为了真正理解大脑是如何工作的，神经科学家还需要知道被认为存在于大脑中的大约1 000种细胞中的每一种都是如何以不同的电学语言（electrical dialects）相互交流的。有了这样一张完整、轮廓分明的地图，他们可以真正开始解释驱动我们思考和行为的网络。
想要理解大脑如何工作，就像从太空中看地球，能够倾听到每个人彼此之间的对话一样，充满了挑战。
将大脑起皱的表面放大100万倍，你会看到一个由不同形状和大小的细胞组成的万花筒，这些细胞分支并相互接触。再放大10万倍，你就会看到细胞的内部运作——每一个细胞中的微小结构、它们之间的接触点以及大脑区域之间的远距离连接。
科学家已经为秀丽隐杆线虫和果蝇大脑，以及小鼠和人类大脑的微小部分绘制了类似的地图。但这些图表只是开始。为了真正理解大脑是如何工作的，神经科学家还需要知道被认为存在于大脑中的大约1 000种细胞中的每一种都是如何以不同的电学语言（electrical dialects）相互交流的。有了这样一张完整、轮廓分明的地图，他们可以真正开始解释驱动我们思考和行为的网络。
这种地图正在出现。美国政府努力了解和遏制老龄化人口中日益加重的大脑疾病负担，并不断取得成果。这些项目在过去十年中启动，旨在系统地绘制大脑的连接图，并对其细胞类型及其生理特性进行分类。
这是一项繁重的任务。美国国家心理健康研究所（US National Institute of Mental Health, NIMH）主任Josh Gordon说：“但是，了解所有的脑细胞类型，以及它们如何相互联系以及相互作用，将开启一组现在无法想象的全新疗法。”
最大的项目开始于2013年，当时美国政府和欧盟委员会启动了“登月计划”，帮助研究人员破解哺乳动物的大脑密码。
到2027年美国估计要花费66亿美元，在“通过推进创新神经技术进行大脑研究”（Brain Research through Advancing Innovative Neurotechnologies, BRAIN）中重点开发和应用新的大脑测绘技术。欧盟委员会及其伙伴组织在“人类大脑计划”（Human Brain Project, HBP）上已经花费了7.03亿美元，主要目的是模拟大脑回路，并利用这些模型作为实验平台。
在这些研究的激励下，最开始是小鼠研究，日本于2014年启动了“综合神经技术的大脑绘图用于疾病研究”（Brain Mapping by Integrated Neurotechnologies for Disease Studies, Brain/MINDS）计划，其中很大一部分是在狨猴大脑中绘制神经网络。自此，包括加拿大、澳大利亚、韩国和中国在内的其他国家启动或承诺启动脑科学项目，但目标各不相同。
这些正在进行的工作已经产生了庞大的、多样化的数据集，所有这些数据集都将向公众开放。例如，2020年12月，HBP启动了EBRAINS平台，可以访问各种规模的数据集，并提供分析工具和实验资源。
由BRAIN Initiative资助的最大型研究之一是由BRAIN Initiative细胞普查网络（BRAIN Initiative Cell Census Network, BICCN）创建的一个庞大的细胞类型目录。该目录描述了有多少种不同的脑细胞类型，它们的存在比例以及它们在空间上的排列方式。
“理解大脑需要了解它的基本元素以及它们是如何组织的。”BICCN成员、杜克大学的神经生物学家Josh Huang说。“这是我们研究神经回路是如何构建和运行的起点，也是我们最终了解这些回路驱动的复杂行为的起点。”
