02　全腦神經(jīng)成像與虛擬現(xiàn)實(shí)

米沙·阿倫斯（Misha B. Ahrens）

系統(tǒng)與計算科學(xué)家，霍華德·休斯醫(yī)學(xué)研究所研究員

從歷史上看，研究者一直以小塊區(qū)域為單位對大腦進(jìn)行研究，比如他們會記錄單個或一小群神經(jīng)元的活動。因此，過去我們很難將小型網(wǎng)絡(luò)層面的大腦發(fā)現(xiàn)聯(lián)系到依賴全腦機(jī)制的功能上。近期，有些項目正在嘗試同時記錄更多神經(jīng)元的活動，這是全面了解大腦工作原理的重要步驟，也是全面了解幾十億個神經(jīng)元做出的計算如何構(gòu)成大腦整體功能的重要步驟。這篇文章展示了我們是如何實(shí)現(xiàn)對脊椎動物斑馬魚幼體的整個大腦進(jìn)行成像的。

在解釋如何做到這件事之前很重要的一點(diǎn)是，先要了解為什么完成所有神經(jīng)元的成像并不足以讓我們徹底認(rèn)識大腦的功能。孤立地觀察大腦活動會忽視它的物質(zhì)背景：大腦是身體的一部分，身體具有它自己的動態(tài)變化，而身體又處在遵循自然法則的物質(zhì)環(huán)境中。大腦中的神經(jīng)元相互之間存在著大量的連接，而大腦的輸出則通過環(huán)境直接反饋回大腦，因為大腦的“決定”所引發(fā)的行為會改變身體的形態(tài)和外部環(huán)境，由此引起新的感覺輸入，大腦又會再次對它們進(jìn)行加工，這就形成了所謂的感覺運(yùn)動循環(huán)。這種循環(huán)很重要，例如，人開始行走的決定所引發(fā)的視覺輸入的加工方式，會不同于沒有這個決定時相同的視覺輸入的加工方式。從這個意義上說，我們最好把認(rèn)識大腦看作一個全盤性的問題，即把大腦、身體和環(huán)境看成一個整體，去認(rèn)識這個完整的動態(tài)系統(tǒng)。

在某些情況下，雖然沒有全盤視角，只是嚴(yán)格按照從下而上的方式進(jìn)行研究，但我們依然能產(chǎn)生對神經(jīng)功能合理的理解。例如，我們在認(rèn)識視網(wǎng)膜、嗅球、初級視皮層和外周聽覺系統(tǒng)上已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展。如今在某種程度上，人工耳蝸移植已經(jīng)成為可能，它能使耳聾的人聽到聲音（見主題6中的第19章）。然而，解決感覺輸入、記憶與動作之間的相互作用等問題的最佳途徑就可能是研究整個大腦了，包括研究所有的感覺輸入、所有神經(jīng)元的活動、所有運(yùn)動輸出和從運(yùn)動輸出返回感覺輸入的回路等。

在與弗洛里安·恩格勒特（Florian Engert）、菲利普·凱勒（Philipp Keller）及其他人的合作項目中，基于對昆蟲和哺乳動物的研究，也基于顯微鏡學(xué)的發(fā)展，我們建立了兩個實(shí)驗系統(tǒng)，從而可以開始對脊椎動物斑馬魚的動態(tài)神經(jīng)系統(tǒng)進(jìn)行整體研究。這項技術(shù)的第一部分是通過虛擬現(xiàn)實(shí)為神經(jīng)系統(tǒng)創(chuàng)建虛擬環(huán)境。由于斑馬魚的腦袋會待在原地不動，因此我們記錄其神經(jīng)元的活動變得很方便。這項技術(shù)的第二部分讓我們能夠記錄斑馬魚大腦中的幾乎每一個神經(jīng)元。斑馬魚的大腦總共有10萬個神經(jīng)元，我們能用技術(shù)記下8萬個。總之，對斑馬魚生活環(huán)境和神經(jīng)活動的詳盡測量有望使我們洞察迄今為止還無法了解的大腦神經(jīng)功能。

關(guān)閉感覺運(yùn)動循環(huán)

