喜迎十八大·走進(jìn)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

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

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

　　“認(rèn)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(rèn)知科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。

　　和以往采訪的實(shí)驗(yàn)室不太一樣，這里沒有一排排的瓶瓶罐罐。略顯狹長的過道兩旁是一間間隔好的小房間，房間里最主要的設(shè)備就是一臺(tái)臺(tái)電腦。房間的墻壁布有吸音材料，頂部設(shè)有通風(fēng)裝置，房間的燈可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要調(diào)節(jié)明暗度。

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

　　實(shí)驗(yàn)室研究員卓彥向記者重點(diǎn)介紹了一臺(tái)超高場強(qiáng)(7特斯拉，即7T)磁共振成像系統(tǒng)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(shè)備，是我國首臺(tái)、亞洲第二臺(tái)人體全身超高場強(qiáng)磁共振成像系統(tǒng)。

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

　　“這臺(tái)裝置的強(qiáng)磁場可以提供比3T高一倍多的信噪比，成像更加銳利，觀測腦部的細(xì)微結(jié)構(gòu)更加清晰。”一旁的王波副研究員告訴記者，當(dāng)病人進(jìn)入室內(nèi)，平躺著被送入直徑達(dá)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，通過電腦操作各種設(shè)備，對(duì)腦部有針對(duì)性地開展視覺刺激呈現(xiàn)和反應(yīng)信號(hào)同步記錄等。

　　他將這臺(tái)設(shè)備比喻為“認(rèn)知顯微鏡”，通過它在活體上實(shí)時(shí)觀測大腦活動(dòng)，探測到過去無法探測到的功能信號(hào)，結(jié)構(gòu)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(xì)小的靜脈。

　　“通過該設(shè)備的檢查結(jié)果，能看到神經(jīng)外科患者的哪些腦組織是有功能的。醫(yī)生在手術(shù)中可有針對(duì)性地避開這塊區(qū)域，從而讓患者手術(shù)后不僅能活下來，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(duì)臨床醫(yī)學(xué)的影響�！澳壳皩�(shí)驗(yàn)室和北京的天壇、宣武、同仁等大型醫(yī)院都在開展合作，成效已初現(xiàn)端倪�！�

　　從斑馬魚到果蠅：放射狀的研究路線圖

　　實(shí)驗(yàn)室的墻上，除了實(shí)驗(yàn)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路圖。

　　“當(dāng)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?cè)趦?nèi)，大家都越來越關(guān)注和智力起源相關(guān)的腦與認(rèn)知科學(xué)。”卓彥告訴記者，這張圖的起源，要追溯到1982年11月，實(shí)驗(yàn)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?fù)湫再|(zhì)知覺理論，向近代占統(tǒng)治地位的“由局部性質(zhì)到大范圍性質(zhì)”的理論提出挑戰(zhàn)。30年來，他和團(tuán)隊(duì)用令人信服的實(shí)驗(yàn)不斷完善和論證這一假說，使之成為具有世界影響力的理論，我國的認(rèn)知科學(xué)研究也越來越受到世界認(rèn)可。如今陳霖和他的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)把這個(gè)理論應(yīng)用到注意、記憶、意識(shí)乃至情緒等不同認(rèn)知層次的研究，進(jìn)一步地把科學(xué)問題凝練成“認(rèn)知的基本單元”這個(gè)看似簡單、實(shí)則內(nèi)涵異常豐富的問題。

　　“所有這些問題，都可以在眼前這張圖上表現(xiàn)出來。”副研究員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)頁系統(tǒng)，在電腦上用鼠標(biāo)點(diǎn)擊就會(huì)打開某個(gè)課題的網(wǎng)頁，里面詳細(xì)記錄了課題的研究內(nèi)容、研究目標(biāo)、研究計(jì)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，就能了解這兩個(gè)課題之間的相互聯(lián)系�！敝芸烧f，每個(gè)研究者都能夠通過路線圖清楚地了解整個(gè)實(shí)驗(yàn)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(yàn)室里，厚厚的窗簾擋住了外面的陽光，昏暗的臺(tái)燈下，副研究員劉祖祥正在對(duì)斑馬魚進(jìn)行眼動(dòng)和似動(dòng)反應(yīng)實(shí)驗(yàn)。

　　劉祖祥從事的也是視知覺研究，他的重點(diǎn)是動(dòng)物的視知覺，比如漂亮的斑馬魚。由于斑馬魚成魚晝夜節(jié)律明顯，對(duì)光反應(yīng)強(qiáng)烈，因此可以很容易地使用行為學(xué)實(shí)驗(yàn)手段對(duì)其視覺功能進(jìn)行檢測。

