《连接组》|姚广孝解读

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2018-02-27 看过

关于作者 承现峻,韩裔美国人,哈佛大学理论物理博士,目前就职于美国普林斯顿大学神经科学研究所与计算机科学系。他的研究涉及物理学和神经科学等诸多领域。2010年,承现峻在TED论坛上以“我是我的连接组”为题向全球听众发表了一次精彩的演讲,从而将“连接组”这个概念带入了大众视野。 关于本书 在本书中,承现峻教授首先回顾了大脑功能的研究历史、近年来连接组学的崛起过程及其对脑科学研究的重大推动作用,紧接着介绍了连接组学如何指导治疗抑郁症等精神疾病的药物研发,在全书的最后,作者对人体冷冻和意识上传这两项推动人类走向永生的科学研究进行了展望。 核心内容 本书认为针对连接组的探索才是真正解开大脑运行机理之谜的钥匙。只有开展连接组学研究,才能更好地在大脑中划分不同的功能区域,更准确地研究记忆的本质,更有效地研发精神类疾病的治疗药物,并为人体冷冻和意识上传这类试图实现人类永生的技术提供更可靠的评估标准。点击查看大图,保存到手机,也可以分享到朋友圈 一、大脑功能研究历史 早在古希腊时代,人们就已经发现,大脑可能就是决定人类情感与思考的器官。但对于如何研究这个器官,人们在很长一段时间里都无能为力。到了1819年,德国医生弗朗兹·高尔提出将大脑皮层划分成不同区域,每个区域对应特定的心智功能,从而产生了颅相学。 然而颅相学对大脑不同区域的功能近乎猜测,因此只能算是一种伪科学,直到20世纪初,德国的神经解剖学家科比尼安·布洛德曼才绘制出了一份真正严谨的人类大脑解剖地图。在这份地图上,大脑皮层基于严格的解剖学实验,被重新规划为52个区域,推动了神经解剖学的发展。 到了20世纪90年代,功能磁共振成像技术诞生。在这项技术的帮助下,科学家们迅速找到了大脑内负责视觉、触觉以及四肢运动的具体区域。然而作者认为基于功能磁共振成像技术的研究在本质上仍然属于颅相学,大脑实现某项功能,归根结底取决于某个特定区域内的所有神经元的相互连接,也就是所谓的连接组。 二、开展连接组学研究,必须具有相应的技术储备 1873年,意大利病理学家卡米洛·高尔基通过特别的脑组织染色方法,第一次观察到了人类大脑神经元的完整清晰形态。在显微镜下,神经元像四周伸展出无数分支,与其它相邻神经元接触。大脑内约有1000亿的神经元,如此多的神经元通过这些分支相互连接,构成了存储和传播信息的大网。 神经元之间的连接强度,会根据连接自身所受到的刺激程度,变得更强或更弱。这被称为“神经元连接的可塑性”。一些物理学家、计算学家、心理学家和神经学家据此形成了一个叫作“连接主义者”的松散学派。然而在很长一段时间内,受限于技术发展,连接主义学说的核心,也就是连接组,是无法观测的。 到了20世纪50年代,人们终于通过电子显微镜,拿到了第一张展示神经元连接细节的二维照片。此后,科学家们使用钻石刀制作出了超薄切片机,这种机器可以切出厚度只有30纳米的超薄切片。在超薄切片机的帮助下,我们可以把大脑组织切成一系列薄片,然后将薄片数据导入电脑,在三维空间中重建出神经元的形态。这一系列的技术进步,为连接组学奠定了坚实的研究基础。 三、连接组学能为脑科学研究带来进步 作者认为,连接组学首先能够带来更科学的大脑划分模式:如果两个神经元连接到大脑的同一个区域,那么它们就应该被划分为同一类神经元。因此,我们拿到神经元在大脑内的连接信息后,可以基于连接目标,将神经元分成对应不同功能的群落。这种划分方法比传统的脑区划分更为科学。 此外,连接组还能帮助解析大脑中的记忆。2005年,神经外科医生伊扎克·弗里德发现有特定的神经元能够对女明星珍妮弗·安妮斯顿的照片和她的名字产生电信号,这说明这个神经元可能参与了大脑中和安妮斯顿有关的记忆生成与记忆存储。