在人類探索自然的征程中，有兩個終極問題始終吸引着我們：一個是遙望星空，宇宙是如何運作的；另一個是向內審視，意識是如何產生的？如果說天文望遠鏡延伸了人類的視野，那麼腦科學圖譜則照亮了人類認知的“內在宇宙”。2025年7月，中國科學院腦科學與智能技術卓越創新中心聯合國內外30多家科研機構，集中發佈了十項腦圖譜研究的重大成果，標誌着我們在理解大腦的道路上邁出了關鍵一步。

大腦：人類科學的“終極挑戰”

大腦是自然界最精妙的“造物”。就在你閱讀這句話的瞬間，你的大腦正有數百億個神經元在高效協作，通過上萬億個連接傳遞信息，處理視覺信號、理解文字含義、調用記憶、產生情感反應。這一切都在一個僅1.4公斤重的器官中同時進行，其複雜程度遠超過我們已知的任何系統。

長期以來，科學家們一直夢想着繪製一份完整的“大腦地圖”——不僅要標註出每個神經元的位置，還要描繪它們之間的連接網絡，更要理解這些連接如何產生思維、情感和意識。這個夢想可以追溯到一百多年前，現代神經科學之父、西班牙科學家拉蒙·卡哈爾首次在顯微鏡下觀察到神經元結構並提出“神經元學說”，開創了現代神經科學。

然而，真正解析大腦卻困難重重。人腦包含約860億個神經元，每個又可形成上千個連接。繪製整個網絡好比記錄地球上所有人的社交關係。更困難的是，大腦不是靜態的，而是始終處於動態變化中——神經連接會根據經驗而加強或減弱，新的連接會形成，舊的連接會消失。

介觀尺度：連接微觀與宏觀的橋樑

這次中國科學家的突破聚焦在“介觀”尺度。什麼是介觀？我們可以用一個比喻來理解：如果把大腦看作一座城市，微觀尺度是看清一磚一瓦，宏觀尺度是衛星俯瞰全城，而介觀尺度則如同走在街道上觀察——既能看清建築物細節，又能理解街區的佈局和道路的連接。

在腦科學中，介觀尺度意味着能夠同時觀察單個神經元和它們形成的網絡。這個尺度特別重要，因爲大腦的功能不是由單個神經元決定的，而是由神經元網絡的活動模式決定的。就像交響樂的魅力不在單一音符，而在於旋律與和聲的配合。

中國科學家開發的一系列新技術，讓介觀尺度的觀察成爲可能。其中最引人注目的是超高速VISoR技術。這項技術能夠在40小時內完成成年小鼠全身的三維成像，分辨率達到微米級別。這意味着科學家不僅能看清每一個神經元，還能追蹤它們的軸突和樹突如何延伸、分支、與其他神經元建立連接。

圖片來源：中國科學院腦科學與智能技術卓越創新中心

更令人驚歎的是，研究團隊成功地將這項技術應用到了獼猴大腦。獼猴是與人類親緣關係最近的實驗動物之一，它們的大腦結構與人腦非常相似，儘管體積小得多，但仍比小鼠大腦大數百倍，要對其進行全腦成像是一個巨大的技術挑戰。研究團隊開發的LV-fMOST技術首次實現了獼猴全腦的亞微米級三維成像，堪稱技術上的重大飛躍。

空間轉錄組：讀懂細胞的“身份證”

除了看清神經元的形態和連接，科學家還需要知道每個神經元的“身份”——它是什麼類型的神經元？表達哪些基因？執行什麼功能？這就需要用到另一項革命性技術：空間轉錄組。

傳統的基因測序技術需要將組織分解成單個細胞，這樣雖然能夠了解每個細胞的基因表達情況，卻丟失了關鍵的空間位置數據。而空間轉錄組技術能夠在保持組織完整的情況下，檢測每個位置的基因表達，就像給每個細胞貼上了帶有詳細信息的“身份證”。

華大生命科學研究院開發的Stereo-seq技術在這方面取得了重要突破。這項技術能夠以接近單細胞的分辨率檢測整個組織切片的基因表達，生成的數據就像一張超高清的“分子地圖”，顯示不同類型的細胞在大腦中的分佈。