許多行為，比如行走或飛翔取決于實(shí)時的大腦反饋，并且行為會基于反饋?zhàn)龀龈淖儭Ｒ孕凶邽槔绻粋€人絆了一跤，他便會根據(jù)前庭系統(tǒng)和視覺系統(tǒng)的反饋來調(diào)整自己的步子。為了全面研究“行走”這個行為，完整動態(tài)體系中的另一個部分，即大腦與環(huán)境之間的關(guān)系便需要被納入實(shí)驗設(shè)計中來。

從20世紀(jì)60年代以來，研究者一直在將這類大腦的實(shí)時反饋納入對昆蟲行為的研究中。比如，卡爾·戈茨（Karl G?tz）和馬丁·海森堡（Martin Heisenberg）等科學(xué)家便創(chuàng)建了研究蒼蠅行為的實(shí)驗系統(tǒng)，實(shí)驗中蒼蠅被粘在一根細(xì)電線上，這樣蒼蠅還可以扇動翅膀。研究者用一個敏感的扭力儀測量蒼蠅在試圖轉(zhuǎn)向左邊或轉(zhuǎn)向右邊時微小的旋轉(zhuǎn)力量，來自扭力儀的信號被用來旋轉(zhuǎn)一面鼓，這樣蒼蠅的視覺模式就會轉(zhuǎn)向相反的方向。通過這種方式，靜止的蒼蠅就得到了真實(shí)的視覺反饋，這和它們自由飛行時得到的反饋是一樣的。事實(shí)上，這就形成了蒼蠅的虛擬現(xiàn)實(shí)飛行。這項研究的目的不是為了騙蒼蠅相信它們在自由地飛行，而是為了了解它們行為的細(xì)節(jié)，并最終了解大腦是如何控制動物行為的。最近，研究者將這種方法又向前推進(jìn)了一步，他們開始記錄置于這種閉環(huán)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的動物的大腦。他們讓動物的頭部保持靜止不動，這樣比較容易通過顯微鏡和電極來獲得神經(jīng)記錄。在戴維·湯克（David Tank）和其他人的研究中，小鼠在三維的虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中奔跑，研究者監(jiān)控它們處理空間位置或進(jìn)行決策加工的神經(jīng)元活動。

在研究斑馬魚幼體時，我們采用了略微不同的方法——使用了癱瘓的動物。在這種實(shí)驗準(zhǔn)備中，它們的腦袋完全處于靜止?fàn)顟B(tài)，因此很容易被記錄或被操縱。如果實(shí)驗?zāi)康氖茄芯可眢w、大腦和環(huán)境如何動態(tài)地相互作用，那么如何為癱瘓的動物創(chuàng)造出虛擬的現(xiàn)實(shí)環(huán)境呢？我們使用的麻痹方法只會影響它的神經(jīng)元與肌肉的連接，而其中樞神經(jīng)系統(tǒng)和脊髓仍能發(fā)揮作用，這樣斑馬魚發(fā)送給尾巴肌肉的神經(jīng)指令依然完好無損。我們可以記錄并解釋這些神經(jīng)元的活動，由此發(fā)現(xiàn)動物的意圖。這類似于《黑客帝國》中的人物利用來自大腦的記錄在虛擬世界中穿行的方式。

當(dāng)來自斑馬魚尾部的神經(jīng)記錄通過一個聲音放大器后，形成了“噼噼叭叭”的聲音，并且聲音還具有隨意游動的魚的尾部那樣一起一伏的節(jié)奏。這些信號可以被轉(zhuǎn)化為虛擬的游動信息，推動動物穿行于虛擬環(huán)境中，而制造虛擬環(huán)境的則是動物身體下方的投影儀。這樣，我們便準(zhǔn)備好記錄動物做動作時其大腦的活動了。既然行為的產(chǎn)生依賴于感覺系統(tǒng)、運(yùn)動系統(tǒng)以及兩者之間的所有連接，那么接下來的問題是：我們該記錄哪個腦區(qū)？在對斑馬魚幼體的研究中，我們采用的方法是盡量同時記錄所有的神經(jīng)元活動。