BICCN已经绘制了大约1%小鼠大脑的细胞类型图，并有一些包括人类在内的灵长类大脑的初步数据。它计划到2023年完成整个小鼠大脑的研究。这些地图已经暗示了物种之间的一些细微差异，有助于解释我们对某些人类特有疾病（如阿尔茨海默病）的易感性。
令神经科学家特别兴奋的是，BICCN正在构建针对与疾病相关的特定细胞类型和回路的工具，这将有助于测试关于大脑功能的假设，并开发治疗方法。
艾伦脑科学研究所主席、神经科学家Christof Koch说，细胞目录是一块急需的试金石。“没有元素周期表，化学就没有意义，如果不了解细胞类型的存在和功能，理解大脑就没有意义。”
细胞类型
一个多世纪前，西班牙神经学家Santiago Ramóny Cajal首次展示了哺乳动物大脑中有多少种不同的细胞类型。他对神经元进行染色，以便在显微镜下看到它们，然后对它们的形状做出精美的绘图。在他发现的几十种细胞类型中，有些有轴突——从像蜘蛛腿一样的块状细胞体延伸到很远的地方。有的轴突较短；其他的看起来更像星星。他推断，由于每个细胞的轴突与其他细胞的细胞体非常接近，它们可能在传递信息。由于他的发现，他与他人共同获得了1906年诺贝尔生理学或医学奖。
此后，大多数细胞类型的研究都集中在大脑皮层上，大脑皮层控制着动物许多更复杂的行为。在过去的三十年里，神经科学家已经发现大脑皮层中有三类主要的细胞，它们的谱系可以追溯到不同的发育阶段。这包括两类神经元-抑制性和兴奋性。两者都能传递电脉冲，但前者抑制伙伴神经元的活动，而另一个则能激发它。第三类由支持和保护神经元的大量非神经元细胞组成。
在过去的几十年里，神经科学家们使用了每一种合适的新技术来微调这些类别中不同细胞类型的定义。研究人员意识到，表面上看起来相同的细胞可能是不同的细胞类型，这取决于它们与其他脑细胞或区域的联系，或者它们的电特性。
与此同时，研究人员正在收集有关神经元在网络中如何连接以及网络特性的数据。（HBP启动时就专注于生成算法和计算能力，以帮助研究人员模拟这些网络如何协同工作。）
从20世纪90年代开始，研究人员开始研究不同细胞类型中的基因活性，以及它们的表达如何反映自身特性。
2006年，艾伦研究所创建了一个基因表达图谱，显示了大约21 000个基因在小鼠大脑中的表达位置。大约50名工作人员花了3年时间构建艾伦大脑图谱（图4，见P38）。它定期更新，并被广泛参考，帮助科学家找到他们感兴趣的基因的表达位置，或研究特定基因在疾病中的作用。
尽管如此，公众还是想要更多。艾伦脑科学研究所所长曾红葵说：“我们希望能够同时看到每个细胞中表达的每个基因。”单个细胞中不同的基因表达模式将使研究人员能够确定它们是哪种类型的细胞——这是一项雄心勃勃的任务，因为小鼠的大脑包含1亿多个细胞，其中2/3是神经元。（人类的大脑要大3个数量级，超过1 700亿个细胞，其中一半是神经元。）
21世纪中期出现的颠覆性技术有望帮助实现这一目标。科学家们已经开发出一种在单个细胞中对RNA进行测序的方法，这项技术在过去十年中改变了生物学的所有领域。一个细胞的转录组——代表其所有蛋白质编码基因读出的RNA——是细胞在给定时间生产哪些蛋白质的指标。
测序狂潮
在他们的试点项目中，研究人员选择了一个适度的目标：小鼠大脑中一个称为运动皮层的小角落，它处理有关运动计划和执行的信息。运动皮层在所有哺乳动物中都有明确的对应物，这使得比较小鼠、人类和其他物种的结果成为可能。他们测量超过110万个细胞的RNA含量，并分析了它们是如何聚集在一起的。
他们发现了56个不同的簇，每个簇被认为代表不同的细胞类型。艾伦研究所的Ed Lein说，一个大问题是，细胞的基因分类是否与它所做的一切相匹配，包括它如何发射、它有什么形状以及它发射到哪里。
