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來源：神經科技

概要：我們的大腦只有1.5千克，但對我們來說非常重要。是我們的大腦，而不是心臟，塑造了人的思維，幫助我們記憶。

11月15日下午，在由《環球科學》和財新傳媒聯合主辦的STEP全球科技峰會上，美國艾倫腦科學研究所所長、首席科學家克里斯托夫·科赫分享了他最新的研究。他正領導著一項為期10年的大型腦科學項目中，希望能建成大腦的觀測站，通過對神經元的分類、研究，更好滴理解大腦的運作方式。

我們的大腦只有1.5千克，但對我們來說非常重要。是我們的大腦，而不是心臟，塑造了人的思維，幫助我們記憶。這也形成了科學研究中最具挑戰性的難題之一：這個不起眼的器官，如何讓我們擁有如此復雜的行為與記憶能力？我們尚不能理解，這一切是如何發生的。

這就是我們在艾倫腦科學研究所研究的物體。這個研究機構是由保羅·艾倫（Paul Allen）建立的，艾倫曾經與比爾·蓋茨一起在微軟工作，他在14年前建立了艾倫腦科學研究所。我們是一家位于西雅圖的獨立非盈利研究機構，支持了很多科學家和工程師進行基礎腦科學研究。

艾倫腦科學研究所

我們在5年前開始了一項為期10年的項目，希望建立大腦的觀測站，更好地研究小鼠與人類大腦細胞的情況。我們每一年的預算有7千萬美元，此外，上個月我們得到了來自美國大腦基金會的1億美元資助。此前我們對人類大腦的理解，或是來自已經死亡的大腦，或是遠距離監測大腦，例如通過腦成像來了解大腦的活動。但是，我們無法直接從單獨的神經元獲取信息。我們對大腦中約一千億個神經元的工作方式所知甚少，我們甚至還不清楚到底有多少類型的神經元。在化學中，我們可以通過元素周期表來歸納化學元素；但在生物學中，卻沒法用類似的方式來告訴我們，神經元細胞有多少種。現在，我們對神經元的了解主要來自動物，例如猴子、小鼠和大鼠。

我們上個月剛完成了一項研究工作，我們發布了關于人的大腦的一些數據，大家可以在我們研究所的網站上獲取。我們對數千個神經元進行了研究，我們希望了解，每個大腦的每一部分功能是怎樣的，為此我們和很多神經外科醫生進行了合作。

經常我們能夠看到醫生需要把一些設備伸入到大腦之中取出大腦的一部分，例如腫瘤、癲癇手術。對于癲癇患者，醫生需要將大腦中患病的部分切割下來。我們會把取出的組織放在一個容器中，這個是人的活體組織，我們對它進行研究，將其切成切片，放置在冰上，確保它保持活性。

在研究的過程中，我們可以觀察特定神經元的電學行為。我們在這里能夠看到，我們對這些神經元進行了染色，然后進行重建，大家能夠看到它有不同的形狀，然后我們可以把它非常纖細的軸突部分取出來。我們發現，神經元有非常多的種類。

在試驗中，我們能對這些神經元進行3到4天的觀察，對神經元進行刺激后，觀察它們會有什么樣的活動。通過這種方法，我們看到在神經元之間進行信息傳遞時具體的活動是什么樣的，信息傳遞在多短的時間內實現。通過這些由計算機所記錄下來的內容，我們能夠了解大腦是如何運作的。

這項工作需耗費大量人力，我們希望能自動化地完成這項工作。為此，我們與谷歌的機器學習團隊一同工作。

科赫團隊發現大腦中存在不同類型的神經元

這張圖展示了不同類型的神經元，它們都有各自的名稱，每一類神經元的活動都不盡相同。當這些神經元協同工作，例如在一部分神經元的活動產生語言時，我們能夠從外部進行監測它們的波動情況。數百萬的神經元彼此互動、溝通，這些活動最終產生我們的意識。

