新书上市 | 连接组，向人类科学的最终前沿进军

2022 年 9 月 28 日
北京
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人类的大脑一点都不比浩瀚的宇宙简单，它是一个内在宇宙，说研究人类大脑的神经科学（neuroscience）为“人类科学的最终前沿”也毫不为过。

本文为《神奇的连接组》推荐序《向人类科学的最终前沿进军》

仇子龙　中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心（神经科学研究所）
蒲慕明　上海脑科学与类脑研究中心

人类大脑重约 3 磅（约 1.4 千克），被戏称为“三磅的宇宙”（three-pound niverse）。因为具有高度发达的大脑，我们成为万物之灵，创造了绚烂的文明、改造了这个世界，同时还可以抬头仰望浩瀚星空，俯首观察身边万物，探索自然的奥秘。

我们的大脑中有数百亿个神经细胞（神经元），每个神经元与上千的其他神经元相连接，通过电信号与化学信号将我们感受到的外界信息传递给大脑，大脑可做出即时反应，当然也可深思和探索宇宙万物的规律。

美国著名系列科幻电影《星际迷航》（ Star Trek ）中有一部名为 The Final Frontier ，直译是“最终前沿”，意指探索无穷宇宙为人类科学的最终前沿。

其实，人类的大脑一点都不比浩瀚的宇宙简单，它是一个内在宇宙，说研究人类大脑的神经科学（neuroscience）为“人类科学的最终前沿”也毫不为过。

“连接组计划”

与各国“脑计划”

本书是美国普林斯顿大学著名神经科学家承现峻教授的优秀科普作品，他用生动的笔触描写了世界各国神经科学家正在开展的一项探索大脑奥秘的宏伟工程——连接组（connectome）计划。

连接组计划希望全面认识大脑中各类神经元之间的连接。我们已经知道人类大脑中的神经元约 1000 亿个，其中至少有几百种不同的类型，而每个神经元又同时与千个以上的神经元形成传递信息的连接点（突触），所谓大脑的连接组计划，是对各脑区、各种类型神经元之间的相互连接情况进行全面的研究与分析。

可想而知，这是一项何等艰巨的工作，因为需要采集和分析的信息，其规模将创造人类历史之最。

“连接组”（connectome）一词从“基因组”（genome）衍变而来。20 世纪 90 年代，美国能源部与国家卫生研究院（National Institutes of Health，NIH）主持的历经十余年的人类基因组计划（Human Genome Project，HGP）耗资 30 亿美元对人类基因组的 30 亿个 DNA 碱基完成了全测序。

这项计划全面获取了人类 DNA 里的编码基因及非编码区的碱基序列信息，大大加强了人类寻找遗传病病因、攻克复杂疾病、促进身心健康的能力。

2013 年 4 月，美国时任总统奥巴马在国情咨文中宣称，人类基因组计划每 1 美元的投入至今已获得了 140 美元的超值回报。

因此，美国 2013 年启动了研究大脑的“脑计划”（BRAIN Initiative），以支持创新型神经科学研究技术为重心，进而推动对脑科学和脑疾病的研究。2020 年，美国在脑计划方面获得了一系列丰硕的成果之后宣布启动 2.0 版脑计划。

从 2013 年起，美国、欧洲及日本陆续宣布了专攻神经科学的“脑科学计划”。中国科学院在 2012 年已启动了研究脑联接图谱的战略先导计划。

2021 年，经过神经科学专家们的反复研讨，中国也启动了“科技创新 2030：脑科学与类脑研究重大项目”（以下简称“中国脑计划”）。人类向“最终前沿”进军的队伍中又增加了生力军！

