浅谈“连接组”与中国脑计划

   我们每个人都有一个“小宇宙”——大脑。人类大脑重约三磅（三市斤），被戏称为“三磅的宇宙”。因为具有高度发达的大脑，人类成为万物之灵，创造了绚烂文明，不断探索并发现宇宙间万事万物的规律。美国著名长篇科幻漫画StarTrek曾将探索浩瀚宇宙称为人类科学“最后的前沿”，但在科学家看来，人类的大脑一点都不比无穷宇宙简单。

　　探索大脑奥秘的宏伟工程

　　近十年间，世界各国神经科学家开展了一项探索大脑奥秘的宏伟工程——连接组计划（connectome）。这一计划希望全面认识大脑中神经元之间的连接。我们已经知道大脑中的神经元可能多达千亿，而每个神经元又同时与成百上千个其他神经元形成传递信息的连接（突触），研究大脑的连接组，就是要对近千亿神经元之间相互连接的情况进行全面的研究与分析，可想而知这可能是人类历史上信息量最大的艰巨工程。

　　“连接组”这个词是从“基因组（genome）”衍变而来的。二十世纪九十年代美国启动了人类基因组计划（HumanGenomeProject-HGP），历经十余年，在全球科学家的协作努力下，共耗资30亿美元，完成了人类基因组30亿个碱基的全测序，使人类攻克复杂疾病、寻找遗传病病因的能力大大加强。

　　这项基础研究获得了丰厚的回报，美国总统奥巴马在2013年4月的国情咨文中宣称：对人类基因组计划的每1美元投入至今已获得140美元的巨额回报，因此美国从2013年开始启动研究大脑的“脑科学计划（BRAINInitiative）”。当然，说科学研究是为了投资回报，这未免太功利了些。但毋庸置疑的是，过去三年，美国、欧洲及日本陆续宣布了专攻神经科学的“脑科学计划”。中国科学院也在2012年启动了研究大脑功能性联结图谱的战略先导专项。从2014年至2016年，中国脑计划经过神经科学家们反复研讨，呼之欲出。人类终于要向“最后的前沿”进军了！

　　连接组与基因组：先天还是后天决定了大脑

　　究竟是先天因素还是后天因素决定了大脑？这是生物学界一个非常重要的争论。人类的大脑功能不仅仅是由神经元之间的连接决定的，更被编码蛋白质的遗传物质——基因组所决定。基因组代表先天因素，从父母遗传而来无法轻易改变；连接组象征后天因素，是我们在这个缤纷世界中接受无数外界信息后塑造的大脑。

　　在这个问题上，并非说基因组和连接组就是谁压倒谁的问题，而是在何种层次上相互协调贡献大脑功能的问题。比如我们知道在成年人的大脑中，虽然神经网络已经基本定型，但是基因组也并非对大脑的功能毫无贡献。人类在学习与认知时，大脑神经网络中的电信号就会激活神经元进而读取神经元中基因组的信息，将许多基因打开或关闭。通过改变神经元的重要功能蛋白质水平，来对神经元之间的连接（突触）做出可塑性的改变。因此，连接组其实也是基因组在大脑中的功能投射。

　　动态与静态：动态变化的连接组能被认识吗

　　近年来，神经科学家们认识到，人类高等认知功能及脑疾病的起因，比如帕金森症、抑郁症等，往往与大脑中神经元的功能性连接改变关系甚密。但大脑连接组是具有可塑性的动态组成——在我们的大脑接收处理了外界信息后，神经元之间的突触很可能发生可塑性改变，这些改变就代表了我们的思考、记忆的过程等等。因此，即便在某一个时间点看清楚了大脑的所有神经连接，下一个时间点大脑的神经连接就不同了。

　　那么，在暂时无法洞察活人大脑的情况下，研究大脑连接组还有意义么？