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连接组:造就独一无二的你

基因组让你成为人,连接组让你成为你

作者:[美] 承现峻(Sebastian Seung)/著 孙天齐/译
丛书名:原点阅读
定价:45
印次:1-3
ISBN:9787302393801
出版日期:2015.11.01
印刷日期:2018.02.02

每个人都是独特的,我们早就清楚这一点,但科学家一直没有弄明白人的独特性体现在哪里。承现峻认为,它就藏在大脑神经元的连接方式中。连接组(connectome)是指神经系统中神经元连接的总和,是遗传和生活经历发生相互作用的结果,是先天与后天的结合点。 承现峻的文字优雅清晰,富于幽默感,他在书中介绍了神经科学的发展历程、基础知识,以及神经组学的研究方法与成果。这项工作如同攀登科学界的珠穆朗玛峰,如果成功,将为个性、智能、记忆等的研究提供基础,对孤独症、阿尔茨海默症、精神分裂症等精神疾病的治疗产生极大影响,人工智能也将由此获得希望。

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任何路,任何足迹,都不曾越过这片森林。只有纤长而柔美的枝条,它们生生不息,以令人窒息的样子,占领着一切空间。它们彼此纠缠,其间的缝隙之狭窄,让阳光也望而却步。曾有一千亿颗种子同时播下,长出这片黑暗森林,而所有的树木,又注定将在一朝赴死。 这是一片宏伟的森林,是喜剧的森林,也是悲剧的森林。这片森林是很多,有时我想,这片森林是一切。所有的小说和所有的交响乐,所有残忍的谋杀和所有仁慈的善举,所有的爱情和所有的争执,所有的幽默和所有的忧伤——都来自这片森林。 你可能会讶异,这片森林存在于直径不及一尺的空间里。地球上有70亿这样的森林,你正是其中之一的主人,它就生长在你的颅骨里。我所说的树木,是一种特殊的细胞,叫作神经元。神经科学的目标,就是去探索它们那些奇异的枝条,征服这片心灵丛林。(图1) 图1 心灵丛林——大脑皮层上的神经元。通过卡米洛?高尔基(Camillo Golgi,1843–1926)的方法染色,由圣地亚哥?拉蒙?卡哈尔(Santiago Ramón y Cajal,1852–1934)绘图。 神经科学家们听到了它们的话语,即大脑中的电信号。他们用精准的图画和照片,揭示了神经元的形态。可是,仅凭一些零散的树,如何理解这整片森林? 17世纪,法国哲学家和数学家布莱士?帕斯卡(Blaise Pascal)这样形容宇宙的广袤: 让一个人抛开眼前卑微的事物,望望整个自然界的伟大和庄严。让他看那炽燃的大光,像一盏永恒的明灯照耀着世界。让他看到地球,再让他知道,相比于太阳的大圆,地球只是一个点。让他惊讶,太阳的大圆,在天穹上那些星宿看来,也是一个微小的点。1 这些想法使帕斯卡感到震撼,感到自己的渺小,他承认“永恒的沉寂和无限的空间”2使他恐惧。他思考的是外面的空间,然而我们只需要想想“思考”本身,便能感受到和他一样的恐惧。每个人的颅骨当中,都坐落着一个宏伟的器官,这个器官,恐怕亦是无限复杂。 作为一个神经科学家,我切身地理解帕斯卡的恐惧,与此同时,我还体会到某种尴尬。有时我面向公众,讲述我们领域的进展,每次这样的演讲之后,我都会被大量的问题轰炸:是什么导致了抑郁症和精神分裂?爱因斯坦和贝多芬的大脑有什么特殊?怎么才能让我的孩子学习更好?对于这样的问题,我无法给出令人满意的答案,于是听众的脸色就变了。我很不好意思,最后只能向听众道歉:“对不起,你们以为我当教授是因为我知道所有的答案;但实际上,我当教授恰恰是因为我知道我有多么无知。” 研究一个像大脑这么复杂的东西,看起来几乎是一种徒劳。大脑里面有上千亿个神经元,它们就像很多不同种类、形态各异的树。只有最富决心的探险家,才敢走进这样的森林去看一看,但他们走进去之后,却只能看到一点,而且看不清。毫无疑问,大脑仍是一个谜。且不用说我的听众所好奇的,大脑的疾病和特殊优势,哪怕是最平凡的问题,我们现在也很难解释。我们每天都要回忆过去,感知当下,想象未来,大脑是怎么做到这些的?我敢明确地说,没有人真正知道。 鉴于人类大脑的复杂性,有些神经科学家转而去研究一些神经元特别少的动物。比如图2中的虫子,它并不具有我们称之为“脑”的器官,它的神经元分散在全身各处,而不是集中于一个器官中。3它总共只有300个神经元,这些神经元组成了它的神经系统。这听起来很容易研究,我相信即使悲观如帕斯卡,也不会对秀丽隐杆线虫(C. elegans,这是这种一毫米长的虫子的学名)的森林感到恐惧。 图2 秀丽隐杆线虫。4 这种虫子的每一个神经元都有特定的位置和形态,并且被赋予了唯一的名称。这些虫子就像工厂流水线上大规模生产出来的一种精密机器:每只虫子的神经系统,都由一套相同的零件组成,其中的每个零件,总是按照同样的方式组装。 此外,这个标准化的神经系统的结构,已经被我们完全测绘出来了。其结果就是图3,看起来很像航空杂志封底的航线图。