他说，到目前为止，这似乎是相符的。Lein领导了一个平行的BICCN项目，该项目分析了脑癌手术期间从一名患者身上切除的新鲜脑组织，使用一种称为patch–seq的特别强大的方法，该方法允许从单个细胞中进行3种不同类型的测量。这项技术使用一种特殊的玻璃移液管夹在细胞膜上，记录细胞的电活动，向细胞内注入染料，以便观察细胞的解剖结构，然后吸出细胞内容物进行转录组分析。
研究小组发现，具有共同转录组模式的细胞也具有相同的独特形状和放电模式。“这表明转录组学可以作为解释细胞多样性和预测细胞特性的罗塞塔石（Rosetta stone）。”Lein说。
其他科学家们已经从研究结果中获得了灵感，特别是发现同一类别的神经元彼此之间的差异如此之大。
两年前，加利福尼亚大学的神经学家Anne Churchland开始设计一组小鼠实验，观察这种多样性在兴奋性神经元中的重要性。她的早期研究结果表明可能是：当小鼠执行听力任务时，不同的兴奋性神经元在不同的时间激发。
更大的大脑
在细胞普查的下一阶段，研究小组将更多地关注更大的大脑。其中一些研究工作已经开始。对死后的狨猴和人类大脑的RNA测序表明，不同物种的细胞类型具有显著的一致性。那么，是什么解释了人类明显优越的认知能力呢？
“这些研究的主要结论是，细胞类型的总体蓝图在物种间是保守的。” Lein说，“尽管如此，你仍然可以找到相当重要的物种特化证据，即使它们只是一个主题的变体。”BICCN转录组学研究显示，人类大脑中的细胞类型比小鼠大脑中的细胞类型更为多样，特别是在最近进化的神经元中。其中一种神经元在阿尔茨海默病中被选择性消耗。
BICCN研究强调的另一个区别是，小鼠、狨猴和人类大脑皮层中兴奋性和抑制性神经元的平衡发生了巨大变化。人类的比例为2:1，而狨猴为3:1，小鼠为5:1。Lein指出，这是一个令人惊讶且相当神秘的发现。“这些累积的差异可能导致人类大脑皮层组织和功能的深刻变化。”他说。
美国BRAIN Initiative负责人、加利福尼亚大学神经学家John Ngai说，人类大脑的特殊之处将归结为细胞多样性、细胞类型的比例、大脑的排列以及可能更多方面的差异。
从地图到医学
Ngai说，BRAIN Initiative的下一步将是建立工具，选择性地靶向与疾病相关的回路中的特定细胞类型，并提供治疗分子。
研究人员特别兴奋的靶向方法依赖于BICCN发现的单个细胞类型特有的DNA短片段。这些短序列可以作为这些细胞类型的标记，使研究人员能够建立小鼠品系，在小鼠品系中，他们可以针对不同的细胞，操纵细胞的活动，从而控制相关回路的活动。基础科学和医学都将受益。挪威卡夫利系统神经科学研究所的Edvard Moser说：“瞄准大脑中每个细胞的能力将是对基础研究的巨大支持。”他因为在大脑导航方面的工作而获得2014年诺贝尔生理学或医学奖。
瑞士巴塞尔分子与临床眼科研究所的Botond Roska说，这些工具对于基因治疗也“极其重要”，基因治疗是一种替代缺失或断裂基因的治疗方法。Roska正在测试世界上第一种光遗传疗法——将感光蛋白插入视网膜神经元——治疗某种类型的失明。从在视网膜中确定合适的细胞到发表第一个个体的成功治疗，他花了19年的时间。他说，BICCN活动将加快科学家在未来研究其他大脑区域的速度。
Gordon说，精神病和神经系统药物的开发人员需要考虑细胞类型，但直到现在还是不可能的。“现在，我们正在一次性向所有细胞投掷药物，而不知道它们会影响哪些细胞——这就是为什么我们在精神病学和神经病学中的许多治疗都有明显的副作用。”
放大研究
