走進(jìn)腦與認知科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗室

　　喜迎十八大·走進(jìn)國家重點(diǎn)實(shí)驗室

　　在電影《阿凡達》中，地球人培育了許多形似潘多拉星球土著(zhù)的肉身(阿凡達)，并且通過(guò)“靈感鏈接器”把地球人的精神傳入阿凡達中，使之成為“第二肉身”。這樣的技術(shù)未來(lái)能成真嗎?

　　秋日的一個(gè)周末，記者走進(jìn)了探索腦與認知科學(xué)奧秘的腦與認知科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗室。

　　“認知顯微鏡”：促進(jìn)神經(jīng)科學(xué)與臨床診斷

　　中科院生物物理研究所紅白相間的樓群背后，一處不大起眼的平房屬于腦與認知科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗室。

　　和以往采訪(fǎng)的實(shí)驗室不太一樣，這里沒(méi)有一排排的瓶瓶罐罐。略顯狹長(cháng)的過(guò)道兩旁是一間間隔好的小房間，房間里最主要的設備就是一臺臺電腦。房間的墻壁布有吸音材料，頂部設有通風(fēng)裝置，房間的燈可以根據實(shí)驗需要調節明暗度。

　　腦成像技術(shù)的不斷突破對腦與認知科學(xué)發(fā)展的影響，好比望遠鏡之于天文學(xué)。

　　實(shí)驗室研究員卓彥向記者重點(diǎn)介紹了一臺超高場(chǎng)強(7特斯拉，即7T)磁共振成像系統的大家伙。

　　這是中科院生物物理所2010年引進(jìn)的磁共振成像設備，是我國首臺、亞洲第二臺人體全身超高場(chǎng)強磁共振成像系統。

　　4年前，記者第一次走進(jìn)這個(gè)國家重點(diǎn)實(shí)驗室時(shí)，當時(shí)還是以3T功能磁共振成像系統為核心的、與多種成像裝置結合的腦成像研究平臺。

　　“這臺裝置的強磁場(chǎng)可以提供比3T高一倍多的信噪比，成像更加銳利，觀(guān)測腦部的細微結構更加清晰�！币慌缘耐醪ǜ毖芯繂T告訴記者，當病人進(jìn)入室內，平躺著(zhù)被送入直徑達60厘米的腔體中時(shí)，王波會(huì )在一墻之隔的另一間房子里，通過(guò)電腦操作各種設備，對腦部有針對性地開(kāi)展視覺(jué)刺激呈現和反應信號同步記錄等。

　　他將這臺設備比喻為“認知顯微鏡”，通過(guò)它在活體上實(shí)時(shí)觀(guān)測大腦活動(dòng)，探測到過(guò)去無(wú)法探測到的功能信號，結構分辨率從3T時(shí)的約0.4毫米提高到接近0.1毫米水平，甚至能清晰地看到細小的靜脈。

　　“通過(guò)該設備的檢查結果，能看到神經(jīng)外科患者的哪些腦組織是有功能的。醫生在手術(shù)中可有針對性地避開(kāi)這塊區域，從而讓患者手術(shù)后不僅能活下來(lái)，還能活得好�！蓖醪ㄒ砸粋�(gè)“術(shù)前功能定位”的例子，描述了功能成像技術(shù)的進(jìn)步對臨床醫學(xué)的影響�！澳壳皩�(shí)驗室和北京的天壇、宣武、同仁等大型醫院都在開(kāi)展合作，成效已初現端倪�！�

　　從斑馬魚(yú)到果蠅：放射狀的研究路線(xiàn)圖

　　實(shí)驗室的墻上，除了實(shí)驗室發(fā)表的優(yōu)秀論文，最吸引人的是一張呈放射狀的研究線(xiàn)路圖。

　　“當前，生命科學(xué)已經(jīng)走到了一個(gè)新的十字路口。在這個(gè)十字路口上，包括我們在內，大家都越來(lái)越關(guān)注和智力起源相關(guān)的腦與認知科學(xué)�！弊繌└嬖V記者，這張圖的起源，要追溯到1982年11月，實(shí)驗室前主任陳霖院士在《科學(xué)》上發(fā)表的一篇論文文章。