每个神经元都有一个由四个字母组成的名称,就像每个机场都有一个三个字母的名称。那些线段表示神经元之间的连接,就像航线图中的线段表示城市之间的航路。如果两个神经元之间,有一个叫作突触的交会点,我们就说这两个神经元是“有连接的”。通过突触,一个神经元可以把信息传递给另一个神经元。 图3 秀丽隐杆线虫的神经系统结构图,或称为“连接组”。5 工程师们都知道,要制造一个收音机,就要把电阻、电容、晶体管这些电子元件连接起来。类似地,要组建一个神经系统,就要通过神经元的那些纤细的枝条,把它们连接起来。因此,像图3这样的图,最初被称为“线路图”。而最近,我们提出了一个新的术语,把它称为“连接组”(connectome)。这个词不再是受电子工程师的启发,而是受基因组学的启发。你可能听说过,DNA是一个由分子组成的长链条,这个链条上的每个点叫作核苷酸。核苷酸有四种,分别用字母A、C、G和T来表示。而你的基因组(genome),就是你的DNA上这些核苷酸组成的全体序列,或者你可以把它看成由四种字母组成的一个很长的字符串。这个字符串总共有大约30亿个字符,如果写成一本书,将有100万页的厚度,6图4为你展示其中一个小片段。 图4 人类基因组的一个小片段。 同样,一个连接组,就是一个神经系统中,各个神经之间的连接的全体。这个术语与基因组一样,意味着全体。一个连接组不是一条连接,也不是很多连接,而是所有的连接。理论上来说,你的大脑也可以用一个线路图表示出来,就像那条虫子一样,但是你的大脑要复杂得多。那么,你的连接组,能够说出什么有趣的事情呢? 首先,它能够说明一个道理——你是独一无二的。你可能会说,你早就知道这一点,那是当然,不过要想搞清楚你的独特性是由什么导致的,这曾经是惊人地困难。你的连接组与我的连接组之间存在巨大的差异,这与那些虫子的标准化连接组不同。从这个角度来说,每个人都是独特的,但那些虫子却并不是。7(我无意冒犯虫子们!) 参差多态,乃幸福本源。研究大脑的工作原理时,最让我们感到有趣的就是,每个人的大脑运转得竟然如此不同。为什么我不能像那个外向的朋友一样开朗?为什么我的儿子读书就是赶不上他的同学?为什么我的小表弟产生了幻听?为什么我妈妈失忆了?为什么我的爱人(或者我自己)不那么善解人意? 这本书会提出一个简单的理论:心灵与思维之不同,正是因为连接组之不同。有些报纸的标题常常暗含着这个理论,例如《孤独症患者的大脑与常人不同》。连接组也许还能解释个性和智商,可能还有你的记忆。你的记忆是你身上最为独特的部分,而它们也许就编码在你的连接组里。 虽然这个理论早已流传了很长时间,但是神经科学家们仍然不知道它是否正确,不过很显然,这个理论的意义非常重大。如果它是对的,那么治疗精神障碍的根本方法就是修复连接组。事实上,一个人的任何改变,比如提高素质,少喝点酒,或者挽救一段婚姻,其实都是对连接组的改变。 再来看一个不同的理论:心灵与思维之不同,是因为基因组之不同。简而言之就是,你的基因组使你成为你。现在这个时代,个人基因组测序已经不是什么难事,再过不久,就可以便宜又快速地测出我们自己的DNA序列。而且我们还知道,在精神障碍或者一些普通特质,比如个性和智商中,基因确实有其作用。那么,既然对基因组的研究已经如此深入,为什么还要研究连接组呢? 原因很简单:单凭基因无法解释大脑为什么这样工作。早在你蜷缩在母亲的子宫里的那一刻,你就已经拥有了你的整个基因组,可是在那时,你却并没有对于初吻的回忆。你的记忆是在一生中不断形成的,而不是先天就有的。有些人会弹奏钢琴,有些人会骑自行车,这些都是后天学会的技能,而不是随着基因而来的本能。 从你的母亲受孕的那一刻起,你的基因组就已经固定了,8但与此不同,你的连接组在你的一生当中始终在改变。神经科学家们指出了这些基本的改变是如何发生的。首先,神经元会调整彼此之间的连接,使它们变得更强或弱,从而给这些连接重新赋予权重。其次,神经元还能创建新的突触,或者去掉一个突触,这样它们就能重新连接,它们还能通过生长新的枝条或收回原有的枝条来改变连线的结构。最后,新的神经元会不断地产生,旧的神经元会不断地死去,这些会使连接发生重建。 我们还不知道你的生活经历——比如你父母的离异,或者你传奇的海外经历——具体是如何改变你的连接组的。但是,有很多证据能够表明,这四个“重新”——重新赋权,重新连接,重线连线,重新建立——会受到你的经历影响。与此同时,这四个重新也受基因的指挥。基因确实会影响心智,尤其是在幼年和童年,大脑开始建立连接的时候。 连接组是由先天的基因和后天的经历共同塑造的,如果要解释大脑如何运转,就必须考虑到这两种影响和作用。“连接组不同论”是兼容于“基因组不同论”的,只是比后者更加丰富、更加复杂,因为它考虑到了你活在这个世界上的后天作用。相比来说,连接组理论不那么具有命运色彩,因为它相信,我们的连接组可以由我们的行为和思维来塑造。大脑的连接结构,使我们成为我们,但反过来,我们也在影响大脑的连接结构。 这个理论总结起来就是: 你不只是你的基因组,你是你的连接组。