在大腦中的任何一個部分，可能都會有多種類型的神經元。在我們的大腦中，可能一共有數千種不同的神經元，它們不僅是形狀不一樣、行為不一樣，同時他們表達的基因也是不一樣的。我們能夠去做的是，在一個細胞內，如果我們把它的細胞核提取出，從而對基因進行單獨的分析，這是一個細胞內的情況。當我們對數萬個細胞進行這樣的操作，就能夠了解不同基因的完整表達情況，去了解基因表達產生的蛋白質，了解如何對這些突變的情況進行糾正等等。

大家可以看到，這是一位去世的病患大腦組織的一部分，我們對單個DNA、RNA進行了分析，分析結果能夠幫助我們了解在這個大腦中有多少不同類型的神經元。我們能夠看到在這里，有34種不同的抑制性神經元細胞、26種谷氨酸能神經元，還有6種非神經元細胞。這是在單一的區域所發現的內容，我們能夠看到在一個區域中就有七八十種不同的神經元。而我們有眾多腦區，以及更多種類的神經元。

這是一個非常宏大的項目，叫做“大腦倡議”，是美國發起的項目，希望能夠去對所有的神經元，在小鼠大腦中的所有的神經元進行分類和定性。當然我們會把大腦分成不同的小組，然后對不同單元的神經元進行分析。我們也知道，相比于小鼠，人類大腦的表面積將會大出幾千倍，但神經元的類型很可能是一樣的，它們同時表達在小鼠和人類的大腦中。因此，對小鼠的研究能夠很好地幫助我們了解一些大腦相關的疾病，比如說自閉癥、帕金森這些疾病的成因是什么。而且有一些疾病是因為信息在神經元之間傳遞時出現問題而導致的。非常重要的是，我們需要對所有的細胞類型進行識別，并且了解不同細胞之間信息傳遞的方式。

我們用電極進行了很多研究，比如說在外科醫生在手術的過程中，會有一個用電極接觸大腦中的一部分，當然大腦中一部分的記憶力是關于病人特殊的經歷，比如說他初吻的時間等等。如果我們實驗的時候如果把所有的電極插到不同的細胞，那就能記錄這些不同神經元的表現。

這里展示的分別是人類與小鼠的神經元（包括抑制性神經元和興奮性神經元），它們看起來非常相似，當然老鼠的頭要小很多。我們實際上對于不同基因的表達也可以做類似的事情。小鼠與人類的基因不完全一致，但是它們都是可以比較的。

為什么小鼠腦部的每一個單獨組成部分跟人腦的組成部分很像，但是你卻沒有辦法跟小鼠進行對話呢？實際上我覺得有一個非常好的類比，大家回想上世紀70年代的6502或6507 CPU，當我們將其與Iphone 7中的A10芯片進行比較，現在的運算能力是那時的至少100億倍，雖然說它基礎的原件都是非常相似的。這就是為什么看起來近似的組成部分，人腦和小鼠腦沒有太大的差別，但是運算能力有天壤之別的。

同時我們也會做很多其他的研究，是在大學當中的一個合作，這個實際上不是整個大腦，只有6個非常小的神經元，但它的輸出給我們帶來的是整個大腦，這是非常棒的，也是計算機給我們帶來的最大的不同。這里的神經元，可以投射到幾千多個不同的神經元當中去，在整個生物學上都有非常大的意義。

這是一個非常令人激動的時代，可以讓我們在腦科學上做出非常多的研究，這些是有在日本的，美國的，中國的，有歐洲的，還有其它國家的。同時我們還有一些新的以及創始人，包括Facebook的創始人Zuckerberg的研究。這都是非常令人激動的，21世紀不僅是人工智能的時代，我們也會在一個新的時代了解人類自己的智能，也包含了一些常見的大腦功能疾病，和如何恢復一些喪失的功能，以及加強我們自己的智能，所以我們相信可以在未來跟計算機一起合作完成這些工作。