哈佛大学庄小威教授

自1940年代以来，美国曾开展了3个举世闻名的庞大计划——曼哈顿计划、阿波罗计划和人类基因组计划。这3个计划让人类首次拥有核武器、登上月球，以及破解生命的天书。而这3个庞大的计划，在“脑计划”面前，似乎相形见绌了。毕竟，人类的大脑实在是太复杂了。

要想了解大脑是如何工作的，难度不亚于从太空中望向地球，并听到地面上人们的交谈。人类的大脑有860亿个神经元，每个神经元长满了与其他细胞相连的突触，如果把大脑表面的褶皱放大1000000倍，你会看到一个由由不同形状和大小的细胞组成的万花筒，它们分叉并相互接触；再放大100000倍，你会看到细胞的内部运作——每个细胞的微小结构、它们之间的接触点以及大脑区域之间的长距离连接。

科学家们已经为线虫、果蝇的大脑，以及小鼠和人类大脑的一小部分绘制了这样的图谱。然而，这只是人类探索大脑奥秘的开始。要想真正了解大脑是如何工作的，科学家们还需要知道大脑中存在的大约1000种细胞的每一种是如何使用不同的电信号相互交流的。有了这种完整的、清晰的图谱，才能真能理解驱动人类思考和行为方式的神经网络。

2013年，时任美国总统奥巴马与美国国立卫生研究院（NIH）院长弗朗西斯·柯林斯（Francis Collins）宣布启动“脑计划”（BRAIN Initiative），该计划预计耗资超50亿美元，通过新技术探索大脑的遗传学和生理学，从细胞层面提高人类对大脑的认知。预计到2026年计划结束时，将为精神病学、神经退行性疾病和神经发育障碍创造一个取之不竭的“金矿”。

2021年10月7日，Nature一次性上线了16篇“脑计划”（BRAIN Initiative）研究论文，包括哈佛大学庄小威（中国科学技术大学87级少年班校友）等多位学者报告了这项雄心勃勃的计划的阶段性研究成果——在分子水平上全面绘制哺乳动物初级运动皮层细胞类型的特征。这些研究成果有望帮助科学家们确定更合适的人脑疾病动物模型——例如帕金森病、运动神经元疾病和阿尔兹海默症——具有共同的细胞特征。也有助于解释神经元和大脑回路如何参与人类的情绪、行为和学习，为更全面地了解人类认知能力奠定了基础。

大脑，是宇宙中最复杂的高活性物质，破解它的工作原理没有灵丹妙药，对其基础硬件的了解有助于理解大脑神经回路的原理。

“脑计划”（BRAIN Initiative）是全球数百名研究人员之间合作进行，它们组成了大脑神经元细胞普查网络联盟，简称BICCN。

目前，BICCN联盟已经绘制了大约1%的小鼠大脑中的细胞类型，并拥有一些关于灵长类动物大脑的初步数据，包括人类。并计划到2023年完成整个小鼠大脑的图谱绘制。这些图谱已经暗示了物种之间的一些细微差异，这些差异可能有助于解释人类对某些特定疾病（如阿尔兹海默症）的易感性。

BICCN联盟的基本见解包括比较三个物种——小鼠、狨猴和人类的初级运动皮层细胞，初级运动皮层是大脑中负责熟练运动的部分，这些发现将有助于揭示哪些细胞机制在物种间是保守的。这将有助于研究人员建立最适合研究神经退行性疾病的模式生物。

在这些阶段性成果中，研究人员创建了一个图谱，揭示了这三个物种的初级运动皮层中大约25个细胞亚类的位置，详细说明了这些区域的所有长距离神经连接（轴突），这将有助于神经科学家研究大脑如何进行运动控制的。

研究人员还深入了解了人类新皮层中的细胞如何在胚胎发育过程中获得身份。这些研究成果为科学家们提供了可视化和挖掘大量新数据集的工具。 此外，研究人员已经开始创建一个遗传“工具箱”，利用特定细胞类型中基因表达的特征差异来标记和操纵这些细胞。

科学家们希望能够在未来几年内绘制完成在线图谱，详细描绘绘小鼠大脑中每个细胞的类型和位置，并且所有数据都将免费提供。

从创建所谓的细胞普查到了解特定神经元网络正在处理的精确信息，这是一个巨大的飞跃。科学家们还不知道大脑如何处理并告诉我们饥饿或寒冷，或者创造一生记忆的感官信息流。

“脑计划”（BRAIN Initiative）已经揭示了不同哺乳动物大脑基本细胞成分之间的高度进化保守性。鉴于物种之间在进食和繁殖等行为方面存在广泛的遗传重叠和相似性，这并不奇怪。但这也令人欣慰，因为我们已经意识到动物模型在多大程度上提供了有关人类大脑的有用见解的挑战。小鼠大脑拥有大约7000万个神经元，而人类大脑拥有大约860亿个神经元，每个神经元都长满了突触，使它们能够连接到其他细胞。这一计划的重要参与者、艾伦脑科学研究所所长曾红葵教授表示，即使是绘制人类大脑神经网络草图，也至少需要50年时间，但正如这些论文所显示的那样，科学家们正在破译大脑和创造工具方面取得重要进展，而这些工具有朝一日将解开人类独特的认知属性的秘密。这16篇 Nature 论文如下

上图为哈佛大学庄小威教授的成果。

编辑：沈湫莎

责任编辑：许琦敏

来源：生物世界

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