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  • 作者简介:

    承现峻(Sebastian Seung),美国普林斯顿大学神经科学研究所与计算机科学系教授。在人工智能和神经科学领域做出诸多重要发现,多篇论文发表于顶级学术期刊,学术成果得到《纽约时报》、《技术评论》、《经济学人》等媒体的报道。公民科学共同体“Wired Differently”科学项目主管。2010年的TED演讲“我是我的连接组”(I am my connectome)将连接组学带入了公众视野。
    孙天齐,笔名苏椰,科学传播团体“科学松鼠会”成员,曾就职于清华大学生物医学工程系,研究人工智能、神经系统建模,目前自主创业。译有《艾伦•图灵传:如谜的解谜者》一书。

  • ★《华尔街日报》2012年度十佳非虚构图书
    ★亚马逊网站2012年编辑选择之百佳图书
    ★《出版人周刊》2012年春季十佳科学类图书
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  • 引言

    第一部分 尺寸重要吗?

    一 从天才到疯子

    二 边界争端

    第二部分 连接主义

    三 神经元不孤单

    四 一路向下,全是神经元

    五 记忆的形成

    第三部分 先天与后天

    六 基因森林

    七 更多潜力

    第四部分 连接组学

    八 眼见为实

    九 沿路追踪

    十 划分

    十一 破译

    十二 对比

    十三 改变

    第五部分 超级人类

    十四 冷冻还是腌制?

    十五 另存为……

    尾声

  • 名人推荐:

    著名神经科学家承现峻教授用生动的笔触,描写了世界各国神经科学家正在开展的一项探索大脑奥秘的宏伟工程——连接组计划。
                                                                                                      ——蒲慕明(美国科学院院士 中国科学院上海神经科学研究所所长)
    这是一部重要的作品,体现了人类追寻自我的迷人历程,书中的知识让人耳目一新。
                                                                    ——菲利普•夏普(Phillip A. Sharp,1993年诺贝尔生理学或医学奖得主)
    承现峻简直无所不能。他是公认的超级物理学家、电脑奇才、神经科学领域的开路人,这本书证明他还是个出色的作家。
                                                                                                     ——史蒂文•斯特罗加茨(Steven Strogatz,康奈尔大学数学系教授)

