報道內(nèi)容摘選《學術經(jīng)緯》公眾號：

在最新出版的《科學》雜志上，由麻省理工學院（MIT）和霍華德·休斯醫(yī)學研究所（HHMI）的科學家們領銜的一支團隊，成功對果蠅的完整大腦進行了成像，清晰度達到了納米級！這讓我們能夠看清大腦中，不同的神經(jīng)細胞，乃至蛋白質(zhì)在空間上的相對分布，對基礎科研有著極為重要的意義。

本研究的通訊作者之一是MIT的知名科學家Edward S。 Boyden教授。他最初因在光遺傳學上的研究而聞名于世，最近幾年則在大腦成像領域有著諸多突破性的貢獻。2015年，他獲得了有“科學界奧斯卡”之稱的“科學突破獎”（Breakthrough Prize）。2018年，他也獲得了有諾貝爾風向標稱號的蓋爾德納獎。

在2015年左右，Boyden教授團隊向解析大腦的高清結(jié)構發(fā)起了沖鋒，目標是理清大腦在細胞、乃至蛋白層面上如何進行組合。為了實現(xiàn)這一目標，科學家們開發(fā)了一種看起來很有趣的研究方法：他們首先往大腦組織樣本中注射一種膠狀物質(zhì)，隨后讓這些凝膠吸水膨脹，把大腦撐開。

從原理上看，這和嬰兒尿布中的材料吸水膨脹，有著異曲同工之妙。

這種看起來簡單的方法，在解析大腦結(jié)構中扮演了重要的角色。在長、寬、高的維度上膨脹擴大2倍，整個體積就會擴大8倍。由于膨脹后的大腦組織更為松散，對其進行顯微觀察就成為了可能。更關鍵的是，大腦樣本中的這些神經(jīng)細胞，相對位置被凝膠所固定，并不會發(fā)生變化。

果蠅大腦的擴大過程（圖片來源：參考資料[1]）

正是因為這一突破，針對特定的大腦細胞或小型大腦區(qū)域，我們已經(jīng)獲得了不少“高清地圖”。

在體積較小的大腦樣本中取得的成功，并不一定能被復制到大型腦組織里。這是因為樣本的體積越大，就越難對深埋其中的特定部分進行成像。如果單純?yōu)榱恕包c亮”而增強光源，還會破壞用于做標記的熒光蛋白。可以說，這是一個兩難。

此外，大型腦組織在膨脹擴大之后，如何對整個結(jié)構進行快速的掃描成像，也就成了一個難題?！拔覀冃枰軌蚩焖俪上?，不會帶來太多光褪色（photobleaching）效應的顯微鏡”，本研究的共同第一作者Ruixuan Gao博士說道。而他們知道，HHMI的Eric Betzig教授課題組中，就有這么一臺高級的顯微鏡。

Betzig教授的顯微鏡叫做“晶格層光顯微鏡”（lattice light-sheet microscope）。它每次只會照亮超級薄的一層樣本，將對樣本的損害降到了最低。此外，它也能快速對樣本進行成像，這正是研究人員們所需要的技術。

Ruixuan Gao博士與另一名共同一作Shoh Asano博士帶去了一些經(jīng)過膨脹擴大的小鼠大腦組織，在晶格層光顯微鏡下進行觀察。通過結(jié)合“擴大顯微技術”和“晶格層光顯微技術”，他們看到了神經(jīng)元上的許多樹突棘結(jié)構。這種微小的結(jié)構看起來就像是蘑菇，有著龐大的頭部，以及細長的根部。過去，樹突棘的成像一直是一個挑戰(zhàn)。然而在兩種顯微技術的合力下，研究人員們連“最細小的根部”都可以看到。

研究人員們看到了樹突棘的“森林”（圖片來源：參考資料[1]）

在驚人的圖像質(zhì)量面前，兩支科研團隊迅速達成合作。在兩年多的時間里，Ruixuan Gao博士與Shoh Asano博士，以及其他生物學家，顯微鏡專家，以及計算機專家一道，拍攝了大量的圖片，并對其進行分析。

“我們就像是復仇者聯(lián)盟?！?Ruixuan Gao博士這樣評論他們的合作關系。

看清大腦結(jié)構，一直是科研人員們的夢想（圖片來源：參考資料[1]）

這些研究帶來的最大亮點之一，就是對完整果蠅大腦的成像分析。從每個果蠅大腦中，科學家們都獲得了大約50000個立體圖像。隨后，計算機就像是做三維拼圖一般，把這些立體圖像拼成一個完整的果蠅大腦。

研究人員們說，他們研究了超過1500個樹突棘，觀察了保護神經(jīng)細胞的髓鞘，標出了所有的多巴胺能神經(jīng)元，并數(shù)清了整個果蠅大腦中存在的突觸。

這一研究為神經(jīng)科學帶來了極為重要的研究工具。它讓我們可以理解不同的神經(jīng)環(huán)路如何組成，性別對大腦有怎樣的影響，疾病又會怎樣破壞大腦。

