报道内容摘选《学术经纬》公众号：
在最新出版的《科学》杂志上，由麻省理工学院（MIT）和霍华德·休斯医学研究所（HHMI）的科学家们领衔的一支团队，成功对果蝇的完整大脑进行了成像，清晰度达到了纳米级！这让我们能够看清大脑中，不同的神经细胞，乃至蛋白质在空间上的相对分布，对基础科研有着极为重要的意义。
本研究的通讯作者之一是MIT的知名科学家Edward S。 Boyden教授。他最初因在光遗传学上的研究而闻名于世，最近几年则在大脑成像领域有着诸多突破性的贡献。2015年，他获得了有“科学界奥斯卡”之称的“科学突破奖”（Breakthrough Prize）。2018年，他也获得了有诺贝尔风向标称号的盖尔德纳奖。
在2015年左右，Boyden教授团队向解析大脑的高清结构发起了冲锋，目标是理清大脑在细胞、乃至蛋白层面上如何进行组合。为了实现这一目标，科学家们开发了一种看起来很有趣的研究方法：他们首先往大脑组织样本中注射一种胶状物质，随后让这些凝胶吸水膨胀，把大脑撑开。
从原理上看，这和婴儿尿布中的材料吸水膨胀，有着异曲同工之妙。
这种看起来简单的方法，在解析大脑结构中扮演了重要的角色。在长、宽、高的维度上膨胀扩大2倍，整个体积就会扩大8倍。由于膨胀后的大脑组织更为松散，对其进行显微观察就成为了可能。更关键的是，大脑样本中的这些神经细胞，相对位置被凝胶所固定，并不会发生变化。
果蝇大脑的扩大过程（图片来源：参考资料[1]）
正是因为这一突破，针对特定的大脑细胞或小型大脑区域，我们已经获得了不少“高清地图”。
在体积较小的大脑样本中取得的成功，并不一定能被复制到大型脑组织里。这是因为样本的体积越大，就越难对深埋其中的特定部分进行成像。如果单纯为了“点亮”而增强光源，还会破坏用于做标记的荧光蛋白。可以说，这是一个两难。
此外，大型脑组织在膨胀扩大之后，如何对整个结构进行快速的扫描成像，也就成了一个难题。“我们需要能够快速成像，不会带来太多光褪色（photobleaching）效应的显微镜”，本研究的共同第一作者Ruixuan Gao博士说道。而他们知道，HHMI的Eric Betzig教授课题组中，就有这么一台高级的显微镜。
Betzig教授的显微镜叫做“晶格层光显微镜”（lattice light-sheet microscope）。它每次只会照亮超级薄的一层样本，将对样本的损害降到了最低。此外，它也能快速对样本进行成像，这正是研究人员们所需要的技术。
Ruixuan Gao博士与另一名共同一作Shoh Asano博士带去了一些经过膨胀扩大的小鼠大脑组织，在晶格层光显微镜下进行观察。通过结合“扩大显微技术”和“晶格层光显微技术”，他们看到了神经元上的许多树突棘结构。这种微小的结构看起来就像是蘑菇，有着庞大的头部，以及细长的根部。过去，树突棘的成像一直是一个挑战。然而在两种显微技术的合力下，研究人员们连“最细小的根部”都可以看到。
研究人员们看到了树突棘的“森林”（图片来源：参考资料[1]）
在惊人的图像质量面前，两支科研团队迅速达成合作。在两年多的时间里，Ruixuan Gao博士与Shoh Asano博士，以及其他生物学家，显微镜专家，以及计算机专家一道，拍摄了大量的图片，并对其进行分析。
“我们就像是复仇者联盟。” Ruixuan Gao博士这样评论他们的合作关系。
看清大脑结构，一直是科研人员们的梦想（图片来源：参考资料[1]）
这些研究带来的最大亮点之一，就是对完整果蝇大脑的成像分析。从每个果蝇大脑中，科学家们都获得了大约50000个立体图像。随后，计算机就像是做三维拼图一般，把这些立体图像拼成一个完整的果蝇大脑。
研究人员们说，他们研究了超过1500个树突棘，观察了保护神经细胞的髓鞘，标出了所有的多巴胺能神经元，并数清了整个果蝇大脑中存在的突触。
这一研究为神经科学带来了极为重要的研究工具。它让我们可以理解不同的神经环路如何组成，性别对大脑有怎样的影响，疾病又会怎样破坏大脑。
天衍智（北京）科技有限公司创始人 脑与人工智能专家 陈树铭的评论
