科學(xué)》雜志上，并入選2011年度“中國(guó)科學(xué)十大進(jìn)展”。

“如果把這個(gè)成像系統(tǒng)理解為一個(gè)相機(jī)，最開(kāi)始我們?cè)斐龅氖呛诎紫鄼C(jī)，給鼠腦拍出了黑白照。”駱清銘說(shuō)。

這之后，他的團(tuán)隊(duì)不斷取得突破，拍出了鼠腦的彩色圖譜。再后來(lái)，圖譜的色彩越來(lái)越豐富，顯示的內(nèi)容越來(lái)越精細(xì)，腦結(jié)構(gòu)之美讓藝術(shù)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(tuán)隊(duì)得到江蘇省、蘇州市和蘇州工業(yè)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(yè)化的方式來(lái)繪制腦圖譜。《自然》雜志對(duì)此進(jìn)行了報(bào)道，在學(xué)術(shù)界引起轟動(dòng)。

在研究院潔凈的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，科研人員用樹(shù)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(biāo)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(wàn)層，最后合成三維腦圖譜。

計(jì)算機(jī)屏幕上顯示的神經(jīng)和血管網(wǎng)絡(luò)密密麻麻、色彩斑斕，每根神經(jīng)纖維，每條血管都清晰可見(jiàn)。這是目前世界上最清晰的哺乳動(dòng)物腦圖譜。

“我們已在實(shí)驗(yàn)鼠身上獲得成功，正在對(duì)更高級(jí)、更復(fù)雜的靈長(zhǎng)類(lèi)動(dòng)物發(fā)起挑戰(zhàn)，力爭(zhēng)在世界上率先完成對(duì)人類(lèi)大腦的精準(zhǔn)掃描。”李安安說(shuō)。

華中科技大學(xué)蘇州腦空間信息研究院。（受訪者供圖）

期待中國(guó)腦計(jì)劃

科學(xué)家估計(jì)，鼠腦有數(shù)千萬(wàn)個(gè)神經(jīng)元，猴腦數(shù)十億個(gè)，人腦大約860億個(gè)。蘇州腦空間信息研究院有數(shù)十臺(tái)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(jī)器就能解決的。成像后巨大的數(shù)據(jù)量，給存儲(chǔ)和分析都帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn)。”李安安說(shuō)。

據(jù)估算，一個(gè)人腦的數(shù)據(jù)量相當(dāng)于約20萬(wàn)部4K高清電影。即便是中國(guó)最強(qiáng)大的超級(jí)計(jì)算機(jī)“神威太湖之光”，一套人腦數(shù)據(jù)就會(huì)把它的存儲(chǔ)空間占滿。

駱清銘說(shuō)，目前計(jì)算是最大的技術(shù)瓶頸，人腦圖譜的繪制還要等待技術(shù)的發(fā)展。

此外，李安安說(shuō)，人腦的掃描成像目前也面臨倫理問(wèn)題。“我們通常利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)、病毒標(biāo)記技術(shù)來(lái)標(biāo)記鼠腦的神經(jīng)元，但是這些技術(shù)都無(wú)法應(yīng)用于人腦。”

“還有無(wú)數(shù)技術(shù)難題要攻克，但我們相信隨著技術(shù)的發(fā)展，這些問(wèn)題都將解決。”李安安說(shuō)。

駱清銘說(shuō)，繪制精細(xì)的人腦圖譜在技術(shù)層面沒(méi)有根本性障礙，主要面臨的是經(jīng)費(fèi)和機(jī)制方面的制約，需要加大投入，改革人才的評(píng)價(jià)機(jī)制，允許科研人員長(zhǎng)時(shí)間安心從事研究。

駱清銘團(tuán)隊(duì)被選中參與美國(guó)腦計(jì)劃，也為歐盟和其他國(guó)家的腦計(jì)劃提供數(shù)據(jù)。但駱清銘更希望中國(guó)能夠盡早啟動(dòng)自己的腦科學(xué)計(jì)劃。

據(jù)了解，腦科學(xué)和類(lèi)腦研究已被列入“十三五”國(guó)家重大科技項(xiàng)目。

“我們期待能夠像研制‘兩彈一星’一樣，啟動(dòng)中國(guó)腦計(jì)劃。”駱清銘說(shuō)，“一旦有足夠的經(jīng)費(fèi)支持，集中力量，我們有可能在5年至10年內(nèi)獲得精細(xì)的人腦圖譜。”

他說(shuō)：“這項(xiàng)研究非常值得投入，會(huì)產(chǎn)生超過(guò)百倍的回報(bào)。它能促進(jìn)兒童教育，推動(dòng)人類(lèi)對(duì)抑郁癥、帕金森、老年癡呆癥等腦疾病的診斷治療。尤其是中國(guó)進(jìn)入老齡化社會(huì)之后，這項(xiàng)研究對(duì)于延緩老年病，提高老年人生活質(zhì)量，都具有重要意義。”

“未來(lái)10至20年我們團(tuán)隊(duì)的夢(mèng)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。”駱清銘說(shuō)。