为了验证这个想法是否正确,科学家们设计了一个动物实验。科学家们在珍珠鸟脑内控制鸣叫的区域,监测神经元的电信号发放特征。 研究发现,神经元的电信号和鸣叫有着非常强的对应关系,每个神经元都会在轮到它的节拍时迅速发放一个几毫秒的电信号,然后重新归于沉寂,不同神经元放电有先有后,严格遵循固定的顺序。我们知道,大脑中的神经元只有在接收了上一级的电信号刺激后才会发放自己的信号,因此科学家观察到的这种电信号依次发放的现象,很有可能代表了这些神经元之间的逐级连接关系。 不久的将来,我们可以使用连接组学的研究方法获得珍珠鸟大脑里控制鸣叫区域的三维图像,重建出这个区域内神经元的连接关系,也就是连接组。结合神经元电信号发放次序,就可以知道珍珠鸟唱歌时,信号在连接组上是如何传递的。由此,我们就复原出了珍珠鸟保存这段歌声的记忆。 四、连接组学可以提高治疗精神类疾病药物的研发速度 传统的药效检测都会从动物开始。我们可以在小鼠脑内临时阻断一部分区域的血流供应,制造出人类中风情况下的脑缺血症状。然而对于精神类疾病,这要困难得多,因为人们很难确认一只老鼠是否患上了自闭症或者精神分裂症。受限于这个因素,科学家们只能通过观察小鼠的外在行为变化,来判断小鼠在某种药物治疗下,精神疾病是否得到了治愈,但这种做法误差很大。 对于这个局面,作者认为这是药物研发思路有问题。研究精神疾病不用连接组,而去研究行为的变化,就像研究传染疾病不用显微镜一样荒谬。我们知道,精神疾病患者大脑内的连接组与正常人的连接组不一样,因此我们可以通过对比,找到患者连接组中出错的位置,作为药物的靶点。而在检测药效的时候,我们也可以观察这个药物是否有效地纠正了错误的大脑连接。大脑连接组是比外在行为更为本质的东西,因此我们基于连接组来研究和评估药效,显然更为有效。 五、连接组有助于人类永生的研究 以美国阿尔科生命延续基金会为代表的一些机构尝试使用人体冷冻术来保存人类的身体,等待将来技术进步能够解决疾病和衰老后,再让被冷冻的人复生。然而怎么判断阿尔科基金会的这项技术是否可靠呢?作者认为,“你就是你的连接组”,换句话说,一个人的思想、意识和记忆都保存在大脑内神经元相互连接所编织的网络里。 在连接组学的视角下,判断人体冷冻术是否可靠,不用关注神经元是否存活,只关心神经元之间的连接关系是否得到了保持。如果在冷冻过程中,只有少量神经突起发生断裂,问题可能还不是太严重;一旦成团的神经元连接遭到破坏,那就是真正的连接组死亡,将来技术再发达,恐怕也只能恢复这个人的身体,他的意识可能已经永远地丢失。 除了在物理世界保存人类的意识和思维,另一种思路是将人类的“自我”从物理世界上传到虚拟世界中。如果我们能够模拟大脑内所有原子的运动,那么这种模拟无疑是极度逼真的,但大脑内的原子数量实在太多了,进行这种程度的模拟要消耗天文数字的计算资源。所以我们只能使用尽可能简单的模型来进行模拟。 作者在TED演讲中说过:“我是我的连接组”,那就不难得出结论,一个合理的模拟,应该能还原一个人的连接组,也就是这个人大脑内所有神经元之间的连接。当然,因为人类大脑是不停活动的,所以这个模拟还要能够还原神经元连接的动态变化。尽管目前模拟出1000亿个神经元所组成的网络活动还非常困难,但也比模拟大脑内所有原子的运动要好很多。人们在设计程序时,只需要将主要精力放在如何实现连接强度的生成和变化上即可。作者认为,如果你想上传思维,那么这种模拟思路将是你唯一的希望。 金句 1. 你是你的连接组。 2. 如果想要真正弄清楚大脑内部的学习和记忆机理,就必须跳过宏观的大脑分区,直接与微观层面的神经元打交道。 3. 研究精神疾病不用连接组,而去研究行为的变化,就像研究传染疾病不用显微镜一样荒谬。 4. 思想、意识和记忆都保存在大脑内神经元相互连接所编织的网络里;而一个人的死亡,就意味着他的连接组发生不可逆转的损毁。接组》|姚广孝解读