全腦神經(jīng)元成像

斑馬魚幼體具有幾項實(shí)驗優(yōu)點(diǎn)，神經(jīng)科學(xué)家最近已開始利用這些優(yōu)點(diǎn)了，這也使我們能夠用顯微鏡來記錄斑馬魚的幾乎所有神經(jīng)元活動。斑馬魚大約一周大的時候非常活躍，會到處游動，做出探索、覓食和簡單的學(xué)習(xí)行為。它們的大腦很小，包含大約10萬個神經(jīng)元。相對于哺乳動物的大腦，斑馬魚幼體的大腦更容易被研究。另外，它們的大腦結(jié)構(gòu)與人類的大腦結(jié)構(gòu)有許多相似點(diǎn)。最重要的一點(diǎn)是，斑馬魚是透明的，進(jìn)化中的某種變異使得它們的皮膚缺乏色素，這樣光學(xué)顯微鏡便能夠穿透到它們大腦的最深層，因此能夠?qū)λ鼈兘^大部分的神經(jīng)元進(jìn)行成像。此外，斑馬魚是遺傳學(xué)模式生物，它可以表達(dá)所有神經(jīng)元或神經(jīng)元子集中經(jīng)遺傳加工處理過的蛋白質(zhì)。

大腦新趨勢

在最近20年中，科學(xué)家創(chuàng)造了一些蛋白質(zhì)，它們能夠通過鈣依賴熒光試劑來報告神經(jīng)活動。這樣，當(dāng)一個神經(jīng)元被激活向另一個神經(jīng)元發(fā)出信號時，細(xì)胞內(nèi)的這類蛋白質(zhì)就會亮起來。通過這種方式，科學(xué)家利用光學(xué)顯微鏡便能在細(xì)胞水平上測量神經(jīng)活動。另外，使用光遺傳學(xué)工具，研究者可以通過操縱不同顏色的光來讓個別神經(jīng)元變得興奮或變得沉寂，從而擾亂神經(jīng)活動。由于斑馬魚幼體是透明的，而且其大腦較小，因此基本上可以對它的每個神經(jīng)元進(jìn)行這樣的操作。

在各種顯微技術(shù)中，一種相對快捷，同時能保持亞細(xì)胞級空間分辨率的技術(shù)是光片照明顯微技術(shù)。這種技術(shù)背后的原理是，對需要成像的組織進(jìn)行“光學(xué)切割”。這意味著實(shí)驗中每次只有一個薄片樣本被照亮，而其他部分依然是黑暗的。

我們和其他研究者最近提高了光片照明顯微鏡的工作速度，這樣它便能被應(yīng)用到神經(jīng)科學(xué)研究上。我們制造了新的光片照明顯微鏡，它的工作速度足夠快，能夠?qū)Π唏R魚幼體的大腦中大部分的神經(jīng)元進(jìn)行成像，并追蹤其活動。實(shí)現(xiàn)對斑馬魚幼體的大約8萬個神經(jīng)元每秒鐘進(jìn)行若干次測量。

現(xiàn)在我們可以對斑馬魚整個大腦中神經(jīng)元之間的相互作用進(jìn)行研究了，探查其神經(jīng)元群組是如何“協(xié)同工作”的。我們第一次對活著的斑馬魚幼體大腦的神經(jīng)動態(tài)進(jìn)行了觀察，在斑馬魚自由地游動時測量了它整個大腦的神經(jīng)活動。結(jié)果表明，斑馬魚的大腦非常活躍，就像是一個活動的海洋被呈現(xiàn)了出來，其中包括緩慢發(fā)展的神經(jīng)活動、突然的閃光，有時還會爆發(fā)一陣大腦功能協(xié)調(diào)的神經(jīng)活動（見彩圖2a）。

理解復(fù)雜的全腦數(shù)據(jù)

