大腦袋需要大數(shù)據(jù)

全球各種大腦圖譜計(jì)劃正在展開(kāi)，中國(guó)臺(tái)灣的計(jì)劃似乎有些小。當(dāng)?shù)乜茖W(xué)家正在研究果蠅，通過(guò)單個(gè)神經(jīng)元成像逆向編輯其大腦。他們的工作已經(jīng)以驚人詳細(xì)的程度制作了大腦電路的三維圖像。

研究人員僅需要一個(gè)計(jì)算機(jī)鼠標(biāo)和一個(gè)網(wǎng)頁(yè)瀏覽器就能追蹤單個(gè)細(xì)胞并將其縮放回神經(jīng)束交織的網(wǎng)絡(luò)中。這些布線圖看起來(lái)像掛毯上五顏六色的線，它們可以非常清晰地表明哪些細(xì)胞簇控制具體的行為。通過(guò)刺激具體的神經(jīng)線路，研究人員能夠提示一只果蠅拍打其左翅或是搖頭，這一技能去年11月在美國(guó)加州圣迭戈舉行的神經(jīng)科學(xué)年會(huì)上導(dǎo)致參會(huì)者整個(gè)下午特別激動(dòng)。

但臺(tái)灣新竹清華大學(xué)神經(jīng)學(xué)家Ann-Shyn Chiang說(shuō)，即便是對(duì)于這樣一個(gè)小生物，也耗費(fèi)了該團(tuán)隊(duì)整整十年以每個(gè)細(xì)胞10億字節(jié)的比率繪制6萬(wàn)個(gè)神經(jīng)元。這甚至不足果蠅屬大腦神經(jīng)細(xì)胞的一半。若以此推算，利用同樣的方式繪制人腦中的860億個(gè)神經(jīng)元將要花費(fèi)1700萬(wàn)年，Chiang在會(huì)議上報(bào)告說(shuō)。

其他的技術(shù)更加易于處理。2016年7月，一個(gè)國(guó)際團(tuán)隊(duì)發(fā)表了人腦褶皺外層——大腦皮層的圖譜。很多科學(xué)家認(rèn)為這是到目前為止最詳細(xì)的人腦連接圖。然而，即便在其最高空間分辨率（1立方毫米），每個(gè)立體像素（三維物體最小的可分辨元素）均包含數(shù)千萬(wàn)個(gè)神經(jīng)元。這與以單細(xì)胞繪制果蠅神經(jīng)元連接圖可謂差別懸殊。

所以，在神經(jīng)生物學(xué)的世界里，大數(shù)據(jù)確實(shí)是龐大的數(shù)據(jù)量。盡管計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)設(shè)施和數(shù)據(jù)傳輸的進(jìn)步，“大數(shù)據(jù)”革命數(shù)十年前曾席卷基因組學(xué)領(lǐng)域，如今神經(jīng)科學(xué)家仍在努力應(yīng)對(duì)他們所在領(lǐng)域的新革命。

有多大

這一部分是因?yàn)闊o(wú)論是什么物種，大腦都如此巨大、關(guān)聯(lián)度如此之高。但它也來(lái)自于細(xì)胞難處理的維度。哺乳動(dòng)物的神經(jīng)元主要延伸（即軸突）是其最小分支（樹(shù)突）長(zhǎng)度和寬度的20萬(wàn)倍。如果用意大利面代表樹(shù)突，那些神經(jīng)元自身就超過(guò)1公里的1/3，或是4個(gè)美式足球場(chǎng)。

在實(shí)驗(yàn)室中，研究人員通過(guò)成百上千個(gè)重疊的大腦切片圖像堆疊跟蹤其數(shù)千個(gè)投影，從而繪制每個(gè)神經(jīng)元。以光為基礎(chǔ)的顯微鏡能夠承載0.25~0.5微米的分辨率，這足以跟蹤一個(gè)神經(jīng)元的主體。但想要揭示突觸（通過(guò)電子或化學(xué)信號(hào)流的分鐘信號(hào)銜接點(diǎn)），納米成像電子顯微鏡是必需的。更高的像素意味著觀測(cè)領(lǐng)域更小和更多圖片。更多圖片意味著更多數(shù)據(jù)。

“我們不再是應(yīng)對(duì)百萬(wàn)字節(jié)，甚至是千兆字節(jié)?！甭迳即壞霞又荽髮W(xué)神經(jīng)成像實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人Arthur Toga說(shuō)，“我們應(yīng)對(duì)的是兆兆字節(jié)。將它從一個(gè)地方挪到另一個(gè)地方就是一個(gè)問(wèn)題?！眱烧渍鬃止?jié)的數(shù)據(jù)將填滿很多臺(tái)式機(jī)的硬盤(pán)。