关于作者 承现峻,韩裔美国人,哈佛大学理论物理博士,目前就职于美国普林斯顿大学神经科学研究所与计算机科学系。他的研究涉及物理学和神经科学等诸多领域。2010年,承现峻在TED论坛上以“我是我的连接组”为题向全球听众发表了一次精彩的演讲,从而将“连接组”这个概念带入了大众视野。 关于本书 在本书中,承现峻教授首先回顾了大脑功能的研究历史、近年来连接组学的崛起过程及其对脑科学研究的重大推动作用,紧接着介绍了连接组学如何指导治疗抑郁症等精神疾病的药物研发,在全书的最后,作者对人体冷冻和意识上传这两项推动人类走向永生的科学研究进行了展望。 核心内容 本书认为针对连接组的探索才是真正解开大脑运行机理之谜的钥匙。只有开展连接组学研究,才能更好地在大脑中划分不同的功能区域,更准确地研究记忆的本质,更有效地研发精神类疾病的治疗药物,并为人体冷冻和意识上传这类试图实现人类永生的技术提供更可靠的评估标准。

点击查看大图,保存到手机,也可以分享到朋友圈 一、大脑功能研究历史 早在古希腊时代,人们就已经发现,大脑可能就是决定人类情感与思考的器官。但对于如何研究这个器官,人们在很长一段时间里都无能为力。到了1819年,德国医生弗朗兹·高尔提出将大脑皮层划分成不同区域,每个区域对应特定的心智功能,从而产生了颅相学。 然而颅相学对大脑不同区域的功能近乎猜测,因此只能算是一种伪科学,直到20世纪初,德国的神经解剖学家科比尼安·布洛德曼才绘制出了一份真正严谨的人类大脑解剖地图。在这份地图上,大脑皮层基于严格的解剖学实验,被重新规划为52个区域,推动了神经解剖学的发展。 到了20世纪90年代,功能磁共振成像技术诞生。在这项技术的帮助下,科学家们迅速找到了大脑内负责视觉、触觉以及四肢运动的具体区域。然而作者认为基于功能磁共振成像技术的研究在本质上仍然属于颅相学,大脑实现某项功能,归根结底取决于某个特定区域内的所有神经元的相互连接,也就是所谓的连接组。 二、开展连接组学研究,必须具有相应的技术储备 1873年,意大利病理学家卡米洛·高尔基通过特别的脑组织染色方法,第一次观察到了人类大脑神经元的完整清晰形态。在显微镜下,神经元像四周伸展出无数分支,与其它相邻神经元接触。大脑内约有1000亿的神经元,如此多的神经元通过这些分支相互连接,构成了存储和传播信息的大网。 神经元之间的连接强度,会根据连接自身所受到的刺激程度,变得更强或更弱。这被称为“神经元连接的可塑性”。一些物理学家、计算学家、心理学家和神经学家据此形成了一个叫作“连接主义者”的松散学派。然而在很长一段时间内,受限于技术发展,连接主义学说的核心,也就是连接组,是无法观测的。 到了20世纪50年代,人们终于通过电子显微镜,拿到了第一张展示神经元连接细节的二维照片。此后,科学家们使用钻石刀制作出了超薄切片机,这种机器可以切出厚度只有30纳米的超薄切片。在超薄切片机的帮助下,我们可以把大脑组织切成一系列薄片,然后将薄片数据导入电脑,在三维空间中重建出神经元的形态。这一系列的技术进步,为连接组学奠定了坚实的研究基础。 三、连接组学能为脑科学研究带来进步 作者认为,连接组学首先能够带来更科学的大脑划分模式:如果两个神经元连接到大脑的同一个区域,那么它们就应该被划分为同一类神经元。因此,我们拿到神经元在大脑内的连接信息后,可以基于连接目标,将神经元分成对应不同功能的群落。这种划分方法比传统的脑区划分更为科学。 此外,连接组还能帮助解析大脑中的记忆。2005年,神经外科医生伊扎克·弗里德发现有特定的神经元能够对女明星珍妮弗·安妮斯顿的照片和她的名字产生电信号,这说明这个神经元可能参与了大脑中和安妮斯顿有关的记忆生成与记忆存储。为了验证这个想法是否正确,科学家们设计了一个动物实验。科学家们在珍珠鸟脑内控制鸣叫的区域,监测神经元的电信号发放特征。 