蒲慕明,徐波,谭铁牛.脑科学与类脑研究概述[J].中国科学院院刊,,31(7):-
人类的大脑是生物演化的奇迹，它是由数百种不同类型的上千亿的神经细胞所构成的极为复杂的生物组织。理解大脑的结构与功能是21世纪最具挑战性的前沿科学问题；理解认知、思维、意识和语言的神经基础，是人类认识自然与自身的终极挑战。脑科学对各种脑功能神经基础的解析，对有效诊断和治疗脑疾病有重要的临床意义；脑科学所启发的类脑研究可推动新一代人工智能技术和新型信息产业的发展。
《国家中长期科学和技术发展规划纲要（—）》对脑科学与认知科学研究做了战略规划：“脑功能的细胞和分子机理，脑重大疾病的发生发展机理，脑发育、可塑性与人类智力的关系，学习记忆和思维等脑高级认知功能的过程及其神经基础，脑信息表达与脑式信息处理系统，人脑与计算机对话等。”近年来，脑科学在基础研究和应用方面酝酿着历史性的重大突破，发达国家纷纷推出大型脑研究计划；我国政府亦将启动“脑科学与类脑研究”国家科技重大专项：侧重以探索大脑认知原理的基础研究为主体，以发展类脑人工智能的计算技术和器件及研发脑重大疾病的诊断干预手段为应用导向。面对激烈的国际竞争以及迫切的社会需求，“脑科学与类脑研究”项目的实施，将有助于我国在脑认知原理、类脑人工智能和脑疾病诊治的前沿领域取得重大突破，在国际上产生引领作用。
1国际脑科学和类脑研究的回顾与前瞻
1.1脑科学的回顾
现代神经科学的起点是神经解剖学和组织学对神经系统结构的认识和分析。从宏观层面，Broca和Wernicke对大脑语言区的定位，Brodmann对脑区的组织学分割，Penfield对大脑运动和感觉皮层对应身体各部位的图谱绘制、功能核磁共振成像对在活体进行任务时脑内依赖于电活动的血流信号等，使我们对大脑各脑区可能参与某种脑功能已有相当的理解。由于每一脑区的神经元种类多样，局部微环路和长程投射环路错综复杂，要理解神经系统处理信息的工作原理，必须先具有神经元层面的神经联结结构和电活动信息。20世纪在神经元层面从下而上的研究也有了一些标志性的突破，如Cajal对神经系统的细胞基础及神经元极性结构和多样形态的分析，Sherrington对神经环路和脊髓反射弧的定义，Adrian发现神经信息以动作电位的频率来编码信息的幅度，Hodgkin和Huxley对从动作电位的离子机制并发现各种神经递质及其功能，Katz和Eccles对化学突触传递的分析，Hubel和Wiesel发现各种视觉神经元从简单到复杂的感受野特性，Bliss和Ito等人发现突触的长期强化和弱化现象，O’keefe等人发现对特定空间定位有反应的神经元等，使我们对神经元如何编码、转导和储存神经信息有了较清楚的理解，但是这些神经元的特性是如何通过局部环路和长程环路产生的，我们的理解还十分有限。至于对环路中的神经信息如何产生感知觉、情绪、思维、抉择、意识、语言等各种脑认知功能的理解更为粗浅。问题的关键是，我们对脑功能相关的神经环路结构和神经信息处理机制的解析仍极不清楚。
1.2脑科学领域的重大问题：从图谱制作到机制解析
就像20世纪90年代“全基因组测序”是理解生物体基因基础的关键，“全脑图谱的制作”已成为脑科学必须攻克的关口。核磁共振等脑成像技术大大推动了人们在无创条件下对大脑宏观结构和电活动的理解[1]。但是由于这些宏观成像技术的低时空分辨率（秒、厘米级），不能满足在解析大脑神经网络结构和工作原理时的需求，目前急需有介观层面细胞级分辨率（微米级）神经网络的图谱和高时间分辨率（毫秒级）的载体神经元集群的电活动图谱。完整的全脑图谱制作的必要过程中，对每个脑区神经元种类的鉴定是必要的一步。目前使用单细胞深度RNA测序技术对小鼠大脑进行的鉴定中，已发现许多新的神经元亚型。利用在这些神经元亚型特异表达的分子作为标记，可以绘制各脑区各种类型神经元的输入和输出联接图谱。对一个神经元亚型的最好的定义是连接和功能的定义：接受相同神经元的输入并对相同脑区的相同神经元有输出的一群神经元。在建立结构图谱后，需要描叙各个神经联接在进行脑功能时的电活动图谱，这就需要有对神经元集群在体内的观测手段。有了神经元层面的网络电活动的图谱，并进一步用操纵电活动的方式来决定该电活动与脑功能的因果关系，就能逐步解析脑功能的神经基础。
上述三类脑图谱（神经元种类图谱、介观神经联接图谱、介观神经元电活动图谱）的制作将是脑科学界长期的工作。以目前已有的技术，鉴别小鼠全脑的所有神经元的类型和介观层面的全脑神经网络结构图谱制作至少需要10—15年，而对非人灵长类（如猕猴）则可能需要20—30年以上的时间。当然，与过去人类基因组测序一样，脑结构图谱制作的进展速度很大程度上依赖于介观层面观测新技术的研发，后者又依赖于对新技术研发和图谱制作的科研投资。值得注意的是，在全脑神经联接图谱未完成前，神经科学家针对特定脑功能的已知神经环路，对其工作机制已作出了许多有意义的解析。尤其是在过去10年中，使用小鼠为模型，利用光遗传方法操纵环路电活动，对特定神经环路的电活动与脑认知功能之间的因果关系的理解，取得了前所未有的进展[2,3]。神经系统内所有的脑功能环路都存在于彼此相连的神经网路之中，许多认知功能的神经环路都牵涉到许多脑区的网路，全脑的结构和电活动图谱是完整地理解大脑功能神经基础所必需的[4]。
许多动物都具有基本脑认知功能，例如感觉和知觉、学习和记忆、情绪和情感、注意和抉择等，这些功能的神经环路和工作机理研究，可使用各种动物模型（包括果蝇、斑马鱼、鼠、猴等）；但是对高等脑认知功能，如共情心、思维、意识、语言等，可能有必要使用非人灵长类（如猕猴和狨猴）为实验动物。介观神经网络的神经元类别、结构性和功能性的联接图谱绘制，在未来20年将是不可或缺的脑科学领域。我国科学家有望在此领域发挥引领作用。
1.3脑健康领域的重大问题：脑疾病的早期诊断和干预
据世界卫生组织定量评价，全球各类疾病给社会造成的负担中，脑疾病占28%，已超过心血管疾病或癌症。其中备受涓鍖婚櫌鏇濆厜璧勮川鐧界櫆椋庢棭鏈熺棁鐘跺強娌荤枟