  • 神经元是我第二喜欢的细胞,仅次于我最喜欢的——精子。如果你从来没有在显微镜下观赏过波澜壮阔的精子,我建议你马上揪住一位生物学家朋友的衣领,要求他或者她带你去看一看。精子们为不辱君命,而风雨兼程,视死如归,你会为此感慨万千。一个精子,就像一位只带了一只小小行囊的使者。那里面有线粒体,为它的尾巴提供微小的力量,鞭策它前行。还有DNA,这是一种分子,承载着生命的蓝图。它没有头发,没有眼睛,没有心脏,也没有大脑——它们空无一物地漂游。它们只有信息,用A、C、G、T四个字母写在DNA上。

    如果这位生物学家朋友还愿意继续陪你玩,那就再请他带你看看神经元。精子引人入胜之处在于它不竭地运动,而神经元则会以它美丽的形态让你叹为观止。如同普通细胞一样,神经元也有一个平凡的圆形部分,里面包裹着细胞核和DNA。但是胞体只是画面的一小部分,你还会看到修长的分支伸展开来,分支又分支,就像一棵树。精子是明快的极简主义,但神经元却是巴洛克式的华丽。(如图13)

    图13  我最喜欢的细胞——精子正在使卵子受精(左图)和一个神经元(右图)。1

    即使置身于一亿规模的队伍中,每个精子也是独自为战。它们当中最多只能有一个胜者完成使命,令卵子受精。这是一场胜者通吃的战争。当一颗精子成功时,卵子的表面就会发生变化,形成一层屏障,阻止其他所有的精子再进入。无论双方的主人是美满的爱人还是行苟且之事,总之精子和卵子都会结成彼此忠贞的一对。

    但与精子不同,神经元从不知孤单为何物,它们都是多情种。每个神经元都会同时与其他上千个神经元拥抱,它们的分支意大利面似的纠缠在一起。所有的神经元组成了一个紧密连接的网络。

    精子和神经元,象征着世间最大的两个谜:生命和智能。生物学家希望能了解,精子携带的那些宝贵的DNA如何编码构造一个人类所需的一半信息。而神经科学家好奇的则是,这个神经元大网络如何能够思考、感觉、记忆和认知——也就是说,大脑如何能够产生美妙的心智现象。

    我们的身体精密非凡,但大脑却以如谜的方式,占据着至高无上的君王地位。心脏泵送血液,肺部吸入空气,就像房子的管道一般。它们也都很复杂,但是并不是谜。思维和情绪则不同。我们到底能否理解它们,理解大脑的工作原理?

    千里之下,要始于足下。要想了解大脑,何不先了解它的细胞?虽然神经元也是细胞的一种,但它却远远比其他细胞复杂,这从它那些华丽的分支就不难看出来。尽管我已经研究了这么多年神经元,但我仍然会为它们的宏伟所震撼。我想到了地球上最壮观的树,加利福尼亚红杉树。如果你想知道自己多么渺小,那就去墨尔红木公园(Muir Woods),或者北美洲西岸的其他红木森林去看一看吧。你会见到那些生活了几个世纪,甚至上千年的大树,它们在如此漫长的岁月里,长成了令人眩晕的高度。

    我用巨塔般的红杉树来类比神经元,是不是太夸张了?如果从绝对尺寸上来说,确实是的,但如果进一步想想,你会发现它们是完全可以媲美的自然奇观。红杉树的小枝,细到只有一毫米,与整棵树球场般的高度相比,是十万分之一。而神经元的一个分支,称为神经突,长度可以从大脑的一边延伸到另一边,而它的直径却只有0.1微米,是长度的一百万分之一。2如果考虑这个相对比例,红杉树与神经元相比,简直是小巫见大巫了。

    那么为什么神经元要有神经突?为什么它们要像树一样长很多分支?对于树来说,长枝条的原因是显而易见的:树冠要接收光照,那是它的能量来源。一条光线穿进树冠,就会被某一片树叶接收,而不会照到地面。类似地,神经元长成这样,是为了接收联络。如果一条神经突从另一个神经元的神经突中间穿过,它可能就会接触其中的某一条。就像红杉树“想要”被光照射一样,神经元“想要”与其他神经元接触。

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