连接组：造就独一无二的你 - (EPUB全文下载)

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书籍内容：

献给我亲爱的父母
感谢他们创造了我的基因组
并塑造了我的连接组
序：最后的前沿
仇子龙　蒲慕明
中国科学院脑科学卓越创新中心
中国科学院上海神经科学研究所
科幻大片《星际穿越》中的茫茫宇宙、神奇的虫洞与黑洞、折叠的时间等，是否让人觉得未知的宇宙难以琢磨而令人神往？其实我们每个人都有一个“小宇宙”——大脑。人类大脑重约3磅（1.5千克），被戏称为“三磅的宇宙”（three-pound universe）。因为具有高度发达的大脑，我们成为万物之灵，在创造了绚烂的文明、改造了这个世界的同时，还可以抬起头探索浩瀚星空。我们的大脑中有数百亿神经细胞（神经元），每个神经元与成百上千的其他神经元相连接，通过电信号、化学信号等方法将我们感受到的外界信息储存进大脑，并做出需要的即时反应，而且还可以反复思考，探索并发现宇宙万物的终极规律。美国著名长篇科幻漫画《星际迷航》有一集名为“最后的前沿”（The Final Frontier），意指探索浩瀚宇宙是人类科学最后的前沿，其实人类的大脑一点都不比无穷宇宙简单，说研究人类大脑的神经科学（neuroscience）为人类科学最后的前沿也毫不为过。
这本《连接组：造就独一无二的你》为美国麻省理工学院著名神经科学家承现峻教授的作品。他用生动的笔触，描写了世界各国神经科学家正在开展的一项探索大脑奥秘的宏伟工程——连接组（connectome）计划。连接组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百亿，而每个神经元又同时与成百上千个神经元形成传递信息的连接（突触），因此所谓大脑的连接组是对近百亿的神经元之间相互连接情况进行全面的研究与分析，可想而知是个包含了人类历史上最大信息量的艰巨工作。
连接组这个词从基因组（genome）衍变而来。20世纪90年代美国能源部启动的历经十余年的人类基因组计划（human genome project, HGP）耗资30亿美元将人类基因组的30亿个碱基完成了全测序。在得知了人类近乎全面的编码基因及非编码序列的组成后，人类攻克复杂疾病、寻找遗传病病因而提升健康的能力大大加强。美国总统奥巴马在2013年4月的国情咨文中宣称，对人类基因组计划每1美元的投入至今获得了140美元的巨额回报，因此美国将从2013年开始启动研究大脑的“脑科学计划”。当然，如果说科学研究的初衷是为了投资回报，这未免太功利了些。但是无可置疑的是，从过去几年开始，美国、欧洲及日本陆续宣布了专攻神经科学的脑科学计划。中国科学院在2012年启动了研究大脑功能性连接图谱的战略先导计划。从2013年至2014年，中国的脑科学计划经过神经科学家们反复研讨，也呼之欲出。人类终于要向“最后的前沿”进军了！
本书作者承现峻曾经在TED论坛做过一个非常出色的关于大脑连接组研究的演讲。开篇时，他自嘲道，大脑如此复杂，忍不住让人怀疑，这难道是我们穷极一生可以理解的吗？不错，我们虽然知道大脑的基本物理与化学组成，却对大脑如何准确地区分与储存海量信息，并同时进行思考与抉择的机制知之甚少。在本书中，承现峻教授提出，只要全面了解了大脑中神经元的连接，就可以得知我们大脑的储存信息、思维模式甚至如何产生深邃的思想。是否真的如此？
让我们简单讨论一下书中的主要观点。首先作者认为人的大脑组成不仅仅被基因组决定，更被连接组决定。这是生物学界一个非常重要的争论，nature vs. nurture，先天还是后天的因素决定了人的方方面面，包括大脑的功能。基因组代表先天因素（nature），从父母遗传而来无法轻易改变；而连接组象征后天因素（nurture），是我们在这个缤纷世界中经过无数外界信息塑造后的大脑。在这个问题上，并非说基因组和连接组就一定是东风和西风谁压倒谁的问题，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。人类在进行学习与认知活动时，大脑中的电信号就会激活神经元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的水平，来对神经元之间的连接（突触）做出可塑性的改变。因此在这个角度上讲，连接组也是基因组在大脑中的功能投射。
作者还认为，全面了解大脑的神经元连接组，我们就可以了解大脑的奥秘。如上所说，我们知道所谓大脑连接组是个动态的组成，在我们的大脑接收处理了外界信息后，神经元之间的连接就很可能发生可塑性的改变，这些改变就代表了我们思考、记忆的过程等。因此，如果仅仅在某一个时间点上看清楚了（只是假设，现在还做不到）大脑的所有神经连接，下一个时间点你看到的就不同了。所以，如果如承教授所说，将大脑深度冷冻，储存连接组，是否能真正存储我们的思想，是否能有效提取连接组中的有效信息，还是完全的未知数。以现在的科学手段，这简直近乎科学幻想。
那么，如果暂时还没有办法洞察一个活人大脑中神经元间全面且动态的连接情况，研究大脑连接组还有意义么？近年来神经科学家们确实认识到，我们的高等认知功能及脑疾病的起因，往往与大脑中神经元的功能性连接改变关系甚密。虽然目前还无法全面得知大脑中所有神经元的动态连接情况，但是我们已经可以通过模式生物（如啮齿类的大鼠、小鼠），以及人类的近亲——非人灵长类等，来对大脑中的特定神经连接环路进行研究。研究内容包括：在高等认知功能中，有哪些神经连接组成的环路发生了激活与抑制；在病理状态（包括阿尔茨海默病、帕金森病、自闭症、抑郁症及精神分裂症）中，大脑中哪些神经连接组成的环路发生了破坏性的改变。比如说我们已经知道，在帕金森病患者中，因为释放多巴胺的神经元发生了死亡，大脑中涉及多巴胺的神经连接被严重破坏，而影响到了患者的运动及认知能力等。因此，如果能认识到大脑中这些神经元的连接模式及细节，的确可以极大促进我们对大脑工作原理的认识，同时得知脑疾病的起因与病理进程。
因为大脑中神经元为数甚多，相互之间的连接更是数不胜数，连接组计划涉及海量的人力、物力与财力，堪比20多年前的人类基因 ............

书籍插图：

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