解构亿万脑回路 各国相继推出人脑研究项目
时间:2017-12-07

  解构全球数亿脑电路已启动人脑研究项目 - 新闻 - 科学网

  美国和欧洲都计划花费数十亿美元来了解大脑是如何工作的。但是,研究中的技术挑战是巨大的。

  图片来源:GRANDEDUC / SHUTTERSTOCK

  美国加利福尼亚州斯坦福大学医学院的神经生物学家Bill Newsome在接到美国国立卫生研究院院长Francis Collins的电话后得到了他的第一反应。 Collins突然联系了他,询问Newsome愿意共同主持一个为期10年的大脑研究项目。

  对于Newsome来说,这听起来像是一个吃力不讨好,没有组织,繁琐的工作,将会在夏天毁了一个好心情。但是经过24小时的思想斗争,纽索姆的工作热情终于克服了恐慌,他接受了这个任务,纽索姆说:“现在时机好了。在21世纪,学习大脑是学术界的一个有趣的话题。

  早在4月2日,美国总统奥巴马宣布计划投资1亿美元,启动大脑计划项目,目的是研究大脑的最终成本可能是预算的10倍。巧合的是,欧盟委员会也也有类似的野心,今年早些时候,欧盟委员会宣布将启动一个关于旗舰项目的大脑项目,预计2013年将达到5400万欧元(6900万美元),在未来10年将达到10亿欧元。

  尽管美国和欧盟的大脑计划的目标不同,实际上它们都指向了神经科学家的终极难题:人脑中数以亿计的神经元和连接或突触的万亿组织如何形成有效的神经电路,所以人类可以坠入爱河,踏上战场,解决数学定理或写诗。此外,研究人员还想了解大脑的神经回路如何变化。

  实现这个目标需要新技术(如纳米技术,遗传学,光学等),以捕捉神经元之间发生的电活动,然后刺激神经元找出他们在做什么,以及绘制详细的潜力结构电路等。芝加哥西北大学神经科学家Konrad Kording表示:“人类大脑在30秒内产生的数据量与哈勃太空望远镜在寿命期间产生的信息量相当。

  研究人员已经在寻找解决问题的切入点。在过去的几年里,人们看到了惊人的技术进步。例如,科学家们已经构建了非常准确的人类大脑解剖结构。迄今为止,大多数神经科学家正在使用更简单的物种,如老鼠或蠕虫来研究一些基础。在这里,大自然审查了一些技术进步,帮助人们更深入地了解大脑的工作方式。

  测量神经元

  如果研究人员想要了解流经大脑电路的电信号,就需要同步记录尽可能多的关于神经元的信息。

  目前,研究人员主要通过在大脑中插入金属电极来测量神经元活动。但是,这种方法伴随着巨大的挑战。每个电极都需要一根导线来测量模拟信号的电压变化,但是信号在传输过程中很容易丢失或失真。

  此外,电线必须像头发一样薄,以避免组织损伤。电极技术的进步使得可以同时记录数百个神经元。但是为了解开最终的难题,研究人员还需要探测尽可能多的细胞,并捕获更好质量的信号。

  以硅为特征的新一代神经探测设备的出现使得这一切成为可能。今年2月,在加利福尼亚州旧金山举行的国际固态电路会议(International Solid State Circuits Conference)上发布了这种类型的神经探测设备(仅1cm长,薄如美元钞票)的原型。该单位由位于比利时鲁汶的纳米电子学专家Imec发起。

  当设备嵌入鼠标的大脑中时,Imec设备上的电极能够同时记录鼠标所有大脑皮层的信息,这有助于神经科学家分离与大脑相互连接的复杂电路。Peter Peumans,Imec生物和纳米电子学的主任说:“这个原型可以扩展,在3年内,NEP将有2000个电极和200多个电线。