通過研究獲得的大腦數(shù)據(jù)集非常龐大，由此產(chǎn)生了一個新的挑戰(zhàn)：我們?nèi)绾卫斫膺@樣龐大的神經(jīng)活動“叢林”呢？盡管神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的通信方式非常復(fù)雜，但大多數(shù)的基礎(chǔ)神經(jīng)活動都可以由一個神經(jīng)元反射給另一個神經(jīng)元。因此，如果一個神經(jīng)元非常活躍，其他神經(jīng)元也會非常活躍。我們搜尋的是在某一時刻一起變得活躍起來，而在另一個時刻又一起沉寂下去的神經(jīng)元群體。通過比較簡單的算法我們便能找到這類神經(jīng)元群體：在這個神經(jīng)活動的“叢林”中，后腦的兩個神經(jīng)元群體顯現(xiàn)了出來，每個群體中的一組神經(jīng)元都表現(xiàn)出了與另一群體中的神經(jīng)元有強(qiáng)烈的相關(guān)關(guān)系或強(qiáng)烈的反相關(guān)關(guān)系。這兩個群體具有界線清晰的解剖結(jié)構(gòu)。其中一個群體包含6個緊密地擠在一起、對稱排列的神經(jīng)元簇；另一個群體包含兩個由細(xì)胞體排列組成的神經(jīng)束（見彩圖2b，兩個神經(jīng)元群體分別為綠色和紫紅色）。在神經(jīng)活動的一團(tuán)混亂中，這些神經(jīng)元集合似乎在進(jìn)行著密切的通信，未來，我們有望發(fā)現(xiàn)它們通信的目的。

從原則上講，目前我們有可能研究大腦中從感覺輸入到行為輸出這整個的感覺-運(yùn)動轉(zhuǎn)換以及學(xué)習(xí)過程。這項研究非常重要，因為特定的大腦功能無法被分解，我們需要在整個大腦的層面上對其進(jìn)行研究。以人們調(diào)整走路方式避免被突然刮來的一陣大風(fēng)刮倒為例。一個合理的描述機(jī)制應(yīng)該是這樣的：大腦中控制運(yùn)動的回路產(chǎn)生了行走節(jié)奏，在這里我們稱之為一個運(yùn)動程序；大風(fēng)刮到了我們身上，皮膚中的感受器向大腦發(fā)出信號；大腦負(fù)責(zé)平衡感的前庭系統(tǒng)感知到身體位置突然發(fā)生了意外的改變，隨后大腦視覺系統(tǒng)和前庭系統(tǒng)向運(yùn)動系統(tǒng)發(fā)出改變運(yùn)動程序的信號。來自大腦更高層級的認(rèn)知會確保行走行為的改變不會讓人忘記原本要走的路，直到大風(fēng)過去。由于多個控制系統(tǒng)分布在大腦的許多腦區(qū)中，因此我們確實(shí)應(yīng)該在整個大腦的層面上進(jìn)行研究。這個原則同樣適用于其他許多問題：比如，一大群神經(jīng)元如何協(xié)調(diào)才能傳達(dá)視覺環(huán)境中的一個重要特征；再比如，當(dāng)氣味信號顯示有食物并將魚引向氣味的來源時，魚的整個大腦會做出怎樣的反應(yīng)。從更廣泛的范疇來說，全腦技術(shù)研究的是大腦的本質(zhì)，即大腦的所有組成部分之間都存在著直接或間接的通信關(guān)系。

大腦的未來

雖然我們已經(jīng)準(zhǔn)備好要測量許多過去未知的變量，比如，測量整個大腦中的活動、行為反應(yīng)以及感覺反饋的所有細(xì)節(jié)，但目前面臨的挑戰(zhàn)依然很多。最重要的一個挑戰(zhàn)可能是，研究者必須確定要尋找什么，也就是尋找大腦在解決什么問題。現(xiàn)實(shí)或虛擬現(xiàn)實(shí)的哪些方面對動物來說很重要？動物會采取什么行動來應(yīng)對面臨的挑戰(zhàn)？要確定大腦做了什么，在哪種情境中產(chǎn)生了什么行為，必須與研究大腦是如何做出決定的同時進(jìn)行。

