破解思维与意识之谜

生命科学研究领域的两大难题是：生命的本质和意识的起源。这两大问题派生了生命科学的两大前沿研究领域，即分子生物学和脑科学。分子生物学在20世纪取得突破性进展，从DNA双螺旋的发现到遗传密码的确定直至人类基因组计划的完成。现在，人类不仅能从局部对个别基因进行测序并研究其功能，更能从整体上弄清人类的全部基因组的序列，并建立起基因序列及蛋白质序列的完整数据库。目前，人类基因组计划研究人员经过10年的努力，已基本完成工作草图。其他各种模式生物的基因组计划亦已陆续开展，有的已基本完成，例如线虫和果蝇的基因组计划。人类基因组计划是对人类基因组结构的基本计测，是研究人类基因调控功能的基础。西安唐都医院神经外科贺世明
　　脑科学研究亦已取得巨大的成就，其中Cajal的神经元学说以及Hodgkin和Huxley的离子通道理论是20世纪神经科学的重大进展。这之中又以脑功能成像技术的开展意义最为深远，它为客观研究人脑的心理及智能活动奠定了基础。大脑是自然界结构和功能最复杂的系统，脑科学研究的终极目标是破解思维与意识起源之谜。脑科学的研究越来越受到广泛的重视：美国政府提出20世纪90年代为“脑的10年”；日本政府拨巨款支持脑科学的研究，提出21世纪是“脑科学的世纪”，其口号是“认识脑，保护脑，创造脑”。可以预期，在21世纪，脑科学将取得更大的进展。
　　人类基因组计划是要弄清30亿个碱基对的排列及3～4万个基因的结构，而人类神经组计划则要为1000亿个人脑神经元进行破译。
　　人类神经系统大约有1000亿个神经元，它们以突触互相联结，组成极其复杂的大脑神经网络。目前大脑神经网络的研究还仅限于对个别或局部的重要的神经网络，还没有全面系统的人脑研究计划。我们认为，要深入了解脑的功能需要像人类基因组计划那样，首先从启动人类神经组计划人手，对人脑全部1000亿个神经元及其组成的神经网络结构进行全面的计测，进而建立系统完整的神经数据库。
　　人类神经组计划是继人类基因组计划之后的又一个伟大的生命科学系统工程。人类基因组计划是要弄清人类基因组在23对染色体上30亿个碱基对的排列顺序及由其组成的3～4万个基因的基本结构。同样，人类神经组计划则是要弄清人脑全部1000亿个神经元及其组成的基本结构，包括神经灰质核团、大脑皮质、小脑皮质、白质、纤维束等的定位、定量与定性的计测数据。具体内容主要包括上述结构的空间定位坐标，神经核团径的长度、方向、神经元总数、神经元密度、神经元的种类及分布和排列等，还有神经树突或轴突的分支级数和传导速度、树突和轴突上突触的总数及其分布密度、受体与离子通道的类型及其信号传导通路、核团神经元前向接受上游神经元的来源与数目（感受域）和后向投射下游神经元的止点及数目（投射域）等，以及神经纤维束的起点、走行和止点、纤维束中神经纤维的总数、有髓神经纤维和无髓神经纤维的比例、纤维束内神经纤维直径的分布谱和传导速度的分布等。
　　大鼠基因与人类基因数目接近，而人类的神经元总数却是大鼠神经元总数的1600倍。
　　动物神经组计划及脊椎动物神经组计划是人类神经组计划的重要补充。一些动物的神经组计划已基本完成，如线虫神经组计划中的302个神经元的编码、定位、形态和功能联系等已基本确定。已经知道，果蝇神经组共有50万个神经元，大鼠神经组共有6000万个神经元。从基因组的数据分析，大鼠基因组的碱基数目和人类基因组的碱基数相近，约为30亿，而且基因的数目亦相近，约为3～4万个。但人类神经组有1000亿个神经元，而大鼠神经组只有6000万个神经元，相差约1600倍。可见神经组计划的研究要比基因组计划的研究复杂得多。
　　人类神经系统结构定量研究的历史比较悠久，1895年Donaldson即发表关于人类大脑皮质的表面积、体积和神经元总数的研究。1926年，Herrick用切片法测定人大脑皮质神经元总数为120亿，Wyke（1951）测定为100亿。Huang（1978）用电子计算机图像分析的方法，测定人大脑皮质的总体积为700毫升（1毫升＝1000微升），细胞密度为每微升1.5万个，细胞总数为105亿。以上三个测定结果比较接近，属于同一数量级。用fMRI的观察表明，当运动右手中指时，左侧大脑运动区兴奋的范围约为2727微升（mm3）。这表明，人在运动右手中指这一简单动作时，就会有至少4千万个大脑运动区神经元出现兴奋活动。
　　Huang测定，象的大脑皮质神经元总数为85亿，鲸的大脑皮质神经元总数为94亿，和人大脑皮质神经元总数比较接近。我们曾对家兔的海马、穹窿、乳头体和丘脑前核的神经回路系统进行了定量的研究。结果表明，家兔单侧海马兴奋性锥体神经元的数目平均为7.36×106个，海马齿状回的颗粒细胞数目为4.93×106个，海马抑制性神经元篮细胞的总数为2.40×105个，单侧穹窿的神经纤维总数平均为8.37×104根，单侧乳头丘脑束的神经纤维总数平均为5.87×104根，乳头体核组神经元总数为1.14×105个，丘脑前核组神经元总数为1.66×105个。家兔海马锥体神经元主干树突呈规则六角点阵排列，其中心距为6.32±0.17μm。我们还对海马神经元的突触结构进行电子计算机图像分析和定量计测，其主干树突的平均直径为3.06±0.25μm。目前人类神经组计划所处的状况与10年前人类基因组计划所处的状况十分相似，许多文献只研究人脑中感兴趣的局部神经元核团的定量计测，还没有从人脑的整体进行人类神经组的研究。
