大脑导航图

( 大脑在冷冻之前需要被切成1厘米厚的薄片 )

采矿大脑

那些储存在医学实验室玻璃瓶子里的大脑，浸泡在甲醛里，呈现毫无生命气息的灰色。如果是刚从死亡躯体里摘下来的大脑，看上去则伤痕累累，布满紫色的褶皱。血从切断的脑干上淌下来，滴落在不锈钢解剖台上。

这是研究机构里常见的一幕。在西雅图艾伦大脑研究所里，科学家举起一把已经消毒的很薄的刀，手起刀落，将大脑切成一片片，宛如肉摊前的屠户。然后，他仔细检查，将切片拍照后火速冷冻。死亡时，大脑灰质呈酸性，开始逐渐瓦解，核酸被破坏，细胞膜溶解。冰冻的大脑皮层很容易破碎，对操作技术有不少要求。事后，工作台上留下一摊鲜血，就像一个犯罪现场。

他们打算给大脑绘制一幅导航图。约定俗成的大脑绘图只是结构图，比如标注出额叶和海马体，但是他们希望描绘出大脑皮层的特定基因和单独的神经细胞。如今，这个研究已经成功，完成的导航图被称为“艾伦大脑图谱”，这份特殊的地图将帮助科学家破译数千制造大脑的基因的功能。虽然人类基因组计划已经完成7年，但科学家对于基因和大脑的关系知之甚少，更不用说它们在大脑的哪些位置表达了。

“我们做的大脑图谱就像过去人们绘制关于新世界的地图。”艾伦·琼斯在接受采访中告诉本刊记者，他是艾伦脑研究所首席科学家。“我们能看见它的大致轮廓，但不知道里面发生了什么。现在研究大脑就像没有任何导航指南在一个巨大的城市穿行，你不知道你在哪，也不知道如何找到想找的东西。如果人类大脑图谱像是谷歌地图，每一个想法就是一座城市。”

现有的技术已经能让人看到地球表面之下的东西，能“看到”黄金、白银、铂金和石油所在，不用再进行长期耗时费力的勘探，就能直接开采。“这就是大脑图谱对科学家的意义所在。以前，研究人员通常需要花费数年去进行勘探，现在他们只需采集数据就能直接开展研究工作了。”

大脑是身体中最复杂的器官，或许也可以归为宇宙中最复杂的东西之列。大脑中约有1000万亿个联络点，大脑皮质是人类思维和感情的发源地，构成了我们80%的大脑。“很多精神疾病都有显著的基因因素，建造人类大脑数据库，能为发掘大脑秘密、找到新的诊断方法和更有效的药物铺路。到时候，慢性疼痛、毒品上瘾、精神分裂症、老年痴呆症和孤独症这些棘手的问题和疾病，都可以从人脑三维数据库中找到一些解决办法。”

( 此人类大脑冠形切面被染成了苏木紫色和曙红色 )

从鼠脑到人脑

2003年，微软的创始人之一保罗·艾伦捐助1亿美元兴建艾伦大脑研究所。他崇尚技术，曾为纪念美国已逝知名摇滚音乐家杰米·亨德利克斯，投资兴建了西雅图音乐体验馆；为深空观测并寻找地外文明，捐资兴建了由350台射电望远镜组成的艾伦望远镜阵；为把人类送入太空，投资兴建了第一艘私人设计试飞的太空船——太空船1号。

他是通过计算机对大脑产生兴趣的。艾伦曾说：“人工智能试图模仿大脑是一个传统，但都很快失败了。大脑是一个不可思议的电脑，是一项令人惊讶的工程，我们不知道它是如何工作的。”或许神经科学是人类最晚涉足的科学阵地，他希望能够通过一个单独的大型项目改变这个领域。

由于人脑样本难以大量获得，而且几乎不可能取得鲜活完整的人脑，科学家用老鼠的大脑作为替代，花费3年时间，耗资4100万美元，于2006年绘制出了老鼠大脑2.1万个基因的三维图，被称为“艾伦大脑图谱”。

虽然使用老鼠大脑有不少缺陷，但在研究的早期阶段并不重要。尽管鼠脑比人脑要小，形状也不一样，但基本的解剖构造是相同的，而且老鼠和人类的基因组很相似。他们养殖了大量老鼠，取出它们的大脑，切成薄片，每一片都用含有特定基因分子染料的溶液冲洗。含有特定基因的细胞就会被染成紫红色，之后给每个切片照相记录。照片被按照每个基因的活动模式重新组合成三维图像，然后构成图谱。