　　實(shí)驗(yàn)室里，約兩厘米長的成年斑馬魚被固定在培養(yǎng)皿中，運(yùn)動(dòng)的光柵等視覺刺激由微型投影機(jī)投射到培養(yǎng)皿外一個(gè)半圓的屏幕上。頂蓋是魚腦中高度發(fā)達(dá)的部分，在斑馬魚頭上不過芝麻大小的頂蓋范圍內(nèi)，劉祖祥需要在前后左右方向鉆4個(gè)孔，對(duì)魚實(shí)現(xiàn)局部麻醉，以考察頂蓋對(duì)特定視覺功能的作用。

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

　　與斑馬魚相比，果蠅是一種有百年歷史的經(jīng)典模式動(dòng)物。人類疾病相關(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(xì)胞—神經(jīng)環(huán)路—腦功能—腦疾病的理想模型。

　　腦與認(rèn)知科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室有一個(gè)很有特色的果蠅研究團(tuán)隊(duì)，團(tuán)隊(duì)帶頭人郭愛克院士于上世紀(jì)90年代就開始了果蠅視覺學(xué)習(xí)記憶的研究。

　　“就是用這套設(shè)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(nèi)獨(dú)樹一幟的地位�！毖芯繄F(tuán)隊(duì)李巖研究員向記者重點(diǎn)介紹了飛行模擬器系統(tǒng)，“這是一種操作式學(xué)習(xí)記憶，果蠅能夠選擇飛行區(qū)域，類似于飛行員訓(xùn)練時(shí)的模擬飛行，通過將懲罰區(qū)域與圖形線索結(jié)合起來，我們就能夠訓(xùn)練果蠅對(duì)視覺圖形的記憶�！�

　　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，揭示了果蠅視覺學(xué)習(xí)和光感受兩個(gè)方面的精細(xì)神經(jīng)環(huán)路。

　　李巖說，隨著國家對(duì)科研投入的不斷增加，實(shí)驗(yàn)室還建立了果蠅嗅覺學(xué)習(xí)記憶，睡眠節(jié)律和求偶的行為學(xué)范式。

　　嗅覺學(xué)習(xí)記憶實(shí)驗(yàn)是在一間暗室中進(jìn)行的。

　　“拉上窗簾是為了避免光線干擾，做嗅覺實(shí)驗(yàn)時(shí)，視覺刺激會(huì)干擾果蠅行為反應(yīng)，結(jié)果就不準(zhǔn)確�！崩顜r解釋說。暗室旁邊幾個(gè)類似立式冰柜的箱子是研究果蠅睡眠節(jié)律的實(shí)驗(yàn)儀器，里面有紅外監(jiān)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(jī)制，李巖在實(shí)驗(yàn)室建立了分子遺傳學(xué)和光學(xué)成像平臺(tái)。“利用果蠅，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�！崩顜r說，這是基礎(chǔ)科研工作者的最終愿望。

　　《阿凡達(dá)》：也許有一天不再是神話

　　電影《阿凡達(dá)》中的技術(shù)未來能成真嗎?

　　當(dāng)記者拋出這個(gè)疑問時(shí)，王波說，要實(shí)現(xiàn)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?yàn)閷?shí)驗(yàn)已經(jīng)證明，人的記憶與電腦計(jì)算有相同原理，因此可以用計(jì)算機(jī)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(xì)節(jié)。但現(xiàn)有技術(shù)水平離此目標(biāo)還有一段距離。

　　“一方面，目前對(duì)大腦活體的整體觀察，精細(xì)程度在毫米級(jí)別;另一方面，用微電極研究單個(gè)神經(jīng)元的成果，還不能跟宏觀層面的理論對(duì)接。因此科學(xué)家對(duì)大腦的監(jiān)測，還在不斷的探索中。”王波說，“闡明大腦活動(dòng)的所有宏觀和微觀原理，這是我們努力的目標(biāo)�！�

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

　　其實(shí)，如今腦與認(rèn)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，比如在教育學(xué)上，一位實(shí)驗(yàn)室的合作伙伴在其研究中發(fā)現(xiàn)，中國人的語言區(qū)靠近運(yùn)動(dòng)區(qū)，而西方人是靠近聽覺區(qū)，所以中國人在“寫”中學(xué)，而西方人更傾向于在“聽”中學(xué)，這一研究對(duì)設(shè)計(jì)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(yīng)用是在醫(yī)學(xué)方面，突破了只能發(fā)現(xiàn)器質(zhì)性病變的局限，隨著研究的深入，某些功能異常也能被觀察到，為包括老年癡呆癥等的各種神經(jīng)系統(tǒng)疾病的早期發(fā)現(xiàn)帶來希望。

　　“我們希望為同行提供一個(gè)和國際接軌的平臺(tái)，帶動(dòng)一批學(xué)科發(fā)展，不僅僅是認(rèn)知科學(xué)、神經(jīng)科學(xué)，還有諸如經(jīng)濟(jì)學(xué)、教育學(xué)、法學(xué)，甚至軍事科學(xué)這樣一些過去未曾預(yù)料的學(xué)科�！弊繌�對(duì)未來充滿信心。