　　目前，研究人类神经元定量计测的方法和技术已相当成熟，问题是何时启动。
　　要研究人脑的复杂功能，首先要对人脑的组构及联系有一个全面的了解。
　　目前，研究人脑神经元的定量计测的方法和技术已经相当成熟，特别是引入体视学和计算机图像自动分析技术，可大大提高数据处理的速度和精度。例如，通过测定连续切片中脑的重要结构的面积，即可求得其体积。人脑一些重要结构的体积为：大脑皮质700（单位为毫升，下同）、胼胝体11.6、尾状核5.2、壳核5.1、丘脑5.0、内囊2.7、苍白球1.8、海马1.7、黑质0.7、杏仁核0.4、齿状核0.3、前连合0.2、红核0.2、外膝体0.1、内膝体0.1、乳头体0.06。应用测厚显微镜测定不同部位的神经元的密度或神经纤维的数目，即可求得人脑的重要结构的神经元或神经纤维的总数。由此可见，人类神经组计划的可行性是不成问题的，问题是何时启动。我们认为，人类神经组计划目的是全面定量地测量人脑的全部结构，其必要性是显然的。人脑是一个复杂的功能系统，了解复杂系统的全部结构是了解复杂功能的必由之路。这正像要了解人类基因组的复杂机能，必需先对全部30亿个碱基对进行全面测序及结构分析那样。
　　目前在文献中已有许多有关大脑局部结构的定量计测结果及功能的研究，利用因特网这一先进信息技术，将已有的文献结果，按一定数据结构系统将神经结构信息的数据进行全面采集、浓缩、归类、排列、编码，组成人类神经组织结构信息的大框架，这是实现人类神经组计划的第一步。其次，再找出哪些部分是缺项数据，再做进一步研究，予以填平补齐，逐渐完成比较系统的人类神经组数据库，以供全人类进行检索。人类神经组计划与人类基因组计划相比，其难度及工作量更大。如今，中国科学工作者提出人类神经组计划，本身就是一个巨大的挑战，我们不应再丧失这样难得的机会。
　　人类神经组计划是一个多学科交叉的庞大的生命科学系统工程，其最终目标是阐释思维与意识的本质。
　　人类脑计划的起源可追溯到20世纪80年代早期，当时美国一些神经科学家与计算机科学家已酝酿成立“国家神经回路数据库”。1993年，Huerta等人提出制定人类脑计划的建议，进行健康脑和病理脑的分子、细胞、回路和系统的完整构图工作，并开发用于获取、存储、分类、管理、分析、整合和传播神经科学研究数据的新技术。人类脑计划最初的思路主要是将各个神经科学实验室的研究资料进行整合，实现资源共享，形成一个开放的数据库。但直至目前还没有形成一个有预定目标，有一定时间日程的研究计划。人类脑计划也包括有关物种，如无脊椎动物、鱼、蛙、鸟、鼠、猫和非人灵长类等。还有一些计算机科学家则研究数据的咨询与提取、数据库工具和电子整合工具以及大脑的计算机模型、仿真与模拟等。
　　人类脑计划包括神经目标和信息目标两部分，例如Neurozoom计划是开发图像处理软件包，主要是对整脑或局部脑区常规光学或共聚焦显微镜宏观测量的神经元及其连接到亚显微水平的细胞器、突触与树突棘进行结构验证与显微定量测定。Harris的“脑内突触三维结构与功能”项目则是开发连续电镜切片的成像、分析与三维重建软件以及研究突触的结构与功能及其可塑性等。Maziotta的“人脑概率参考系统”是根据fMRI和PET图像的功能变化与定量测定的，可检查正常和病理人脑显微及宏观组织结构、化学结构及功能相互关系的多样性，并建立脑疾病患者的概率图谱。Bower的“模拟式神经元数据库”是一种建立神经模拟系统的软件，用于检验使用数据库的精度与相关性，这类神经模拟系统对于了解神经元及神经网络的功能组构有重要意义。
　　人类脑计划与神经信息学的关系十分密切，神经信息学是脑科学、信息科学和计算机科学互相交叉的边缘学科，是研究神经系统信息的载体形式。神经信息学还包括各类神经数据的获得、建库、分发、利用以及解释等内容。目前，人类脑计划和神经信息学的研究已逐步走向全球化。1996年，以美国为首包括英、法、德、日、俄等21国参加的科学论坛上，建立了全球性神经信息学工作组。该组织主要从事开发神经信息学适用的设备与通讯网络，建立神经系统从分子到行为水平的所有复杂性与组构的数据库，并开展理论和计算的脑功能建模与仿真模型，以进一步了解脑的功能活动。目前，中国科学家已经参加人类脑计划工作，成为人类脑计划工作中的一个正式成员。
　　人类神经组计划是一个庞大的生命科学系统工程，需要通过全球科学家的全力合作，有计划有步骤地开展才能成功。目前国际上已有的人类脑计划、人类全脑图谱及可视人体计划等，虽然也提供了一定量的人脑结构的数据，但相比之下，人类神经组计划的内容要更丰富、更全面、更细致。人类神经组计划主要的目的是对脑进行计测，这是人类认识脑的必要一步。从长远看，后神经组计划，即功能神经组计划将具体解释1000亿个神经元的运作规律，以阐明思维与意识的本质。这也许是人类最艰巨，也可能是最具吸引力的任务。