Chiang的果蠅團(tuán)隊(duì)對(duì)1兆兆字節(jié)的圖像進(jìn)行了梳理，以重建1000個(gè)神經(jīng)細(xì)胞——少于果蠅屬大腦的1%。HCP明尼波利斯明尼蘇達(dá)大學(xué)共同首席研究員Kamil Ugurbil說(shuō)，為了繪制人類大腦皮層圖像，HCP研究人員分析了來(lái)自210名健康青年人的6兆兆字節(jié)的核磁共振（MRI）成像數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)室可以從該項(xiàng)目的網(wǎng)站或更大的數(shù)據(jù)集中下載那些數(shù)據(jù)，每次下載那些8兆兆字節(jié)的文件需要花費(fèi)200美元。

電生理學(xué)研究在計(jì)算方面也變得更加吃力。今天，研究人員通常每次記錄數(shù)百個(gè)神經(jīng)元。很快，它將會(huì)達(dá)到數(shù)千個(gè)；在5年內(nèi)，將達(dá)到成千上萬(wàn)個(gè)，瑞士日內(nèi)瓦大學(xué)神經(jīng)學(xué)家Alexandre Pouget說(shuō)?！斑@是我們將要發(fā)生的跳躍式前進(jìn)。”

劍橋哈佛大學(xué)神經(jīng)學(xué)家Florian Engert說(shuō)，如果你記錄小鼠大腦神經(jīng)元活動(dòng)20分鐘，那么將會(huì)產(chǎn)生約500拍字節(jié)的“閃爍”，其中神經(jīng)細(xì)胞放電代表為像素值的變化。

神經(jīng)學(xué)家沒(méi)有可以對(duì)比的模型，沒(méi)有將神經(jīng)連接和活動(dòng)行為、記憶或認(rèn)識(shí)相關(guān)連的地圖?？紤]到大腦巨大的錯(cuò)綜復(fù)雜性，馬里蘭州美國(guó)精神健康研究所負(fù)責(zé)人Greg Farber說(shuō)，問(wèn)題“并不在于我們有過(guò)多的數(shù)據(jù)，而是我們遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到需要解決這個(gè)復(fù)雜問(wèn)題的數(shù)據(jù)”。

搭建橋梁

過(guò)去17年，鹽湖城猶他大學(xué)研究神經(jīng)發(fā)育紊亂的系統(tǒng)神經(jīng)學(xué)家Julie Korenberg和同事一直研究在恒河猴中繪制大腦邊緣系統(tǒng)。這種靈長(zhǎng)類動(dòng)物大腦有60億個(gè)神經(jīng)元，而人類大腦則有860億個(gè)。但在研究模型中，恒河猴與小鼠或果蠅相比同人類血緣關(guān)系最近。

Korenberg的團(tuán)隊(duì)正在開(kāi)發(fā)一個(gè)三維協(xié)調(diào)模型，與恒河猴大腦中各種神經(jīng)成像數(shù)據(jù)相匹配，這些數(shù)據(jù)包括從整個(gè)大腦MRI連接到單細(xì)胞公焦數(shù)據(jù)以及一些區(qū)域的電子顯微鏡亞細(xì)胞分辨率。他們?cè)诮ⅰ耙粋€(gè)讓你在一個(gè)圖像上選擇一個(gè)點(diǎn)并以另一種分辨率來(lái)看這個(gè)點(diǎn)的系統(tǒng)”，國(guó)立精神衛(wèi)生研究所（NIMH）影響社會(huì)行為和社會(huì)認(rèn)知項(xiàng)目領(lǐng)頭人Janine Simmons說(shuō)，該機(jī)構(gòu)為Korenberg的研究提供了部分支持。Simmons說(shuō)，它有些類似谷歌地球，例如，你可以將焦距從40 ×直接轉(zhuǎn)變?yōu)? ×，但卻不能得到這些變焦尺度之間的層次。