　　在那篇文章里，陳霖首次提出了拓撲性質(zhì)知覺(jué)理論，向近代占統治地位的“由局部性質(zhì)到大范圍性質(zhì)”的理論提出挑戰。30年來(lái)，他和團隊用令人信服的實(shí)驗不斷完善和論證這一假說(shuō)，使之成為具有世界影響力的理論，我國的認知科學(xué)研究也越來(lái)越受到世界認可。如今陳霖和他的團隊已經(jīng)把這個(gè)理論應用到注意、記憶、意識乃至情緒等不同認知層次的研究，進(jìn)一步地把科學(xué)問(wèn)題凝練成“認知的基本單元”這個(gè)看似簡(jiǎn)單、實(shí)則內涵異常豐富的問(wèn)題。

　　“所有這些問(wèn)題，都可以在眼前這張圖上表現出來(lái)�！备毖芯繂T周可將手指向墻上的這張圖，“這其實(shí)是一個(gè)動(dòng)態(tài)的網(wǎng)頁(yè)系統，在電腦上用鼠標點(diǎn)擊就會(huì )打開(kāi)某個(gè)課題的網(wǎng)頁(yè)，里面詳細記錄了課題的研究?jì)热�、研究目標、研究計劃、研究進(jìn)度以及目前遇到的困難等信息。點(diǎn)擊課題之間的連線(xiàn)，就能了解這兩個(gè)課題之間的相互聯(lián)系�！敝芸烧f(shuō)，每個(gè)研究者都能夠通過(guò)路線(xiàn)圖清楚地了解整個(gè)實(shí)驗室的最新研究進(jìn)展和發(fā)展態(tài)勢，隨時(shí)拓展自己的研究方向。

　　在中科院生物物理所主樓的實(shí)驗室里，厚厚的窗簾擋住了外面的陽(yáng)光，昏暗的臺燈下，副研究員劉祖祥正在對斑馬魚(yú)進(jìn)行眼動(dòng)和似動(dòng)反應實(shí)驗。

　　劉祖祥從事的也是視知覺(jué)研究，他的重點(diǎn)是動(dòng)物的視知覺(jué)，比如漂亮的斑馬魚(yú)。由于斑馬魚(yú)成魚(yú)晝夜節律明顯，對光反應強烈，因此可以很容易地使用行為學(xué)實(shí)驗手段對其視覺(jué)功能進(jìn)行檢測。

　　實(shí)驗室里，約兩厘米長(cháng)的成年斑馬魚(yú)被固定在培養皿中，運動(dòng)的光柵等視覺(jué)刺激由微型投影機投射到培養皿外一個(gè)半圓的屏幕上。頂蓋是魚(yú)腦中高度發(fā)達的部分，在斑馬魚(yú)頭上不過(guò)芝麻大小的頂蓋范圍內，劉祖祥需要在前后左右方向鉆4個(gè)孔，對魚(yú)實(shí)現局部麻醉，以考察頂蓋對特定視覺(jué)功能的作用。

　　“基本是個(gè)外科手術(shù)�！眲⒆嫦榇蛄藗�(gè)形象的比方。

　　與斑馬魚(yú)相比，果蠅是一種有百年歷史的經(jīng)典模式動(dòng)物。人類(lèi)疾病相關(guān)的基因中大約75%在果蠅中具有同源基因，并且在神經(jīng)疾病的發(fā)生和病癥上，都與哺乳動(dòng)物有高度相似性。因此，果蠅成為研究基因—細胞—神經(jīng)環(huán)路—腦功能—腦疾病的理想模型。

　　腦與認知科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗室有一個(gè)很有特色的果蠅研究團隊，團隊帶頭人郭愛(ài)克院士于上世紀90年代就開(kāi)始了果蠅視覺(jué)學(xué)習記憶的研究。

　　“就是用這套設備，郭先生在《科學(xué)》雜志上已經(jīng)發(fā)表了3篇重要論文，確定了領(lǐng)域內獨樹(shù)一幟的地位�！毖芯繄F隊李巖研究員向記者重點(diǎn)介紹了飛行模擬器系統，“這是一種操作式學(xué)習記憶，果蠅能夠選擇飛行區域，類(lèi)似于飛行員訓練時(shí)的模擬飛行，通過(guò)將懲罰區域與圖形線(xiàn)索結合起來(lái)，我們就能夠訓練果蠅對視覺(jué)圖形的記憶�！�

