上海“脑中心”:志在引领中国脑科学跨越式发


更新时间: 2021-09-07

  右图:蒲慕明院士(右)指导学生工作。记者沈湫莎摄 上图:研究人员制备脑组织样品。制图:李洁

  因发现DNA双螺旋结构而获得诺贝尔奖的英国科学家弗朗西斯·克里克曾说,我们至今没有绘制出人类大脑的联接图谱,这是一件无法忍受的事情,没有它就别指望了解大脑是如何工作的。

  在美国、中国以及欧洲多国纷纷启动的“脑计划”中,绘制“脑图谱”是共同的方向。2018年,上海首个新型研发机构——上海脑科学与类脑研究中心(简称上海“脑中心”)揭牌成立。从“出生”起,它就承担着推进脑科学领域创新布局、集聚优势科研力量、探索创新体制机制的重要使命。

  “经过两年准备,‘脑中心’今年要开始发力了。”上海市级重大专项首席科学家、上海脑科学与类脑研究中心主任、中科院院士蒲慕明说,“希望在15年内,将哺乳类小动物和非人灵长类的每个脑区每一种类型的神经元的输入和输出都绘制出来。”这一宏伟计划的实施,将逼近人类理解自然和自身的“终极疆域”,也将引领中国的脑科学在未来10到20年实现跨越式发展。

  搭起平台,从宏观和介观层面研究脑理解脑

  人的大脑又称“三磅宇宙”,它是当前在地球范围内我们所能遇到的最复杂的信息处理系统,一千克质量的脑中,有1000亿个神经元。

  得益于2003年诺贝尔生理学和医学奖两位得主所提出的功能磁共振成像原理,科学家能够在无创伤的情况下,观测到大脑不同区域不同神经元细胞的活跃程度,从而推断出大脑在实施某种功能时是如何协同工作的。然而,想了解思维、情绪等大群细胞综合活动的产物是如何产生的,对大脑的探究就需深入介观、微观。为此,各国纷纷启动“脑计划”,当今脑科学发展趋势就是从神经元层面绘制神经联接的结构,从而进一步解析大脑实现各种功能的环路。

  探秘“三磅宇宙”,是73岁的蒲慕明院士的毕生愿望。在他看来,与他国的“脑计划”相比,中国“脑计划”更为全面,它是“一体两翼”的布局规划:即以研究脑认知的神经原理为“主体”,以研发脑部重大疾病诊治新手段和脑机智能新技术为“两翼”。

  围绕这一布局,上海“脑中心”已搭建起四个平台:一是脑智发育平台,用以研究脑智是如何发育出来的;二是宏介观脑图谱绘制平台;三是基因编辑平台;四是脑机接口平台。其中,前两个主要从宏观和介观层面研究脑、理解脑,后两个则为研究提供技术支持。

  从斑马鱼、小鼠到猕猴,不断完成“人脑拼图”

  斑马鱼的神经元细胞约有10万个,小鼠大约是600万个,猕猴则数十亿计,这三种动物的神经元细胞数量以数量级的规模递增。在绘制“大脑地图”这件事上,上海“脑中心”三头并进,沿着斑马鱼—小鼠—猕猴的推进方向,不断完成“人脑拼图”。

  介观,即介于宏观与微观之间。如何绘制一张介观图谱呢?蒲慕明表示,这是一件极为复杂的工作,至今没有机器可以替代。具体来说,研究人员先用荧光标记少量神经元细胞,再通过解剖追踪,观察它们投射到了哪些脑区、接收哪些神经元的输入。

  “斑马鱼介观脑图谱绘制已近尾声,这为我们绘制小鼠、猕猴的脑图谱积累了一些经验。”蒲慕明透露,他们发现了1万多个斑马鱼的神经元细胞的投射图谱,已基本能够代表这一物种所有神经元种类的输出和输入联接。这意味着,在进行更复杂的图谱绘制时,只要找到同类神经元,就能大大降低脑图谱的绘制难度。而在绘制小鼠脑图谱时,科学家又发现了许多以前未知的细分脑区,这为理解更为复杂的猕猴大脑奠定了基础。

  上海“脑中心”肩负的另一项重要使命,是发起“全脑介观神经联接图谱”国际大科学计划,这也与蒲慕明一直倡导的 “要当科研的‘导游’而非 ‘游客’”理念相吻合。日前,“全脑介观神经联接图谱”国际大科学计划中国工作组已正式成立。该计划将使用小鼠和最接近人类的非人灵长类等动物模型,在单细胞分辨率上绘制具有神经元类型特异性的全脑联接图谱。

  “我们在小鼠领域和国际并跑,而在猕猴的研究包括基因操作上,我国处于国际领先地位。在绘制猕猴脑图谱的重要性方面,全球脑科学家早有共识,我们很愿意建立共享机制,推动这一大科学计划走向成功。”作为该计划的主要发起人,蒲慕明正全心擘画着脑科学未来发展的 “深海蓝图”。

  聚拢20多家单位,织牢“脑科学之网”