研究发现,神经元的电信号和鸣叫有着非常强的对应关系,每个神经元都会在轮到它的节拍时迅速发放一个几毫秒的电信号,然后重新归于沉寂,不同神经元放电有先有后,严格遵循固定的顺序。我们知道,大脑中的神经元只有在接收了上一级的电信号刺激后才会发放自己的信号,因此科学家观察到的这种电信号依次发放的现象,很有可能代表了这些神经元之间的逐级连接关系。 不久的将来,我们可以使用连接组学的研究方法获得珍珠鸟大脑里控制鸣叫区域的三维图像,重建出这个区域内神经元的连接关系,也就是连接组。结合神经元电信号发放次序,就可以知道珍珠鸟唱歌时,信号在连接组上是如何传递的。由此,我们就复原出了珍珠鸟保存这段歌声的记忆。 四、连接组学可以提高治疗精神类疾病药物的研发速度 传统的药效检测都会从动物开始。我们可以在小鼠脑内临时阻断一部分区域的血流供应,制造出人类中风情况下的脑缺血症状。然而对于精神类疾病,这要困难得多,因为人们很难确认一只老鼠是否患上了自闭症或者精神分裂症。受限于这个因素,科学家们只能通过观察小鼠的外在行为变化,来判断小鼠在某种药物治疗下,精神疾病是否得到了治愈,但这种做法误差很大。 对于这个局面,作者认为这是药物研发思路有问题。研究精神疾病不用连接组,而去研究行为的变化,就像研究传染疾病不用显微镜一样荒谬。我们知道,精神疾病患者大脑内的连接组与正常人的连接组不一样,因此我们可以通过对比,找到患者连接组中出错的位置,作为药物的靶点。而在检测药效的时候,我们也可以观察这个药物是否有效地纠正了错误的大脑连接。大脑连接组是比外在行为更为本质的东西,因此我们基于连接组来研究和评估药效,显然更为有效。 五、连接组有助于人类永生的研究 以美国阿尔科生命延续基金会为代表的一些机构尝试使用人体冷冻术来保存人类的身体,等待将来技术进步能够解决疾病和衰老后,再让被冷冻的人复生。然而怎么判断阿尔科基金会的这项技术是否可靠呢?作者认为,“你就是你的连接组”,换句话说,一个人的思想、意识和记忆都保存在大脑内神经元相互连接所编织的网络里。 在连接组学的视角下,判断人体冷冻术是否可靠,不用关注神经元是否存活,只关心神经元之间的连接关系是否得到了保持。如果在冷冻过程中,只有少量神经突起发生断裂,问题可能还不是太严重;一旦成团的神经元连接遭到破坏,那就是真正的连接组死亡,将来技术再发达,恐怕也只能恢复这个人的身体,他的意识可能已经永远地丢失。 除了在物理世界保存人类的意识和思维,另一种思路是将人类的“自我”从物理世界上传到虚拟世界中。如果我们能够模拟大脑内所有原子的运动,那么这种模拟无疑是极度逼真的,但大脑内的原子数量实在太多了,进行这种程度的模拟要消耗天文数字的计算资源。所以我们只能使用尽可能简单的模型来进行模拟。 作者在TED演讲中说过:“我是我的连接组”,那就不难得出结论,一个合理的模拟,应该能还原一个人的连接组,也就是这个人大脑内所有神经元之间的连接。当然,因为人类大脑是不停活动的,所以这个模拟还要能够还原神经元连接的动态变化。尽管目前模拟出1000亿个神经元所组成的网络活动还非常困难,但也比模拟大脑内所有原子的运动要好很多。人们在设计程序时,只需要将主要精力放在如何实现连接强度的生成和变化上即可。作者认为,如果你想上传思维,那么这种模拟思路将是你唯一的希望。 金句 1. 你是你的连接组。 2. 如果想要真正弄清楚大脑内部的学习和记忆机理,就必须跳过宏观的大脑分区,直接与微观层面的神经元打交道。 3. 研究精神疾病不用连接组,而去研究行为的变化,就像研究传染疾病不用显微镜一样荒谬。 4. 思想、意识和记忆都保存在大脑内神经元相互连接所编织的网络里;而一个人的死亡,就意味着他的连接组发生不可逆转的损毁。

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