通過這項技術，研究團隊發現了許多有趣的現象。比如，GABA能神經元在從烏龜到人類的多個物種中，都扮演着抑制性調節的角色，像是大腦活動的“剎車系統”。但同時，不同物種也有各自的特色。例如鳥類小腦中存在特殊的浦肯野細胞亞型，這可能與它們高超的飛行能力有關；靈長類大腦中則出現了更多樣化的中間神經元類型，可能與複雜的認知功能相關。

意識的物質基礎：屏狀核研究的新發現

在所有的腦區中，“屏狀核”可能是最神祕的一個。這個薄片狀的結構深藏在大腦內部，長期以來被一些科學家認爲可能是意識產生的關鍵部位。已故的DNA雙螺旋結構發現者之一弗朗西斯·克里克在晚年就專注於研究屏狀核與意識的關係。

這次的研究爲理解屏狀核的功能提供了重要線索。通過精密的神經追蹤技術，研究團隊發現獼猴的屏狀核具有極其廣泛的連接——它幾乎與大腦皮層的所有區域都有聯繫，是名副其實的“連接樞紐”。

圖片來源：中國科學院腦科學與智能技術卓越創新中心

更有意思的是，屏狀核並不是均一的結構，而是分爲四個不同的亞區。每個亞區有特定的連接模式和細胞類型。前部的亞區主要與感覺皮層連接，後部的亞區則與高級認知區域聯繫更密切。這種精細的結構可能使屏狀核能夠整合來自大腦各個部分的信息，產生統一的意識體驗。

研究還發現，靈長類的屏狀核比其他哺乳動物更加發達，包含了一些靈長類特有的細胞類型。這可能解釋了爲什麼靈長類，特別是人類，具有更豐富的意識體驗和自我認知能力。

高效與精簡：靈長類大腦的智慧設計

前額葉皮層被認爲是大腦的“CEO”，負責執行控制、決策、規劃等高級認知功能。人類的前額葉皮層特別發達，佔大腦皮層總面積的近30%。理解前額葉皮層的組織原則，對於理解人類智能的本質至關重要。

研究團隊使用自主開發的Gapr神經元追蹤系統，重構了2231個獼猴前額葉皮層投射神經元的完整形態。這項工作的工作量驚人——每個神經元的重構都需要追蹤其從胞體發出的所有軸突分支，有些軸突可以延伸到幾釐米之外的腦區。

分析結果揭示了一個意外的發現：與傳統觀點不同，靈長類大腦的連接並不是隨着腦容量增大而簡單增加的。相反，獼猴前額葉皮層展現出“精簡高效”的連接模式。神經元的連接更加精確和有選擇性，形成了模塊化的信息處理單元。

圖片來源：中國科學院腦科學與智能技術卓越創新中心

這就像是從普通公路網升級到高速公路系統——雖然總里程可能沒有顯著增加，但通過優化路線設計，信息傳遞的效率大大提高。這種組織原則可能是靈長類能夠進行復雜認知活動的關鍵。

從演化看大腦：跨物種比較研究

要真正理解人腦的獨特之處，需要將其放在演化的背景下考察。這次的研究覆蓋了從爬行類到靈長類的多個關鍵物種，試圖描繪大腦演化的軌跡。

研究團隊比較了烏龜、鳥類、小鼠、獼猴等物種的端腦和小腦細胞圖譜。結果發現，大腦的演化並不是簡單的“擴大”過程，而是在保守與創新之間的平衡。

一方面，某些基本的細胞類型和迴路模式在演化中高度保守。比如，負責運動控制的基本回路在所有脊椎動物中都很相似；處理基本感覺信息的機制也大同小異。這些保守的元素構成了大腦功能的基礎框架。

另一方面，不同的演化分支發展出了各自的特色。鳥類雖然大腦體積不大，但發展出了高度特化的腦區來支持飛行和鳴唱；哺乳動物則發展出了發達的新皮層，支持更復雜的學習和記憶；靈長類更是在此基礎上發展出了前所未有的認知能力。

