喜迎十八大·走進國家重點實驗室

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

　　秋日的一個周末，記者走進了探索腦與認知科學(xué)奧秘的腦與認知科學(xué)國家重點實驗室。

　　“認知顯微鏡”：促進神經(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知科學(xué)國家重點實驗室。

　　和以往采訪的實驗室不太一樣，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)備就是一臺臺電腦。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)實驗需要調(diào)節(jié)明暗度。

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

　　實驗室研究員卓彥向記者重點介紹了一臺超高場強(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年引進的磁共振成像設(shè)備，是我國首臺、亞洲第二臺人體全身超高場強磁共振成像系統(tǒng)。

　　4年前，記者第一次走進這個國家重點實驗室時，當時還是以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。

　　“這臺裝置的強磁場可以提供比3T高一倍多的信噪比，成像更加銳利，觀測腦部的細微結(jié)構(gòu)更加清晰。”一旁的王波副研究員告訴記者，當病人進入室內(nèi)，平躺著被送入直徑達60厘米的腔體中時，王波會在一墻之隔的另一間房子里，通過電腦操作各種設(shè)備，對腦部有針對性地開展視覺刺激呈現(xiàn)和反應(yīng)信號同步記錄等。

　　他將這臺設(shè)備比喻為“認知顯微鏡”，通過它在活體上實時觀測大腦活動，探測到過去無法探測到的功能信號，結(jié)構(gòu)分辨率從3T時的約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。”王波以一個“術(shù)前功能定位”的例子，描述了功能成像技術(shù)的進步對臨床醫(yī)學(xué)的影響。“目前實驗室和北京的天壇、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

　　實驗室的墻上，除了實驗室發(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。

　　“當前，生命科學(xué)已經(jīng)走到了一個新的十字路口。在這個十字路口上，包括我們在內(nèi)，大家都越來越關(guān)注和智力起源相關(guān)的腦與認知科學(xué)。”卓彥告訴記者，這張圖的起源，要追溯到1982年11月，實驗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，陳霖首次提出了拓撲性質(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，他和團隊用令人信服的實驗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，我國的認知科學(xué)研究也越來越受到世界認可。如今陳霖和他的團隊已經(jīng)把這個理論應(yīng)用到注意、記憶、意識乃至情緒等不同認知層次的研究，進一步地把科學(xué)問題凝練成“認知的基本單元”這個看似簡單、實則內(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，“這其實是一個動態(tài)的網(wǎng)頁系統(tǒng)，在電腦上用鼠標點擊就會打開某個課題的網(wǎng)頁，里面詳細記錄了課題的研究內(nèi)容、研究目標、研究計劃、研究進度以及目前遇到的困難等信息。點擊課題之間的連線，就能了解這兩個課題之間的相互聯(lián)系。”周可說，每個研究者都能夠通過路線圖清楚地了解整個實驗室的最新研究進展和發(fā)展態(tài)勢，隨時拓展自己的研究方向。

　　在中科院生物物理所主樓的實驗室里，厚厚的窗簾擋住了外面的陽光，昏暗的臺燈下，副研究員劉祖祥正在對斑馬魚進行眼動和似動反應(yīng)實驗。

　　劉祖祥從事的也是視知覺研究，他的重點是動物的視知覺，比如漂亮的斑馬魚。由于斑馬魚成魚晝夜節(jié)律明顯，對光反應(yīng)強烈，因此可以很容易地使用行為學(xué)實驗手段對其視覺功能進行檢測。

　　實驗室里，約兩厘米長的成年斑馬魚被固定在培養(yǎng)皿中，運動的光柵等視覺刺激由微型投影機投射到培養(yǎng)皿外一個半圓的屏幕上。頂蓋是魚腦中高度發(fā)達的部分，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個孔，對魚實現(xiàn)局部麻醉，以考察頂蓋對特定視覺功能的作用。

　　“基本是個外科手術(shù)。”劉祖祥打了個形象的比方。

　　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，都與哺乳動物有高度相似性。因此，果蠅成為研究基因—細胞—神經(jīng)環(huán)路—腦功能—腦疾病的理想模型。

　　腦與認知科學(xué)國家重點實驗室有一個很有特色的果蠅研究團隊，團隊帶頭人郭愛克院士于上世紀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)獨樹一幟的地位。”研究團隊李巖研究員向記者重點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)和光感受兩個方面的精細神經(jīng)環(huán)路。

　　李巖說，隨著國家對科研投入的不斷增加，實驗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)記憶實驗是在一間暗室中進行的。

　　“拉上窗簾是為了避免光線干擾，做嗅覺實驗時，視覺刺激會干擾果蠅行為反應(yīng)，結(jié)果就不準確。”李巖解釋說。暗室旁邊幾個類似立式冰柜的箱子是研究果蠅睡眠節(jié)律的實驗儀器，里面有紅外監(jiān)測果蠅24小時的活動性。

　　為了深入研究行為學(xué)的神經(jīng)機制，李巖在實驗室建立了分子遺傳學(xué)和光學(xué)成像平臺。“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。”李巖說，這是基礎(chǔ)科研工作者的最終愿望。

　　《阿凡達》：也許有一天不再是神話

　　電影《阿凡達》中的技術(shù)未來能成真嗎?

　　當記者拋出這個疑問時，王波說，要實現(xiàn)這樣的奇跡，要有人造大腦，還要能使它和另一個大腦同步更新。前者似乎不算太難，因為實驗已經(jīng)證明，人的記憶與電腦計算有相同原理，因此可以用計算機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的每一個細節(jié)。但現(xiàn)有技術(shù)水平離此目標還有一段距離。

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

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

　　其實，如今腦與認知科學(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，一位實驗室的合作伙伴在其研究中發(fā)現(xiàn)，中國人的語言區(qū)靠近運動區(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)，這一研究對設(shè)計教學(xué)方案有重要啟示。先進的功能成像技術(shù)的另一個重要應(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和國際接軌的平臺，帶動一批學(xué)科發(fā)展，不僅僅是認知科學(xué)、神經(jīng)科學(xué)，還有諸如經(jīng)濟學(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。”卓彥對未來充滿信心。