構建全腦圖譜，知曉魚的“喜怒哀樂”

原標題：構建全腦圖譜，知曉魚的“喜怒哀樂”

春秋戰國時期，兩名思想家莊子和惠子曾經有過一場有趣的對話。庒惠二人出門游玩，過河時看見了橋下河水里的鰷魚。于是莊子感嘆：“鰷魚在水里悠然自得，這是魚的快樂啊（鰷魚出游從容，是魚樂也）。”惠子不同意，反問道：“你又不是魚本人，你怎么知道魚的快樂呢（子非魚，安知魚之樂）？”

2000多年過去了，惠子的這個問題仍然是個難題。因為，在我們對魚的行為（特定的游泳動作）與大腦活動（內心快樂與否）之間的對應關系有客觀的理解之前，回答這個問題只能憑主觀臆斷。

我們有可能知道魚是否快樂嗎？

2013年，美國霍華德休斯醫學研究所的一個研究團隊報道了一項重大突破：他們把熒光轉基因的幼年斑馬魚全身固定住，通過激光片層掃描顯微系統成功追蹤了斑馬魚的全腦神經元實時動態。

但是，實驗中產生信號的神經元，到底是哪些神經元？為什么魚兒在被固定住的情況下，某些腦區會如此活躍，而另一些腦區卻近似靜止？由于沒有全腦圖譜，文章的作者無法進一步推斷魚兒大腦的各部位的功能，以及它們與行為的關系。

想要真正全面地理解大腦，還是需要構建全腦圖譜。

最早認真地去嘗試此事的，是被稱為“神經科學之父”的圣地亞哥·拉蒙-卡哈爾。從1887年開始，卡哈爾利用當時最先進的高爾基染色法把各種動物（包括人的尸體）的大腦樣本切片染色后放到顯微鏡下觀察，并一筆一畫地把神經元臨摹了下來。卡哈爾妙手丹青的畫作，對神經科學產生了巨大的影響（卡哈爾因此獲得了1906年的諾貝爾生理與醫學獎）。今年年初，這些畫作甚至成為紐約的藝術展覽“美麗大腦”中的主角。

但是，一個一個勾畫神經元距離構建“全腦圖譜”仍然很遙遠。大腦是由許許多多的神經元錯綜聯結而構成的。這些錯綜聯結而成的神經元網絡，組成了動物行為的生物基礎。

構建“全腦圖譜”，需要一種能夠同時定位每一個神經元的位置并區分兩個神經元連接處（突觸）的細節的實驗技術。不少神經元與神經元之間的聯結處只有不到10納米，而普通光學顯微鏡的分辨率受光學衍射極限限制無法降到200納米以下。近年來發展迅猛的超分辨熒光顯微技術雖然能把這個極限降低至10納米，卻無法同時從大腦所有區域采樣。

電子顯微鏡技術是通過電子來展示物件的內部或表面的顯微鏡技術。由于顯微鏡的分辨率普遍受其使用的粒子的波長限制（例：光學顯微鏡分辨率受光的波長限制），高速運動的電子波長比可見光波長短，因此電子顯微鏡的分辨率大大優于光學顯微鏡，能看見更細微的結構。

所以，目前只有電子顯微鏡技術能滿足構建“全腦圖譜”的要求：其分辨率為0.2納米，并且能夠以該分辨率同一時間在大腦所有區域采樣。

最近，美國霍華德休斯醫學研究所的Davi Bock研究團隊宣布，他們用透射電子顯微鏡技術解析了一只雌果蠅的全腦圖譜。傳統的電子顯微鏡技術對樣本的體積有嚴格限制——樣本厚度不能超過100納米，而大部分的生物腦組織的厚度都超過100納米。雌果蠅的大腦體積大概為750微米×350微米（750000納米×350000納米）。他們通過改良傳統的電子顯微鏡，研發了一套新的透射電子顯微鏡平臺，成功地將該雌果蠅的大腦切分成7050片，并對每一切片的每一部分拍照，一共收集到2100萬張照片（106TB）。

該團隊選取了果蠅大腦中與學習記憶行為相關的一個腦區（蘑菇體）進行追蹤標記（由于同一個神經元前段和后段可能出現在不同腦切片的照片中），并因此發現了該腦區中一類新的神經元。

果蠅大腦中的其他腦區現在正由世界各地的實驗團隊分別追蹤標記。如果大家感興趣，也可以通過下載原始數據（http://temca2data.org）參與到果蠅大腦神經元標記的工作中來。

Bock團隊報道的果蠅全腦圖譜是神經科學家們最新一次對果蠅全腦圖譜的嘗試。早在2016年年底，由臺灣的江安世教授的課題組、英國謝菲爾德大學的Daniel Coca課題組以及美國哥倫比亞大學的Aurel Lazar研究組組成的跨國研究團隊公布了通過光學顯微鏡收集的果蠅全腦圖譜（其分辨率低于Bock研究組的全腦圖譜）。其全部影像數據可以在“果蠅大腦天文臺”（Fruit Fly Brain Observatory）中找到（http://fruitflybrain.org/）。

作為最常見的模式生物，果蠅曾經為我們對遺傳學與神經科學的認知作出了巨大的貢獻。100多年前，摩爾根通過研究果蠅發現了伴性遺傳規律與著名的三大遺傳定律之一的連鎖與互換定律，并獲得了1933年的諾貝爾獎。去年，研究生物節律行為的3位科學家獲得諾貝爾獎生理與醫學獎，果蠅又是最佳助攻。

Bock團隊的研究，既標志著我們終于具有了構建果蠅的全腦圖譜的能力，也標志著我們對于大腦和對于自我的認知邁出了艱難而重要的一小步。從果蠅的全腦圖譜開始，解析構建包括魚在內更多生物的全腦圖譜，或許逐漸會變成現實。

到那時，關于惠子的問題，我們或許能夠調出魚的全腦圖譜和相關的行為學數據，答：吾非魚，亦知魚之喜怒哀樂。（作者系加州大學圣地亞哥分校博士生孫睿晨）