  研究人员一直在收集关于神经元活动和电路的信息,这是绘制可靠,高度详细的大脑解剖结构所必需的。

  一个多世纪以来,绘制神经解剖学的各种方法试图将大脑切成尽可能薄的切片,之后科学家们将在光学显微镜下仔细检查切片。然而,通过计算方法,对这些数量惊人的切片进行排序是非常困难的(为了重建人脑中复杂的神经元网络)。

  尽管如此,德国Euchrich研究中心的Katrin Amunts及其同事宣布,他们上个月已经完成了艰巨的任务。

  研究人员通过切片和分析65岁女性的大脑样本,制作了有史以来最完整的3D人脑图像。通过光学显微镜处理来自7,400个脑切片(每个20微米厚)的大脑图,两台超级计算机处理了包含千字节的数据1000小时。

  Amunts说,整个项目持续了10年。 Amunts和他的同事现在开始着手进行下一个关注个体差异的人类大脑项目,她期待着新的项目进展得更快。

  了解大脑数据处理功能

  也许人类大脑研究中最大的挑战就是搞清楚大脑如何存储和处理数据。哈佛大学的Jeff Lichtman和德国慕尼黑的Max Planck神经生物学研究所的Winfried Denk使用一台新的显微镜观察电子显微镜,结果显示脑组织可以在1立方毫米的范围内处理2000太字节。

  Denk估计,一个完整的小鼠大脑可以产生60个节拍的信息,而人脑可以处理200个字节的信息。 Lichtman表示,数据量与当今世界的数字信息相当,其中包括Facebook和所有其他大型数据存储库。

  而这一切只是开始。神经科学家最终将收集关于人脑的解剖信息(每个大脑的解剖信息是独特的),并深入到更深层次的神经活动背后。科学家需要存储和系统地组织这些不同的数据模型,以探索神秘的大脑深入。

  欧洲的人脑工程旨在提供一个人类的大脑仿真环境,研究人员可以实时与之交互,这是另一个需求层次。西班牙巴塞罗那超级计算中心耶稣Labarta Mancho是脑力劳动合作者之一。他说,我们面临的挑战之一是开发一种计算机语言,使我们能够更有效地使用超级计算机。

  目前,一些实验需要同时刺激不同脑区的不同部位,超级计算机难以满足这一需求。因此,有必要开发一种新的方法,使超级计算机能够压缩他们地区的一部分信息,使他们能够专注于需要紧急解决的问题。

  即使超级计算机可以处理数据,理论家仍然需要考虑应该问什么。在葡萄牙里斯本Champalimaud的未知中心的理论神经科学家Christian Machens说:这是鸡还是鸡蛋的第一个问题?一旦我们了解了大脑的工作方式,我们就知道如何处理这些数据。

  工作的规模和数量是​​理论界争议的焦点。像许多人一样,Kording相信有太多事情要做。他说:相比之下,Google的搜索就像一个孩子的游戏。大脑中的神经元数量大致等于互联网页面的数量。但问题是互联网页面之间有一条直线,每个神经元都与数千个神经元相连,而不是直线。

  但是纽约冷泉港实验室的生物学家帕特哈·米特拉(Partha Mitra)认为,从社会学角度来理解大脑如何工作的最大挑战是最大的挑战。他说:追踪大脑的工作与跟踪希格斯玻色子的方式不同,每一个希格斯玻色子都以相同的单一目标移动。例如,团队中的每个人都会在设定团队目标时表达自己的想法。一旦目标建立起来,就会变得自律,共同实现团队的目标。

  Newsome没有预料到,设定这些项目的目标几乎花费了他所有的夏天。目前,他正在参加一系列专家研讨会,旨在为美国脑计划设定研究目标,并修改将于9月份发布的脑计划研究。他表示,报告没有确保所有与大脑有关的问题得到解决,但是这将使研究走上正确的轨道,并有可能在未来回答这些问题。

  Newsome说:“最终,我们肯定会理解大脑神经元活动对人类行为的影响,这对我们至关重要。

  “中国科学”(2013-07-24第3版国际)