利用20×共焦透鏡繪制恒河猴大腦邊緣系統(tǒng)圖像將需要巨大的數(shù)據(jù)集，每個(gè)動(dòng)物遠(yuǎn)超過(guò)600兆兆字節(jié)。到目前為止，該團(tuán)隊(duì)已經(jīng)收集了約100兆兆字節(jié)的數(shù)據(jù)信息，可以通過(guò)30太字節(jié)的本地服務(wù)器與云端儲(chǔ)存連接的聯(lián)網(wǎng)儲(chǔ)存設(shè)備獲取。Korenberg說(shuō)，研究人員可以用縮小尺寸的數(shù)據(jù)集和一臺(tái)性能良好的筆記本電腦解決一些問(wèn)題。但操作大規(guī)模的三維共焦數(shù)據(jù)集需要特別的工作站，即便如此傳遞每個(gè)平鋪的圖片也很緩慢。

然而，這項(xiàng)尚待發(fā)表的研究“有可能成為連接這一領(lǐng)域最重要的進(jìn)展”。紐約市西奈山醫(yī)院神經(jīng)解剖學(xué)家Patrick Hof說(shuō)，他曾與Korenberg合作過(guò)。例如，Korenberg說(shuō)，這些數(shù)據(jù)可以幫助科學(xué)家將在特定神經(jīng)紊亂（如精神分裂癥和自閉癥）中看上去很重要的基因聯(lián)系起來(lái)，從而了解確切的大腦線路異常。

文化轉(zhuǎn)變

隨著科學(xué)家將可能的范圍向前推動(dòng)，他們?cè)诮⒁粋€(gè)計(jì)算通道以應(yīng)對(duì)日益加大的工作量，此外還在建立新的工具共享和可視化最終生成的數(shù)據(jù)。但緩解神經(jīng)科學(xué)家的數(shù)據(jù)問(wèn)題，需要的不只是工具研發(fā)，還需要文化轉(zhuǎn)變。很難讓人們“放開(kāi)他們的數(shù)據(jù)”，加州斯坦福大學(xué)心理學(xué)家Russell Poldrack說(shuō)，他用神經(jīng)成像研究學(xué)習(xí)和記憶。它可能會(huì)成為“一代人的事情”，他說(shuō)，千禧一代人“比我們這一代人更喜歡共享編碼和數(shù)據(jù)”。Poldrack擔(dān)心，一流科學(xué)家可能會(huì)因?yàn)榭茖W(xué)“與他們認(rèn)為其應(yīng)該具有的價(jià)值不匹配”而沮喪，并離開(kāi)這個(gè)領(lǐng)域。

但態(tài)度在逐漸轉(zhuǎn)變，首先是那些針對(duì)軟件的，其次是數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)上，神經(jīng)成像實(shí)驗(yàn)室會(huì)花費(fèi)大量時(shí)間下載和裝載同樣的β測(cè)試軟件。“為各種軟件失靈和計(jì)算瓶頸開(kāi)路，編寫(xiě)大量累贅的編碼以及進(jìn)行他們自己的數(shù)據(jù)管理解決方案，以處理同樣的問(wèn)題”。加州大學(xué)戴維斯分校神經(jīng)科學(xué)博士生David Grayson說(shuō)。更糟糕的是，很多非研究性任務(wù)被委托給學(xué)生、博士后和年輕科學(xué)家。

傳統(tǒng)的學(xué)術(shù)模式對(duì)此沒(méi)有幫助。研究人員通常會(huì)設(shè)置假設(shè)，并在其團(tuán)隊(duì)內(nèi)獨(dú)立地考慮自己的想法。在這樣的環(huán)境中，研究并未把人帶到一起，而是將他們分散開(kāi)來(lái)，華盛頓西雅圖艾倫腦科學(xué)研究所的Hongkui Zeng說(shuō)。“你需要讓自己不同。需要在該領(lǐng)域建立自己的身份，你需要做一些與他人不同的事情。”

在談到大腦研究時(shí)，“完成”是個(gè)移動(dòng)性的目標(biāo)。對(duì)于神經(jīng)科學(xué)工具包來(lái)說(shuō)也是如此。在神經(jīng)科學(xué)學(xué)會(huì)年會(huì)的講話中，Chiang感嘆繪制一只果蠅大腦的一半圖譜居然花費(fèi)了10年。他們與中國(guó)臺(tái)灣的物理學(xué)家合作，正開(kāi)始利用一種叫作同步加速器X射線斷層掃描的技術(shù)大幅提高數(shù)據(jù)認(rèn)知?！八鼉H需要不到10分鐘就繪制一只果蠅的大腦圖像，其中包含數(shù)千個(gè)高爾基染色單個(gè)神經(jīng)元?！盋hiang說(shuō)，他的團(tuán)隊(duì)正在小鼠和豬身上嘗試該方法。