Science：科學家首次公布大腦3D圖譜

　　2012年年底《科學》（Science）雜志預測了2013年六大值得關注的科學領域，其中之一就是連接組（Connectome），這是在大科學項目清單中重點強調的一個項目，也就是找到人類大腦的“布線圖”。為了了解這個神奇的大腦網絡，此前美國國立衛生研究院已經推出了人類連接組項目（Human Connectome Project），并且美國總統奧巴馬也在其聯邦預算提案中計劃推出一項長達10年，研究經費至少會達到30億美元的人腦研究項目：大腦活動圖項目（Brain Activity Map project），探討人腦活動功能及做出大腦活動綜合圖。

　　近期關于大腦研究的重要成果接連不斷，如大腦定位新機制（Nature重大突破：首次揭示大腦定位新機制），大腦全基因組增強子解析（Cell：首個大腦全基因組增強子圖集）等等。而在最新一期（4月19日）的Science雜志上，又接連公布了兩項重要的研究突破：挑戰原有觀點的新發現，及大腦3D圖譜。

　　在第一項研究中，來自馬里蘭大學，波士頓大學的研究人員利用蝙蝠和大鼠解析了大腦的作用機制，挑戰了目前廣泛接受的一種關于動物如何辨別方位的模型。這項研究指出，要想更深入的了解哺乳動物的大腦，還需要進一步分析更多的動物類型。

　　這篇發表于Science雜志上的文章指出，大鼠與蝙蝠大腦節律偵查方向這部分存在極大的差異。

　　研究人員聚焦于一種稱為內側嗅皮層（medial entorhinal cortex）的區域中一些用于處理空間信息的特殊細胞，內側嗅皮層是記憶和導航神經網絡的樞紐。此前有實驗表明，當動物偵測空間的時候，一個稱為θ波（theta/θ wave）的節律電信號會不斷激活大鼠腦細胞中的這一區域，而一些大腦模型在用這種波處理后，也表明這是所有哺乳動物空間偵查的一個關鍵元件，但是這一結論基于針對嚙齒動物的研究，Moss說。

　　波士頓大學-馬里蘭大學研究組在細胞水平上，檢測了蝙蝠和大鼠腦組織中節律電應答的情況，他們在大鼠細胞中發現了θ波，但是在蝙蝠細胞中卻沒有發現這些波，Moss說——他早在20世紀80年代就開始了蝙蝠的研究。

　　“這對之前的觀點提出了質疑，θ節律是否在這個空間導航理論中扮演了關鍵的角色呢，”文章的另外一位作者 Katrina MacLeod說，“要了解大腦，包括人類的大腦，我們還需要在更多種動物中進行深入探索。”

　　人類和其他哺乳動物的腦組織具有許多共同的特征，但大鼠和蝙蝠中θ波的差異提出了大腦空間信息處理的新疑問。

　　在第二項研究中，以色列Weizmann理學院的研究人員也發表了突破性研究結果——三維的大腦。

　　動物通過導航和定位來尋找食物和住所，或躲避天敵，從而謀求生存，來自以色列魏茲曼研究院神經生物學系的Nachum Ulanovsky博士完成了一項最新研究，第一次揭示出了哺乳動物大腦如何進行三維的時空感知，這項研究還研發了一種獨特的小型化神經遙測系統，可以用于檢測飛行中的單個大腦細胞。

　　一直以來，科學家們都在研究關于動物如何在空間中尋找方向的問題，但是至今大多數的實驗都是在二維空間設置中完成的，但是實際上現實世界中的許多動物，包括人類在內，都是生活在三維空間中的，然而當科學家們嘗試將實驗范圍擴大到三維立體結構中的時候，他們遇到了許多困難。

　　其中比較有名的例子就是此前亞利桑那大學和美國航空航天局NASA進行的一個項目，他們讓大鼠搭乘航天飛機進入太空。結果發現雖然大鼠能在零重力下移動，但是它們沿著直線飛行，這是一種一維線條。還有一些其它的關于三維實驗的項目，但都未能獲得空間數據。最后的結論是，如果要了解三維時空的運動，必要讓動物在三個維度中移動，也就是飛行中的動物。

　　Ulanovsky選擇了一種稱為埃及果蝠的蝙蝠作為研究對象，這是一種在以色列很常見的蝙蝠品種。由于這種動物比較大，所以研究人員能在其身上綁上無線測量系統，而不影響蝙蝠的動作。

　　這一系統的研發耗費了研究人員多年的時間，Ulanovsky已經通過與美國商業公司合作，建立一個無線的，重量輕（12克，約蝙蝠重量的7％）的移動設備，能用于測量蝙蝠大腦中單個神經元的活性。

　　但這還沒有完，科學家們面臨的另一個挑戰就在于調整蝙蝠的行為，以適應實驗的需要，蝙蝠一般是直接朝著它們的目的地，如水果樹 飛過去的，也就是說，它們的正常飛行模式是一維的，而實驗需要的是三維檢測。這個問題其實之前Ulanovsky已經解決了，他利用一種微型GPS裝置跟蹤野生果蝠。

　　然后研究人員開始檢測蝙蝠大腦中海馬神經元的活性，他們發現其三維空間的活性與二維的相似：每個位置細胞負責識別一個特殊的空間區域，并當蝙蝠位于這一區域的時候發出電信號。總之位置細胞群提供了空間的上下左右方位感。

　　研究人員又分析了單個位置細胞的作用，從而回答了一個備受爭議的問題：大腦是否“平均”感知三維空間，也就是說，大腦感受到高度這一軸線的方式，是不是與它感受橫坐標，或長度坐標一樣呢？

　　這項研究發現每個位置細胞都負責一個球形的空間位置，換句話說，所有三個維度的感知都均勻的。研究人員指出，對于那些非飛行動物來說，它們的生活基本上是在平坦的空間中移動，不同的坐標軸也許分辨率不同。這些動物可能天生就對長度和寬度變化的敏感性要比對高度變化的敏感性小。

　　這樣就提出一個很有趣的問題，對于人類來說，一方面我們是從猿進化而來的，能利用樹枝在空中擺動，而另一方面，現代人類一般居住在地面，是一種二維空間。

　　這一發現提出大腦空間記憶和空間知覺研究的新觀點，在很大程度上，這是由于創新技術的發展，令我們第一次觀察到了動物的飛行大腦。Ulanovsky認為這將成為未來神經科學研究的一種趨勢，這比在實驗室中更能模擬動物的天然行為。