特別值得注意的是，研究發現靈長類大腦的一個重要特徵：軸突末梢的覆蓋精度顯著高於小鼠。這意味着靈長類神經元能夠更精確地選擇連接目標，形成更特異的信息處理通路。這種精確性可能是複雜認知功能的基礎。

圖片來源：中國科學院腦科學與智能技術卓越創新中心

疾病研究的新視角：阿爾茨海默病和腦出血

腦圖譜研究不僅深化了對正常腦功能的認知，也爲疾病研究提供了全新的視角。這次的成果中有兩項重要的疾病相關研究，分別聚焦阿爾茨海默病和腦出血。

阿爾茨海默病是最常見的神經退行性疾病，影響全球數千萬老年人。儘管科學家已經知道這種疾病與β-澱粉樣蛋白和tau蛋白的異常積累有關，但對疾病的具體機制仍不完全清楚。

研究團隊首次繪製了阿爾茨海默病患者海馬區的空間轉錄組圖譜。海馬是負責記憶形成的關鍵腦區，也是阿爾茨海默病最早受影響的區域之一。通過對比正常人和患者的海馬組織，研究發現了一些以前未被注意的病理變化。

圖片來源：中國科學院腦科學與智能技術卓越創新中心

最引人注目的發現是，某些類型的小膠質細胞和星形膠質細胞在海馬傘區域高度富集。這些細胞原本是大腦的“清潔工”和“維護工”，負責清除代謝廢物和維持神經元健康。但在疾病狀態下，它們似乎“失控”了，不僅沒能有效清除有害蛋白，反而可能通過過度的炎症反應加重了神經損傷。

另一項研究關注“腦出血”這一常見的腦血管疾病。腦出血後的恢復是一個複雜的過程，涉及止血、清除血腫、修復損傷等多個階段。研究團隊繪製了小鼠腦出血後從超急性期到恢復期的時空動態分子圖譜，詳細描述了不同階段的分子和細胞變化。

研究發現，腦出血後的修復過程就像一場訓練有素的緊急救援：在出血早期，“急救隊”（主要是某些類型的免疫細胞）迅速趕到現場，試圖快速控制損傷；隨後，“清潔小組”（小膠質細胞）上場，負責清理血液和壞死組織；最後，“修復工程隊”（星形膠質細胞等）參與組織修復、形成疤痕，保護受損區域。理解這個過程的每個環節，將幫助科學家找到更精準的方法，推動腦損傷後的功能恢復。

圖片來源：中國科學院腦科學與智能技術卓越創新中心

技術創新驅動科學突破

這次成果的取得，很大程度上得益於中國科學家在腦成像技術方面的創新。除了前面提到的VISoR和空間轉錄組技術，研究團隊還開發了多項其他創新技術。

ARCHmap技術實現了全身透明化，能夠在不破壞組織結構的情況下，讓整個小鼠身體變得透明，從而可以觀察神經纖維如何從大腦延伸到全身各處。這項技術首次讓科學家能夠完整地觀察周圍神經系統與中樞神經系統的連接。

光成像還不夠，處理數據更是巨大挑戰。在數據分析方面，研究團隊開發了多個人工智能輔助的分析系統。面對每個樣本產生的TB級數據，傳統的人工分析方法已經無法勝任。新開發的AI系統能夠自動識別神經元、追蹤軸突、分類細胞類型，大大提高了分析效率。

這些技術創新不是孤立的，而是形成了一個完整的技術體系。從樣本製備到成像，從數據採集到分析，每個環節都有創新，共同推動了腦圖譜研究的突破。

國際合作與大科學計劃

面對人腦這樣的複雜系統，任何單一團隊或國家都難以獨立研究。這次成果正是國際科研合作的典範。參與研究的機構包括中國科學院的多個研究所、國內頂尖大學、以及來自法國、瑞典、英國等國的科研機構。超過300名科學家參與其中，形成了跨學科、跨國界的研究團隊。