脑科学的重要科学问题：

先天与后天哪个更重要

承现峻教授曾经在 TED 做过一个非常出色的科普演讲，介绍大脑连接组的研究，开场时他自嘲，大脑如此复杂，让人忍不住产生疑问：这难道是我们穷极一生可以理解的吗？

不错，我们虽然知道大脑是基于基本物理与化学原理组成的，却对大脑如何能够准确地区分与储存海量信息，以及能同时进行思考与抉择等高级认知行为的机制仍知之甚少。

在本书中，承现峻教授提出，只要我们全面地了解了大脑中神经元的连接，就可以得知我们大脑储存信息的方式、思维模式甚至如何产生深邃的思想。

事实是否真的如此？

让我们简单讨论一下书中的一些主要科学观点。

首先，作者认为人的大脑组成不仅仅被基因组决定，更被连接组决定。

这是生物学界一个非常重要的争论——nature vs nurture：究竟是先天还是后天的因素决定了人的方方面面，包括大脑的功能等？

基因组代表先天因素（nature），从父母遗传而来，很难轻易改变，而连接组象征后天因素（nurture），是我们在这个纷繁芜杂的世界中经过无数外界信息塑造后的大脑。

在这个问题上，并非说基因组和连接组就一定是“东风和西风谁压倒谁”的问题，而是在何种层次上相互协调、贡献大脑功能的问题。

人类大脑的神经网络大都是在出生后，由环境提供的信息塑造而成的。基因提供了神经网络构建所需的材料，而环境是塑造每个人独一无二的神经网络的建筑师。

在成年人的大脑中，虽然神经网络已经基本定型，但是基因组仍在提供一些材料，使大脑的神经连接仍有可塑性，可以通过学习，改变神经连接的传导、处理信息的效率和局部的突触结构。

人类在进行学习与认知活动时，大脑中的电信号就会激活神经元，将许多基因打开或关闭，改变神经元功能相关蛋白质的水平，使神经元的放电特性和神经元之间的连接点（突触）的传递效率产生长期性的变化。

因此从这个角度上讲，连接组建筑在基因组之上，神经网络的架构反映了大脑的智力。

作者承现峻还认为，全面了解大脑的神经元连接组，我们就可以了解大脑的奥秘。

根据前文所说，我们知道所谓大脑连接组，其实是个支撑动态脑活动的基本结构，在我们的大脑接收并处理了外界信息之后，神经元之间的突触可能就会发生改变，长期的变化就代表了我们记忆的储存。

电活动再度激活这些突触，就反映了记忆的提取。解析出大脑的网络连接结构，只是理解大脑工作原理的一小步。

进一步来说，活体中的神经网络具有大量的动态信息（电活动），真正解码并理解这些电信息的意义和功能，才能理解大脑的工作原理。

所以，假设如承现峻教授所说将大脑深度冷冻，保存连接组的结构，那么由于我们不能保存活体时的电活动，没有动态脑活动的信息，所以能否从连接组的分析中洞察出神经网络的工作原理，还是未知数。

方兴未艾的脑图谱研究

如果我们暂时还没有办法洞察一个活人大脑中的神经元之间全面的电活动动态信息，那么研究大脑连接组还有意义吗？

近年来，神经科学家认识到，我们的高等认知功能及脑疾病的起因往往与大脑中神经元具备功能的神经连接的异常有关。

我们目前已经可以通过模式生物，如啮齿类的大小鼠以及人类的近亲——非人灵长类动物，来对大脑中的特定神经连接环路进行研究，包括在高级认知功能中，在病理状态 [ 包括阿尔茨海默病、帕金森病、孤独症（自闭症）、抑郁症及精神分裂症 ] 中，哪些神经连接组成的环路发生了变化。这些研究已经越来越受到神经科学家们的重视。

如果能认识到大脑中这些特定神经元的连接模式及细节，的确可以极大地促进我们对大脑工作原理的认识，并同时得知脑疾病的起因与病理进程。值得一提的是，抑郁症和孤独症也是“中国脑计划”的重要研究对象。

连接组计划涉及海量的人力、物力与财力，堪比 20 世纪 90 年代的人类基因组计划，因此是政府组织大科学计划的适合主题。