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奧秘的腦與認知科學國家重點實驗室。

　　“認知顯微鏡”：促進神經科學與臨床診斷

　　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，房間里最主要的設備就是一臺臺電腦。房間的墻壁布有吸音材料，頂部設有通風裝置，房間的燈可以根據實驗需要調節明暗度。

　　腦成像技術的不斷突破對腦與認知科學發展的影響，好比望遠鏡之于天文學。

　　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。

　　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為核心的、與多種成像裝置結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，觀測腦部的細微結構更加清晰。”一旁的王波副研究員告訴記者，當病人進入室內，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備，對腦部有針對性地開展視覺刺激呈現和反應信號同步記錄等。

　　他將這臺設備比喻為“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，結構分辨率從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。

　　“通過該設備的檢查結果，能看到神經外科患者的哪些腦組織是有功能的。醫生在手術中可有針對性地避開這塊區域，從而讓患者手術后不僅能活下來，還能活得好。”王波以一個“術前功能定位”的例子，描述了功能成像技術的進步對臨床醫學的影響。“目前實驗室和北京的天壇、宣武、同仁等大型醫院都在開展合作，成效已初現端倪。”

　　從斑馬魚到果蠅：放射狀的研究路線圖

　　實驗室的墻上，除了實驗室發表的優秀論文，最吸引人的是一張呈放射狀的研究線路圖。

　　“當前，生命科學已經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，大家都越來越關注和智力起源相關的腦與認知科學。”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》上發表的一篇論文文章。

　　在那篇文章里，陳霖首次提出了拓撲性質知覺理論，向近代占統治地位的“由局部性質到大范圍性質”的理論提出挑戰。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，我國的認知科學研究也越來越受到世界認可。如今陳霖和他的團隊已經把這個理論應用到注意、記憶、意識乃至情緒等不同認知層次的研究，進一步地把科學問題凝練成“認知的基本單元”這個看似簡單、實則內涵異常豐富的問題。

　　“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，“這其實是一個動態的網頁系統，在電腦上用鼠標點擊就會打開某個課題的網頁，里面詳細記錄了課題的研究內容、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展態勢，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律明顯，對光反應強烈，因此可以很容易地使用行為學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皿中，運動的光柵等視覺刺激由微型投影機投射到培養皿外一個半圓的屏幕上。頂蓋是魚腦中高度發達的部分，在斑馬魚頭上不過芝麻大小的頂蓋范圍內，劉祖祥需要在前后左右方向鉆4個孔，對魚實現局部麻醉，以考察頂蓋對特定視覺功能的作用。

　　“基本是個外科手術。”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典模式動物。人類疾病相關的基因中大約75%在果蠅中具有同源基因，并且在神經疾病的發生和病癥上，都與哺乳動物有高度相似性。因此，果蠅成為研究基因—細胞—神經環路—腦功能—腦疾病的理想模型。

　　腦與認知科學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習記憶的研究。

　　“就是用這套設備，郭先生在《科學》雜志上已經發表了3篇重要論文，確定了領域內獨樹一幟的地位。”研究團隊李巖研究員向記者重點介紹了飛行模擬器系統，“這是一種操作式學習記憶，果蠅能夠選擇飛行區域，類似于飛行員訓練時的模擬飛行，通過將懲罰區域與圖形線索結合起來，我們就能夠訓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表在《自然》和《科學》雜志上，揭示了果蠅視覺學習和光感受兩個方面的精細神經環路。

　　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習記憶，睡眠節律和求偶的行為學范式。

　　嗅覺學習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，結果就不準確。”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律的實驗儀器，里面有紅外監測果蠅24小時的活動性。

　　為了深入研究行為學的神經機制，李巖在實驗室建立了分子遺傳學和光學成像平臺。“利用果蠅，理解神經發育、腦工作原理，乃至疾病的發生和防治，最終造福人類。”李巖說，這是基礎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》中的技術未來能成真嗎?

　　當記者拋出這個疑問時，王波說，要實現這樣的奇跡，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。但現有技術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元的成果，還不能跟宏觀層面的理論對接。因此科學家對大腦的監測，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。”

　　隨著腦與認知科學的發展，也許有一天，“阿凡達”不再僅僅是一個銀幕神話。

　　其實，如今腦與認知科學的發展正在滲透到科學研究和日常生活的方方面面。卓彥說，比如在教育學上，一位實驗室的合作伙伴在其研究中發現，中國人的語言區靠近運動區，而西方人是靠近聽覺區，所以中國人在“寫”中學，而西方人更傾向于在“聽”中學，這一研究對設計教學方案有重要啟示。先進的功能成像技術的另一個重要應用是在醫學方面，突破了只能發現器質性病變的局限，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系統疾病的早期發現帶來希望。

　　“我們希望為同行提供一個和國際接軌的平臺，帶動一批學科發展，不僅僅是認知科學、神經科學，還有諸如經濟學、教育學、法學，甚至軍事科學這樣一些過去未曾預料的學科。”卓彥對未來充滿信心。