這種大規模合作是“全腦介觀神經聯接圖譜”國際大科學計劃的預演。這個計劃的目標是繪製靈長類乃至人類的完整腦圖譜，需要全球科學家的共同努力。中國科學家正在推動建立“國際靈長類介觀腦圖譜聯盟”，希望整合全球的技術、平臺、人才和數據資源。

大科學計劃的意義，不僅在於集中資源攻克科學難題，更在改變傳統科研“單打獨鬥”的模式，轉向協同高效的“集團作戰”。通過標準化的技術流程、統一的數據格式、開放的共享機制，科學家們能更高效地推進腦科學研究。

圖片來源：中國科學院腦科學與智能技術卓越創新中心

從基礎研究到應用轉化

雖然腦圖譜研究屬於基礎科學，但其應用前景廣闊。理解大腦的工作原理，不僅有助於治療神經系統疾病，還可能推動人工智能的發展。

在醫學應用方面，精確的腦圖譜可以幫助醫生更準確地診斷疾病、制定治療方案。比如，在進行腦部手術時，詳細的神經連接圖譜可以幫助外科醫生避免損傷重要的神經通路；在藥物開發中，瞭解特定細胞類型的分佈和功能，可以幫助設計更精準的靶向藥物。

在人工智能領域，大腦的組織原則可能啓發新的算法設計。目前的人工神經網絡雖然在某些任務上超越了人類，但在能效、泛化能力、創造性等方面仍遠不如人腦。理解大腦如何以極低的能耗處理複雜信息，可能帶來人工智能的革命性突破。

圖片來源：中國科學院腦科學與智能技術卓越創新中心

未來之路：挑戰與機遇

儘管進展顯著，但繪製完整的人腦圖譜仍然是一個巨大的挑戰。人腦的複雜性遠超目前的技術能力，需要在多個方面實現突破。

首先是技術挑戰。現有的成像技術雖然已經很先進，但要對人腦進行全腦成像仍然困難重重。人腦體積是獼猴大腦的十倍以上，包含的神經元數量更是多出幾個數量級。需要開發更快速、更高分辨率的成像技術。

其次是數據挑戰。一個完整的人腦圖譜將產生艾字節（EB）級別的數據，如何存儲、傳輸、分析這些數據是一個巨大的挑戰。需要開發新的數據壓縮、存儲和分析技術。

第三是理論挑戰。即使我們能夠繪製出完整的腦圖譜，如何從這些結構信息推斷功能仍然是一個未解之謎。需要發展新的理論框架，連接結構與功能、連接神經活動與認知行爲。

但挑戰與機遇並存。隨着技術的快速發展，許多以前不可能的事情正在變爲現實。量子計算可能爲處理海量腦數據提供新的可能；新型成像技術如光片顯微鏡、自適應光學等正在快速發展；人工智能的進步也在加速腦數據的分析。

更重要的是，全球科學家正在形成共識，認識到合作的重要性。通過國際合作，共享技術、數據和知識，人類終將解開大腦的奧祕。

認識自我的新紀元

大腦，被有些科學家稱之爲自然界最後的前沿，也是人類認識自我的終極挑戰。這次中國科學家聯合發佈的系列成果，不僅是科學上的突破，更代表着人類在認識自我道路上的重要里程碑。

從齧齒類到靈長類，從結構到功能，從正常到疾病，這些研究爲我們展現了大腦的多個維度。雖然距離完全理解大腦還有很長的路要走，但每一步進展都讓我們更接近真相。

當我們最終能夠理解大腦如何工作，不僅能夠征服阿爾茨海默病、帕金森病等神經系統疾病，還可能回答一些最深刻的哲學問題：意識是什麼？自由意志存在嗎？是什麼讓我們成爲人類？

正如探索宇宙讓我們理解了自己在宇宙中的位置，探索大腦將讓我們理解意識的本質。這不僅是科學的進步，更是人類文明的昇華。在這個新紀元的開端，中國科學家正在爲人類的這一偉大事業貢獻自己的智慧和力量。

出品：科普中國

作者：夏至（生物學博士）

監製：中國科普博覽