　　此外，劉力研究員與龔哲峰副研究員等做的研究分別發(fā)表在《自然》和《科學(xué)》雜志上，揭示了果蠅視覺(jué)學(xué)習和光感受兩個(gè)方面的精細神經(jīng)環(huán)路。

　　李巖說(shuō)，隨著(zhù)國家對科研投入的不斷增加，實(shí)驗室還建立了果蠅嗅覺(jué)學(xué)習記憶，睡眠節律和求偶的行為學(xué)范式。

　　嗅覺(jué)學(xué)習記憶實(shí)驗是在一間暗室中進(jìn)行的。

　　“拉上窗簾是為了避免光線(xiàn)干擾，做嗅覺(jué)實(shí)驗時(shí)，視覺(jué)刺激會(huì )干擾果蠅行為反應，結果就不準確�！崩顜r解釋說(shuō)。暗室旁邊幾個(gè)類(lèi)似立式冰柜的箱子是研究果蠅睡眠節律的實(shí)驗儀器，里面有紅外監測果蠅24小時(shí)的活動(dòng)性。

　　為了深入研究行為學(xué)的神經(jīng)機制，李巖在實(shí)驗室建立了分子遺傳學(xué)和光學(xué)成像平臺�！袄�用果蠅，理解神經(jīng)發(fā)育、腦工作原理，乃至疾病的發(fā)生和防治，最終造福人類(lèi)�！崩顜r說(shuō)，這是基礎科研工作者的最終愿望。

　　《阿凡達》：也許有一天不再是神話(huà)

　　電影《阿凡達》中的技術(shù)未來(lái)能成真嗎?

　　當記者拋出這個(gè)疑問(wèn)時(shí)，王波說(shuō)，要實(shí)現這樣的奇跡，要有人造大腦，還要能使它和另一個(gè)大腦同步更新。前者似乎不算太難，因為實(shí)驗已經(jīng)證明，人的記憶與電腦計算有相同原理，因此可以用計算機模擬出有記憶的大腦。只是假如有了人造大腦，要想讓它和真人大腦同步更新，就需要精確記錄腦活動(dòng)的每一個(gè)細節。但現有技術(shù)水平離此目標還有一段距離。

　　“一方面，目前對大腦活體的整體觀(guān)察，精細程度在毫米級別;另一方面，用微電極研究單個(gè)神經(jīng)元的成果，還不能跟宏觀(guān)層面的理論對接。因此科學(xué)家對大腦的監測，還在不斷的探索中�！蓖醪ㄕf(shuō)，“闡明大腦活動(dòng)的所有宏觀(guān)和微觀(guān)原理，這是我們努力的目標�！�

　　隨著(zhù)腦與認知科學(xué)的發(fā)展，也許有一天，“阿凡達”不再僅僅是一個(gè)銀幕神話(huà)。

　　其實(shí)，如今腦與認知科學(xué)的發(fā)展正在滲透到科學(xué)研究和日常生活的方方面面。卓彥說(shuō)，比如在教育學(xué)上，一位實(shí)驗室的合作伙伴在其研究中發(fā)現，中國人的語(yǔ)言區靠近運動(dòng)區，而西方人是靠近聽(tīng)覺(jué)區，所以中國人在“寫(xiě)”中學(xué)，而西方人更傾向于在“聽(tīng)”中學(xué)，這一研究對設計教學(xué)方案有重要啟示。先進(jìn)的功能成像技術(shù)的另一個(gè)重要應用是在醫學(xué)方面，突破了只能發(fā)現器質(zhì)性病變的局限，隨著(zhù)研究的深入，某些功能異常也能被觀(guān)察到，為包括老年癡呆癥等的各種神經(jīng)系統疾病的早期發(fā)現帶來(lái)希望。

　　“我們希望為同行提供一個(gè)和國際接軌的平臺，帶動(dòng)一批學(xué)科發(fā)展，不僅僅是認知科學(xué)、神經(jīng)科學(xué)，還有諸如經(jīng)濟學(xué)、教育學(xué)、法學(xué)，甚至軍事科學(xué)這樣一些過(guò)去未曾預料的學(xué)科�！弊繌�對未來(lái)充滿(mǎn)信心。