接下來，當(dāng)通過一系列實(shí)驗得出了適用的數(shù)據(jù)后，我們應(yīng)該怎么處理這些數(shù)據(jù)？在實(shí)驗室里，我們的目標(biāo)是了解斑馬魚幼體的大腦如何執(zhí)行與行為有關(guān)的計算。盡管相對于研究人類大腦的工作原理，研究甲殼綱動物由30個細(xì)胞組成的神經(jīng)系統(tǒng)可能簡單得多，但經(jīng)過幾十年的研究后，我們依然能從這個系統(tǒng)中得到有關(guān)神經(jīng)系統(tǒng)功能的新見解，并且我們還會對結(jié)果感到很吃驚。可以確定地說，我們還沒有完全搞明白這個由30個細(xì)胞構(gòu)成的神經(jīng)系統(tǒng)。這說明，研究一個由10萬個神經(jīng)元組成的大腦系統(tǒng)將是多么大的挑戰(zhàn)！我們?nèi)绾文軓倪@么多的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)記錄中總結(jié)出大腦功能的原理呢？計算神經(jīng)科學(xué)家，比如我們的合著者杰里米·弗里曼就正在積極地尋找分析這些大數(shù)據(jù)集的方法。獲得的數(shù)據(jù)越多，我們確定的模型就會越準(zhǔn)確。從現(xiàn)實(shí)意義上看，全腦成像與行為研究以及計算神經(jīng)科學(xué)是非常完美的搭檔。

從技術(shù)的角度來說，這種測量神經(jīng)元活動的方法相對于神經(jīng)元毫秒級的通信來說是比較慢的，因為目前每個神經(jīng)元大約每1秒鐘只被觀察1次。為了觀察神經(jīng)元如何在毫秒級別內(nèi)進(jìn)行通信，我們有必要通過改進(jìn)或開發(fā)新的顯微技術(shù)來提高速度。我們還有必要改進(jìn)基因編碼的傳感器。

測量神經(jīng)活動當(dāng)然不足以了解整個神經(jīng)系統(tǒng)。對于有關(guān)大腦功能的觀察數(shù)據(jù)，我們只能進(jìn)行機(jī)械的解釋。考慮到單個神經(jīng)元的行為是神經(jīng)元活動海洋中的一部分，因此我們是否能根據(jù)神經(jīng)元的集體活動來解釋單個的神經(jīng)元呢？為了縮小這個問題的范圍，真正了解神經(jīng)元的通信方式，我們必須知道神經(jīng)元與神經(jīng)元之間連接的屬性。利用基因技術(shù)和電子顯微鏡技術(shù)我們可以得到這類解剖結(jié)構(gòu)信息，從而讓我們的理解變得完整。最后，擾亂這個動態(tài)系統(tǒng)，而不只是觀察它，也是理解這個系統(tǒng)的必要方式。我們能否建立一個大腦工作原理的概念模型和預(yù)測模型，繼而預(yù)測一組神經(jīng)元突然靜止不動時會做些什么呢？這類假設(shè)想要得到檢驗，就要利用諸如光敏感通道和嗜鹽菌視紫紅質(zhì)這類光遺傳學(xué)工具。當(dāng)神經(jīng)元被不同顏色的光照射時，嗜鹽菌視紫紅質(zhì)這類工具能讓神經(jīng)元變得興奮或變得沉寂，而且它們已經(jīng)被用在了一系列對大象的研究中。這些研究的目的是：發(fā)現(xiàn)根據(jù)基因或根據(jù)解剖結(jié)構(gòu)界定的神經(jīng)元群體之間有什么因果作用。

大腦是在動態(tài)環(huán)境中進(jìn)化出來的器官，這個環(huán)境包含身體和外部世界；大腦也是神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)的第一個響應(yīng)者，其響應(yīng)時間為100毫秒，其他器官的響應(yīng)速度比大腦慢多了。“了解大腦功能”的意圖一部分取決于提出問題的研究者，但更多的可能是，想要全面了解大腦就需要我們在各種不同的層面上進(jìn)行研究。為了搞明白構(gòu)成大腦的基礎(chǔ)材料如何產(chǎn)生了網(wǎng)絡(luò)化的功能，我們需要了解分子機(jī)制和單個神經(jīng)元的動力學(xué)。相比之下，為了搞明白基礎(chǔ)材料如何形成了比各個部分之和更了不起的整體，我們需要全面的大腦功能理論。希望以上我所描述的全局性的方法有助于大家構(gòu)建出一個全面的大腦功能理論。