天衍智（北京）科技有限公司創(chuàng)始人 腦與人工智能專家 陳樹銘的評論

1、這種全新腦掃描技術本質(zhì)仍然是一種間接采集屬性映射信息的傳感器技術。

2、激光掃描、物探、超聲波檢測、SAR掃描，以及大家習以為常的拍照（圖像）等都是類似的傳感器技術。

3、傳感器技術所采集信息能夠一定程度上可以反演被采集對象的活動規(guī)律或表征特征。

4、但總的來說，現(xiàn)有的傳感器信息（數(shù)據(jù)）的反演技術（建模技術）遠遠落后于采集本身，圖像領域算是稍微有點成績的。

5、這種新型掃描技術對于腦疾病會很有價值，但是對于智能的認知研究，價值會比較有限。

計算機博士，互聯(lián)網(wǎng)進化論作者劉鋒的評論

毫無疑問，這是一個重要的科技進展，若干前沿技術的組合形成對神經(jīng)元結(jié)構與關系更為細致的觀察，但不能忘記美國哥倫比亞大學神經(jīng)學家拉斐爾·尤斯特曾經(jīng)說過：“這是因為缺少一個腦科學的統(tǒng)一框架?？茖W家現(xiàn)在只能研究其中的個體或小部分，就像是“通過一個像素來理解電視節(jié)目一樣”。這些連接之間的每一層次都有各自的運作法則。但是，“這些運作法則，我們目前幾乎一無所知”。

由此這次重要的科學進展可能依然無法解決拉斐爾·尤斯特提出的這個問題。

關于腦科學研究還原論與整理論的背景知識

歷史上，神經(jīng)科學家研究大腦之謎主要采用了兩條截然不同的思想線路：還原論和整體論。

還原論又被稱為自下而上的研究方法。該方法試圖通過研究單個分子、細胞或回路等神經(jīng)系統(tǒng)的基礎元素的特性來理解神經(jīng)系統(tǒng)。這種思路可以研究神經(jīng)細胞的信號傳遞特性，從而了解神經(jīng)元相互之間是如何通訊的，彼此之間通訊的模式在發(fā)育的過程中如何建立的，以及這種模式是如何被經(jīng)驗活動所修飾的。

整體論又被稱為自上而下的研究策略。它主要是從研究功能入手來理解神經(jīng)系統(tǒng)，該方法主要關心的方面是系統(tǒng)的活動如何調(diào)節(jié)或是反映在行為上。這兩套研究思路都有不可避免的缺點，但是在神經(jīng)科學反展的歷史上也都曾取得了重大的成就。

采用整體論研究神經(jīng)科學的科學家們，早在十九世紀中葉就取得了他們的第一個重大的成功，即采用選擇性損毀特定腦區(qū)的方法來分析行為的變化。

以Paul Pierre Broca 為代表的臨床神經(jīng)科學家們，通過上述損毀的方法發(fā)現(xiàn)人類大腦皮層不同區(qū)域行使著不同的功能，即大腦皮層曾在功能上的分區(qū)。損毀不同的腦區(qū)會導致不同的認知障礙。

例如，損毀特定區(qū)域會影響語言的理解，而另一個特定腦區(qū)的損毀則會導致語言表達的障礙；同樣，他們還觀察到某些腦區(qū)與運動視覺或形狀視覺相關，另一些與長期記憶的存儲有關等等。

這些研究的另一個重要的意義在于，它闡明了神經(jīng)科學的一個基本概念：無論多么復雜的精神活動都是源自大腦的，理解特定的精神活動的關鍵在于闡明不同腦區(qū)之間是如何交換信息，從而導致了特定行為的發(fā)生的。因此，這些整體論的分析研究揭示了精神活動的非神學化的一面，為神經(jīng)科學的研究奠定了基礎。

還原論的成功是出現(xiàn)在二十世紀對于大腦的信號系統(tǒng)的分析研究上。這些工作使我們了解了神經(jīng)信號傳遞的一些基本的分子機制，比如，單個神經(jīng)元是如何通過產(chǎn)生全或無的動作電位來進行長距離的信號傳遞的；神經(jīng)元之間又是如何通過突觸傳遞來實現(xiàn)彼此之間的通訊聯(lián)系的。

這方面的工作顯示，無論是長距離的還是短距離的信號傳遞在所有動物的神經(jīng)系統(tǒng)的各個部分都是采用了相同的方式進行的。之所以大腦的各部分擁有不同的功能，并且不同的種屬之間在神經(jīng)系統(tǒng)上存在著巨大的差異原因，并不是組成它們的基本元素神經(jīng)元在傳遞信息時采用了不同的分子機制，而是在于它們所擁有的神經(jīng)元的數(shù)量不同，并且更重要的是神經(jīng)元之間的聯(lián)系是有很大差別的。

從文藝復興到現(xiàn)在，人類對神智與腦關系的認識雖已取得多方面的重大進展，然而困惑依舊存在，主要集中于兩點，一是整體論如何與還原論相整合，二是主觀的神智現(xiàn)象如何用客觀方法來研究。

整體論與還原論的整合，怎樣在研究中使整體論與還原論平衡并相互補充，還遠未得到解決。雖然整體論方向，腦科學取得了諸如大腦皮層功能分區(qū)，系統(tǒng)性理解感知的形成機理等成果，但迄今為止腦科學研究中還原論思想過多占據(jù)了主導位置，在一系列問題上突出地顯露出當前神經(jīng)科學的局限性。