了解大脑的各个部分是一回事，了解他们如何协作是另一回事。一些大型大脑项目，以及世界各地的几个独立研究小组，正在研究包括小鼠和人类在内的许多物种的细胞类型及其连接的空间组织——被称为连接体。
为了做到这一点，科学家们对大脑进行染色，然后将其切成超薄层，并用电子显微镜拍摄图像。然后，他们将图像堆叠在一起，并使用人工智能跟踪每个细胞的3D路径。这种分辨率如此之高，以至于它暴露了每一个突触——细胞膜上与其他细胞形成化学联系的微小结构。
BICCN计划利用高分辨率电子显微镜制作一张整个小鼠大脑的3D解剖图，提供10亿倍放大率以观察细胞内部的运作。从事日本Brain/MINDS项目研究的科学家正在追踪狨猴的连接体，其他包括德国马克斯•普朗克学会的3个不同研究所，正在研究其他大型哺乳动物的连接体。
脑屏障
大多数神经科学家认为，大型绘图项目是该领域未来发展的关键，但一些人仍持谨慎态度。纽约大学的神经生理学家Tony Movshon怀疑对细胞类型和连接体的详细了解是否会立即有所帮助。“在任何人进行转录组学分析之前，我们已经从形态学和其他分类中知道了一些细胞类型，我们仍然完全处于茫然状态。”他说，“知道有更多不同的基因类型在短期内对理解回路如何工作并没有多大帮助。”
但他说，能够标记或操纵特定细胞类型的工具将“非常棒”。“如果我们对正在记录的细胞有更多的了解，我们会学到更多。” Movshon在1990年启动人类基因组计划（HGP）时也对该计划持怀疑态度，但他说，该计划的衍生品——包括使细胞普查工作得以开展的工具——同样具有变革性。
在科学见解和研究工具方面，科学家们看到了BICCN和HGP工作之间的许多其他的相似之处。2001年人类基因组草图完成后，研究人员意识到人类的基因并不比小鼠多得多。他们发现，要弄清楚系统是如何工作的，他们需要的不仅仅是基本的零件目录。他们需要关于基因表达方式和时间以及基因如何相互影响和与环境相互作用的额外信息。
Huang说，BICCN面临的挑战类似，但其范围最终将使HGP相形见绌。“基因组只是一种类型的信息，一系列核苷酸；细胞类型图谱是许多不同类型的信息。”
随着细胞普查数据流的继续，研究人员正在研究如何将这些信息组合成“共同坐标框架”——一种特定物种的参考大脑。通过这种方式，可以从单个位置提取多种类型的信息。
HBP的EBRAINS平台正在创建自己的通用坐标框架。比利时鲁汶天主教大学的神经生理学家Wim Vanduffel说，将不同类型的生物信息链接到同一个空间是一个巨大而重要的计算挑战，因此，可以比较和物种内或物种间的研究。他说，“通用框架起着锚点作用。”
HBP和BICCN正在讨论如何将他们的数据链接在一起。“BICCN是自下而上的，我们是自上而下的。”HBP科研主任、德国杜塞尔多夫大学的神经学家Katrin Amunts说。
最终目标是建立一个天文台，将所有这些项目的数据整合成一幅宏大、统一的画面。四年前，考虑到这一点，big-brain项目的研究人员共同创建了国际大脑倡议（International Brain Initiative），主要任务是帮助神经科学家找到收集和分析数据的方法。
Koch说，在遥远的地平线上，存在着通过破解大脑回路来治疗大脑疾病的前景。
“大脑是宇宙中最复杂的高活性物质。”他说，“破解它的工作原理没有什么灵丹妙药，但拥有基本的硬件将带来对其回路的机械理解。”
参考文献：Perkel JM. Alison Abbott. Billion-dollar brain maps: what we’ve learnt[J]. Nature,2021,598:22-25.