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2018-12-10 10:48 来源:中原网

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中国科学家将绘制最精细的人脑三维“地图”
2018-12-10 20:14:50 来源: 新华社客户端
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骆清铭在检查实验结果。(受访者供图)

  新华社南京12月6日电 为什么有的大脑能洞见美妙的宇宙法则,有的能创作出扣人心弦的乐曲与画作?记忆和意识是如何产生的?

  人类虽已能观察亿万星辰、探测时空涟漪,却对自己认知世界的大脑所知甚少,大脑的精细结构如何都还只是估测。

  为揭开大脑的奥秘,中国科学家计划为人脑中错综复杂的神经元和血管绘制出最精细的三维“地图”。

  这项浩大工程犹如给一座由近千亿棵树木组成的巨大森林拍出三维照片,既要看全整座森林,又要看清每一棵树上的每一根细枝和每一片树叶。

  领导这项研究的海南大学校长、华中科技大学苏州脑空间信息研究院首席科学家骆清铭说:“人类缺乏大脑的观测手段,尚无法‘既见树木又见森林’。我们要提供新的观测手段,获得清晰的人脑图谱,看清神经元网络是如何连接的,这将帮助分析脑疾病的机理,并推动类脑人工智能的发展。”

  苏州脑空间信息研究院副院长李安安说:“目前我们对大脑的认识水平还处于十分初级的阶段,虽然能看到一些现象,但它们代表着什么还解释不清,就像是在巨大黑箱子里一点点摸索。”

  “脑连接及脑活动在时间、空间上不断演化,给解析脑功能带来极大挑战,但我们有理由相信,脑功能与脑活动依赖于最基本的细胞单元,好比电路网络依赖于其最基本单元——电子元器件。不同类型的神经元是解析脑功能的基础,更是脑疾病诊断与治疗的重要依据。”骆清铭说。

  华中科技大学苏州脑空间信息研究院的科研人员在开展实验。(受访者供图)

  创新之路

  52岁的骆清铭是湖北蕲春人,出身农家,有着艰苦的求学经历。上世纪90年代,从事光电子研究的骆清铭在美国留学期间,在世界上首次用近红外光学的方式成像检测出了脑的活动,所发明的技术获得了美国专利。1997年,骆清铭放弃国外优越的条件回到母校华中科技大学。

  “我很庆幸赶上了改革开放后的好时代,觉得要为国家做点事。我当时的研究是一个新兴领域,希望能回国在脑研究上继续‘做文章’。”骆清铭说。

  尽管国际学术界认为绘制精细的脑图谱非常重要,但因为这项研究极为困难,学科跨度非常大,还未能获得成果。

  骆清铭借助华中科技大学多学科交叉的优势,仅以20万元资金和一间25平方米的实验室启动了脑科研项目。

  “大脑像豆腐一样软,将脑样本固定并将其中的神经和血管标记出来是很难的。仅是脑样本制备的难题,我们就花了三年时间才攻克。”骆清铭说。

  他说,这是真正意义上多学科交叉研究,要有生物、化学背景的人员制备样本;有光学、机械、控制等工程技术人员研制成像仪器;还要有计算机人才,处理大数据,并将结果展示出来。

  “我们重视发展新技术新方法,研发出具有自主知识产权的科学仪器,再用它去开展应用研究、解决科学问题。”骆清铭说。

  那些年,骆清铭承受了巨大的压力,不知何时能出成果,但他始终带领团队坚持着。

  华中科技大学苏州脑空间信息研究院科研人员正在为鼠脑成像。(受访者供图)

  从“黑白照”到“彩色照”

  经过8年努力,骆清铭团队终于研发出显微光学切片断层成像系统,于2010年底发表在《科学》杂志上,并入选2011年度“中国科学十大进展”。

  “如果把这个成像系统理解为一个相机,最开始我们造出的是黑白相机,给鼠脑拍出了黑白照。”骆清铭说。

  这之后,他的团队不断取得突破,拍出了鼠脑的彩色图谱。再后来,图谱的色彩越来越丰富,显示的内容越来越精细,脑结构之美让艺术家都叹为观止。

  然而,这一成像方式速度很慢,要如此为人脑成像恐怕100年也做不完。

  2016年,骆清铭团队得到江苏省、苏州市和苏州工业园的支持,获得4.5亿元投资,成立苏州脑空间信息研究院,以工业化的方式来绘制脑图谱。《自然》杂志对此进行了报道,在学术界引起轰动。

  在研究院洁净的实验室内,科研人员用树脂包裹住鼠脑,形成如同胶囊大小的“琥珀”。成像仪器的金刚石刀片将浸泡在溶液中的鼠脑标本切割成1微米厚的薄片,边切边拍照。一只鼠脑大约切1万层,最后合成三维脑图谱。

  计算机屏幕上显示的神经和血管网络密密麻麻、色彩斑斓,每根神经纤维,每条血管都清晰可见。这是目前世界上最清晰的哺乳动物脑图谱。

  “我们已在实验鼠身上获得成功,正在对更高级、更复杂的灵长类动物发起挑战,力争在世界上率先完成对人类大脑的精准扫描。”李安安说。

华中科技大学苏州脑空间信息研究院。(受访者供图)

  期待中国脑计划

  科学家估计,鼠脑有数千万个神经元,猴脑数十亿个,人脑大约860亿个。苏州脑空间信息研究院有数十台成像仪器在日夜不停地工作着。

  “但要完成人脑成像绝不是增加机器就能解决的。成像后巨大的数据量,给存储和分析都带来了极大的挑战。”李安安说。

  据估算,一个人脑的数据量相当于约20万部4K高清电影。即便是中国最强大的超级计算机“神威太湖之光”,一套人脑数据就会把它的存储空间占满。

  骆清铭说,目前计算是最大的技术瓶颈,人脑图谱的绘制还要等待技术的发展。

  此外,李安安说,人脑的扫描成像目前也面临伦理问题。“我们通常利用转基因技术、病毒标记技术来标记鼠脑的神经元,但是这些技术都无法应用于人脑。”

  “还有无数技术难题要攻克,但我们相信随着技术的发展,这些问题都将解决。”李安安说。

  骆清铭说,绘制精细的人脑图谱在技术层面没有根本性障碍,主要面临的是经费和机制方面的制约,需要加大投入,改革人才的评价机制,允许科研人员长时间安心从事研究。

  骆清铭团队被选中参与美国脑计划,也为欧盟和其他国家的脑计划提供数据。但骆清铭更希望中国能够尽早启动自己的脑科学计划。

  据了解,脑科学和类脑研究已被列入“十三五”国家重大科技项目。

  “我们期待能够像研制‘两弹一星’一样,启动中国脑计划。”骆清铭说,“一旦有足够的经费支持,集中力量,我们有可能在5年至10年内获得精细的人脑图谱。”

  他说:“这项研究非常值得投入,会产生超过百倍的回报。它能促进儿童教育,推动人类对抑郁症、帕金森、老年痴呆症等脑疾病的诊断治疗。尤其是中国进入老龄化社会之后,这项研究对于延缓老年病,提高老年人生活质量,都具有重要意义。”

  “未来10至20年我们团队的梦想就是做出人脑图谱,如果这辈子能做成,将是件很自豪的事。”骆清铭说。(记者喻菲、胡喆、李博、夏鹏)

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