1、这种全新脑扫描技术本质仍然是一种间接采集属性映射信息的传感器技术。
2、激光扫描、物探、超声波检测、SAR扫描，以及大家习以为常的拍照（图像）等都是类似的传感器技术。
3、传感器技术所采集信息能够一定程度上可以反演被采集对象的活动规律或表征特征。
4、但总的来说，现有的传感器信息（数据）的反演技术（建模技术）远远落后于采集本身，图像领域算是稍微有点成绩的。
5、这种新型扫描技术对于脑疾病会很有价值，但是对于智能的认知研究，价值会比较有限。
计算机博士，互联网进化论作者刘锋的评论
毫无疑问，这是一个重要的科技进展，若干前沿技术的组合形成对神经元结构与关系更为细致的观察，但不能忘记美国哥伦比亚大学神经学家拉斐尔•尤斯特曾经说过：“这是因为缺少一个脑科学的统一框架。科学家现在只能研究其中的个体或小部分，就像是“通过一个像素来理解电视节目一样”。这些连接之间的每一层次都有各自的运作法则。但是，“这些运作法则，我们目前几乎一无所知”。
由此这次重要的科学进展可能依然无法解决拉斐尔•尤斯特提出的这个问题。
关于脑科学研究还原论与整理论的背景知识
历史上，神经科学家研究大脑之谜主要采用了两条截然不同的思想线路：还原论和整体论。
还原论又被称为自下而上的研究方法。该方法试图通过研究单个分子、细胞或回路等神经系统的基础元素的特性来理解神经系统。这种思路可以研究神经细胞的信号传递特性，从而了解神经元相互之间是如何通讯的，彼此之间通讯的模式在发育的过程中如何建立的，以及这种模式是如何被经验活动所修饰的。
整体论又被称为自上而下的研究策略。它主要是从研究功能入手来理解神经系统，该方法主要关心的方面是系统的活动如何调节或是反映在行为上。这两套研究思路都有不可避免的缺点，但是在神经科学反展的历史上也都曾取得了重大的成就。
采用整体论研究神经科学的科学家们，早在十九世纪中叶就取得了他们的第一个重大的成功，即采用选择性损毁特定脑区的方法来分析行为的变化。
以Paul Pierre Broca 为代表的临床神经科学家们，通过上述损毁的方法发现人类大脑皮层不同区域行使着不同的功能，即大脑皮层曾在功能上的分区。损毁不同的脑区会导致不同的认知障碍。
例如，损毁特定区域会影响语言的理解，而另一个特定脑区的损毁则会导致语言表达的障碍；同样，他们还观察到某些脑区与运动视觉或形状视觉相关，另一些与长期记忆的存储有关等等。
这些研究的另一个重要的意义在于，它阐明了神经科学的一个基本概念：无论多么复杂的精神活动都是源自大脑的，理解特定的精神活动的关键在于阐明不同脑区之间是如何交换信息，从而导致了特定行为的发生的。因此，这些整体论的分析研究揭示了精神活动的非神学化的一面，为神经科学的研究奠定了基础。
还原论的成功是出现在二十世纪对于大脑的信号系统的分析研究上。这些工作使我们了解了神经信号传递的一些基本的分子机制，比如，单个神经元是如何通过产生全或无的动作电位来进行长距离的信号传递的；神经元之间又是如何通过突触传递来实现彼此之间的通讯联系的。
这方面的工作显示，无论是长距离的还是短距离的信号传递在所有动物的神经系统的各个部分都是采用了相同的方式进行的。之所以大脑的各部分拥有不同的功能，并且不同的种属之间在神经系统上存在着巨大的差异原因，并不是组成它们的基本元素神经元在传递信息时采用了不同的分子机制，而是在于它们所拥有的神经元的数量不同，并且更重要的是神经元之间的联系是有很大差别的。
从文艺复兴到现在，人类对神智与脑关系的认识虽已取得多方面的重大进展，然而困惑依旧存在，主要集中于两点，一是整体论如何与还原论相整合，二是主观的神智现象如何用客观方法来研究。
整体论与还原论的整合，怎样在研究中使整体论与还原论平衡并相互补充，还远未得到解决。虽然整体论方向，脑科学取得了诸如大脑皮层功能分区，系统性理解感知的形成机理等成果，但迄今为止脑科学研究中还原论思想过多占据了主导位置，在一系列问题上突出地显露出当前神经科学的局限性。
发表于 2019-1-19 00:48
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