畢國強(qiáng)

近期，國際腦實驗室匯集全球12個知名神經(jīng)科學(xué)研究團(tuán)隊，在《自然》雜志發(fā)表了一項里程碑式的研究成果：他們繪制出首張覆蓋小鼠全腦、貫穿完整決策過程的高分辨率神經(jīng)活動圖譜。這項歷時多年、橫跨多個國家和地區(qū)的協(xié)同攻關(guān)，不僅刷新了人們對大腦如何做出決策的認(rèn)知，更以“分布式科研”拓展了國際腦科學(xué)研究的新范式。

對一般認(rèn)知而言，人們習(xí)慣于將大腦想象成一臺精密的機(jī)器，不同腦區(qū)各司其職——視覺區(qū)“看”，運動區(qū)“動”，前額葉“思考”。其實，真實的大腦運行過程，可能更像一座晝夜不息的超級都市，信息在數(shù)百個功能區(qū)、數(shù)以萬計的神經(jīng)元之間高速流轉(zhuǎn)、動態(tài)整合。要破解決策背后的神經(jīng)密碼，僅靠觀察一兩個腦區(qū)無異于管中窺豹。而由于當(dāng)前技術(shù)的局限，研究者們難以在同一樣本對象中實現(xiàn)全腦神經(jīng)元活動的同步記錄，數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的不一更使得跨實驗室研究的整合難以實現(xiàn)。

此次國際腦實驗室的研究打破了這一困局。他們建立了一套高度標(biāo)準(zhǔn)化的實驗范式：在12個分布于全球各地的實驗室中，研究人員使用相同的設(shè)備、訓(xùn)練流程和行為任務(wù)，讓小鼠完成一項看似簡單的視覺抉擇——當(dāng)屏幕左側(cè)或右側(cè)出現(xiàn)圖案信號時，小鼠轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)盤將圖案移到屏幕中間以獲取飲水“獎勵”。這一看似簡單的任務(wù)包含了感知、決策、行動與反饋等認(rèn)知環(huán)節(jié)。

為了捕捉全腦的神經(jīng)響應(yīng)，研究團(tuán)隊在139只小鼠的大腦中累計進(jìn)行了699次電極插入，覆蓋了279個解剖學(xué)定義的腦區(qū)，記錄下約62.2萬個神經(jīng)元的放電活動。所有數(shù)據(jù)通過統(tǒng)一的分析流程進(jìn)行整合，最終構(gòu)建出一張動態(tài)、全景式的“全腦神經(jīng)活動圖譜”。需要強(qiáng)調(diào)的是，這并非單只動物的“全腦實時錄像”，而是通過標(biāo)準(zhǔn)化實驗與大規(guī)模數(shù)據(jù)融合，拼接出統(tǒng)計意義的全腦決策圖景——如同用千萬張航拍照片合成一座城市在不同時段的燈光熱力圖。

研究顯示：當(dāng)小鼠進(jìn)行任務(wù)時，其大腦并非陸續(xù)啟動一個個“指揮中心”，而是呈現(xiàn)出一場“全城點亮”式的協(xié)同激活。視覺刺激首先在經(jīng)典視覺通路引發(fā)局部“亮燈”，然后信號迅速向全腦擴(kuò)散，與運動準(zhǔn)備、執(zhí)行、獎賞預(yù)期等相關(guān)的信號在皮層與皮層下區(qū)域此起彼伏。尤為關(guān)鍵的是，與“左還是右”的抉擇本身相關(guān)的神經(jīng)編碼，并非局限于前額葉等高級腦區(qū)，而是在多個腦區(qū)幾乎同步涌現(xiàn)。這表明，腦內(nèi)決策需要多個神經(jīng)節(jié)點在毫秒級“時間窗”內(nèi)相互作用、加權(quán)整合，共同形成行為輸出。當(dāng)“獎勵”到來時，實驗小鼠全腦還出現(xiàn)廣泛的節(jié)律性同步活動，展現(xiàn)出神經(jīng)系統(tǒng)的高度協(xié)同性。

這一發(fā)現(xiàn)對腦科學(xué)發(fā)展的意義深遠(yuǎn)。它意味著多個腦區(qū)的大量相互連接的神經(jīng)元以一種“去中心化”的全腦動態(tài)協(xié)同方式實現(xiàn)決策等高級認(rèn)知功能，也提示我們，許多神經(jīng)精神疾病(如抑郁癥、精神分裂癥)可能并非單一腦區(qū)損傷所致，而是大規(guī)模神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)失衡的結(jié)果。未來的治療策略或?qū)摹岸c修復(fù)”轉(zhuǎn)向“網(wǎng)絡(luò)調(diào)控”，通過精準(zhǔn)干預(yù)關(guān)鍵節(jié)點，恢復(fù)整體功能的動態(tài)平衡。

不過，當(dāng)前圖譜主要是揭示神經(jīng)活動與行為之間的相關(guān)性。要確立因果關(guān)系，還需結(jié)合光遺傳學(xué)、化學(xué)遺傳學(xué)等干預(yù)手段，進(jìn)一步驗證整個網(wǎng)絡(luò)連接體系中各個神經(jīng)回路在決策中的作用。同時，該實驗中的動物處于頭部固定狀態(tài)，未來如何在實驗對象自由行為場景下進(jìn)行全腦記錄，也是一個重要的課題。進(jìn)一步講，這一神經(jīng)活動的“燈光地圖”通過與神經(jīng)連接的“線路地圖”研究相互印證、疊加整合，從而構(gòu)建出多維度的全景神經(jīng)圖譜，為實現(xiàn)真正的“大腦數(shù)字孿生”提供可能。

值得一提的是，此次研究的組織方式也展現(xiàn)出高度的協(xié)同性。12個實驗室如同大腦中的不同區(qū)域，在統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)下分工協(xié)作、共享數(shù)據(jù)，最終實現(xiàn)遠(yuǎn)超單個團(tuán)隊能力的科學(xué)突破。通過這種“分布式科研網(wǎng)絡(luò)”模式，全球研究者將繪制不斷完善的圖景，共同探索腦功能的深層機(jī)制，推動類腦智能、腦機(jī)接口與神經(jīng)精神疾病治療的持續(xù)突破。

(作者為中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院教授)

《 人民日報 》( 2025年12月01日 15 版)