结果让人惊讶。老鼠基因组的2.1万个基因中约82%都在脑中活跃表达，这比原来预想的60%或70%要多。对此，艾伦·琼斯说：“大脑功能很复杂，你在大脑中发现很多不同的细胞类型，有血细胞、血管内上皮细胞、干细胞，加上各种神经细胞和神经胶质，这样你就不会很惊讶，有那么多基因是用来为大脑服务的。”

事后，艾伦大脑图谱被证明对科学家来说是一个重要资源，每月被全球约1万用户使用。它的数据省却了科学家在实验室进行繁琐研究这个过程，这就意味着节省了时间和金钱。

老鼠大脑图谱成功后，下一步就是获取人脑图谱。

“对于人脑图谱，一个单独的实验室很难做到重复数据，数百万美元都用于基础建设和数据库。而且很难获得高质量的正常大脑组织，虽然现有的大脑银行为研究机构提供了非常好的支持，但是通常只是大脑特定的一部分。我们最终想知道大脑在正常和疾病情况下有何不同，一个能够进行比较的人脑数据库会提供很多帮助。”艾伦·琼斯说。

比如，有人正在研究自闭症解剖学。他需要做一个功能核磁共振成像研究，揭示和自闭症有关的大脑皮层特定区域异常，这或许能够帮助解释自闭症的症状。但是现在这个问题已经停留在一个非常抽象的层面，研究走进了死胡同。与此同时，另外一位科学家从另一个角度来研究自闭症。自闭症是遗传因素最高的疾病之一，所以他进行了大规模的遗传学研究，识别出一些和这个疾病有关的DNA片段。这些努力的问题在于，他往往会强调那些没有被研究过的基因。没有人知道这些基因是什么，它们是否在大脑中表达。结果，人们仍不清楚这种基因缺陷可能导致什么问题。

设想一下这些科学家获得艾伦大脑图谱之后的情景。通过检查图谱，他能很快看到这些可能和孤独症有关的基因，是否在功能核磁共振成像检查中，显示异常的区域表达，这意味着疾病能够被精确定位。

艾伦大脑研究所和医务人员以及美国东西海岸现有的两家大脑银行合作，通过这些渠道获得大脑。“需要通过严格审查来确定是正常的大脑，比如死于心脏病发作，而非大脑损伤或者精神疾病。”他们挑选了两个成年男人的大脑作为研究对象。“在死亡后24小时内，要抓紧时间收集、加工、冷冻大脑。家属同意取走大脑后，我们首先给大脑做核磁共振成像，这是后来为了悬挂具体的基因表达数据而先搭一个脚手架。然后大脑被移走，切成1厘米厚度的厚片后迅速冷冻。冷冻的切片被运到研究所，在那里我们开展更进一步的工作。”

科学家使用显微镜用切片机，将切好的厚片切成上千片2×3英寸大小的透明薄片，随后将这些切片放在特制的显微镜载玻片上，并标上条码。科学家通过一种激光捕获显微切割技术，对载玻片进行处理。技术人员和专家一起工作，在显微镜连接的电脑屏幕上，对感兴趣的区域进行标注，然后用激光精确切割。下一步，在被称为“原位杂交”的过程中，专门的自动机械设备日夜开工，用RNA碎片探测出每一个特定基因的样本，并进行人工染色。配备了高速送片机的全自动显微镜，可对每一片切片组织进行数码拍照，而用于染色的人工颜料，则代表了每片组织所含的基因数量。完整的图谱和基因及其位置有关，被存储在研究所的服务器上。

这两个成年男人的大脑，每个都被做了1000个记号，从而将大脑组织同成千上万个基因联系在一起。“通过使用大脑电子图，可以很清晰地观察到不同基因在大脑不同部位的活跃性，这也就意味着相对就能观察出大脑每个区域不同基因的重要性，对于脑部疾病的研究将会起到至关重要的作用。”

同时，科学家还发现任何两个人的大脑都有94%的相似基因，这就意味着你和爱因斯坦的大脑或许只有6%的不同。这个研究所表示，他们计划在今年底再挑选8个大脑作为研究对象，以便更好地发现不同人之间大脑的区别。同时，他们还会挑选一些女性的大脑试验对象，对比男性大脑和女性大脑的区别。“挖掘大脑的相同和不同之处是一个迷人的研究领域，我们刚刚开始这方面的研究，可能在将来会有话可说。”艾伦·琼斯告诉本刊记者。■

（文 / 曹玲） 艾伦科学科普导航大脑银行大脑