原標(biāo)題：構(gòu)建全腦圖譜，知曉魚的“喜怒哀樂”

春秋戰(zhàn)國時期，兩名思想家莊子和惠子曾經(jīng)有過一場有趣的對話。庒惠二人出門游玩，過河時看見了橋下河水里的鰷魚。于是莊子感嘆：“鰷魚在水里悠然自得，這是魚的快樂啊（鰷魚出游從容，是魚樂也）。”惠子不同意，反問道：“你又不是魚本人，你怎么知道魚的快樂呢（子非魚，安知魚之樂）？”

2000多年過去了，惠子的這個問題仍然是個難題。因為，在我們對魚的行為（特定的游泳動作）與大腦活動（內(nèi)心快樂與否）之間的對應(yīng)關(guān)系有客觀的理解之前，回答這個問題只能憑主觀臆斷。

我們有可能知道魚是否快樂嗎？

2013年，美國霍華德休斯醫(yī)學(xué)研究所的一個研究團(tuán)隊報道了一項重大突破：他們把熒光轉(zhuǎn)基因的幼年斑馬魚全身固定住，通過激光片層掃描顯微系統(tǒng)成功追蹤了斑馬魚的全腦神經(jīng)元實時動態(tài)。

但是，實驗中產(chǎn)生信號的神經(jīng)元，到底是哪些神經(jīng)元？為什么魚兒在被固定住的情況下，某些腦區(qū)會如此活躍，而另一些腦區(qū)卻近似靜止？由于沒有全腦圖譜，文章的作者無法進(jìn)一步推斷魚兒大腦的各部位的功能，以及它們與行為的關(guān)系。

想要真正全面地理解大腦，還是需要構(gòu)建全腦圖譜。

最早認(rèn)真地去嘗試此事的，是被稱為“神經(jīng)科學(xué)之父”的圣地亞哥·拉蒙-卡哈爾。從1887年開始，卡哈爾利用當(dāng)時最先進(jìn)的高爾基染色法把各種動物（包括人的尸體）的大腦樣本切片染色后放到顯微鏡下觀察，并一筆一畫地把神經(jīng)元臨摹了下來。卡哈爾妙手丹青的畫作，對神經(jīng)科學(xué)產(chǎn)生了巨大的影響（卡哈爾因此獲得了1906年的諾貝爾生理與醫(yī)學(xué)獎）。今年年初，這些畫作甚至成為紐約的藝術(shù)展覽“美麗大腦”中的主角。

但是，一個一個勾畫神經(jīng)元距離構(gòu)建“全腦圖譜”仍然很遙遠(yuǎn)。大腦是由許許多多的神經(jīng)元錯綜聯(lián)結(jié)而構(gòu)成的。這些錯綜聯(lián)結(jié)而成的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)，組成了動物行為的生物基礎(chǔ)。

構(gòu)建“全腦圖譜”，需要一種能夠同時定位每一個神經(jīng)元的位置并區(qū)分兩個神經(jīng)元連接處（突觸）的細(xì)節(jié)的實驗技術(shù)。不少神經(jīng)元與神經(jīng)元之間的聯(lián)結(jié)處只有不到10納米，而普通光學(xué)顯微鏡的分辨率受光學(xué)衍射極限限制無法降到200納米以下。近年來發(fā)展迅猛的超分辨熒光顯微技術(shù)雖然能把這個極限降低至10納米，卻無法同時從大腦所有區(qū)域采樣。

電子顯微鏡技術(shù)是通過電子來展示物件的內(nèi)部或表面的顯微鏡技術(shù)。由于顯微鏡的分辨率普遍受其使用的粒子的波長限制（例：光學(xué)顯微鏡分辨率受光的波長限制），高速運動的電子波長比可見光波長短，因此電子顯微鏡的分辨率大大優(yōu)于光學(xué)顯微鏡，能看見更細(xì)微的結(jié)構(gòu)。

所以，目前只有電子顯微鏡技術(shù)能滿足構(gòu)建“全腦圖譜”的要求：其分辨率為0.2納米，并且能夠以該分辨率同一時間在大腦所有區(qū)域采樣。

最近，美國霍華德休斯醫(yī)學(xué)研究所的Davi Bock研究團(tuán)隊宣布，他們用透射電子顯微鏡技術(shù)解析了一只雌果蠅的全腦圖譜。傳統(tǒng)的電子顯微鏡技術(shù)對樣本的體積有嚴(yán)格限制——樣本厚度不能超過100納米，而大部分的生物腦組織的厚度都超過100納米。雌果蠅的大腦體積大概為750微米×350微米（750000納米×350000納米）。他們通過改良傳統(tǒng)的電子顯微鏡，研發(fā)了一套新的透射電子顯微鏡平臺，成功地將該雌果蠅的大腦切分成7050片，并對每一切片的每一部分拍照，一共收集到2100萬張照片（106TB）。

該團(tuán)隊選取了果蠅大腦中與學(xué)習(xí)記憶行為相關(guān)的一個腦區(qū)（蘑菇體）進(jìn)行追蹤標(biāo)記（由于同一個神經(jīng)元前段和后段可能出現(xiàn)在不同腦切片的照片中），并因此發(fā)現(xiàn)了該腦區(qū)中一類新的神經(jīng)元。

果蠅大腦中的其他腦區(qū)現(xiàn)在正由世界各地的實驗團(tuán)隊分別追蹤標(biāo)記。如果大家感興趣，也可以通過下載原始數(shù)據(jù)（http://temca2data.org）參與到果蠅大腦神經(jīng)元標(biāo)記的工作中來。

Bock團(tuán)隊報道的果蠅全腦圖譜是神經(jīng)科學(xué)家們最新一次對果蠅全腦圖譜的嘗試。早在2016年年底，由臺灣的江安世教授的課題組、英國謝菲爾德大學(xué)的Daniel Coca課題組以及美國哥倫比亞大學(xué)的Aurel Lazar研究組組成的跨國研究團(tuán)隊公布了通過光學(xué)顯微鏡收集的果蠅全腦圖譜（其分辨率低于Bock研究組的全腦圖譜）。其全部影像數(shù)據(jù)可以在“果蠅大腦天文臺”（Fruit Fly Brain Observatory）中找到（http://fruitflybrain.org/）。

作為最常見的模式生物，果蠅曾經(jīng)為我們對遺傳學(xué)與神經(jīng)科學(xué)的認(rèn)知作出了巨大的貢獻(xiàn)。100多年前，摩爾根通過研究果蠅發(fā)現(xiàn)了伴性遺傳規(guī)律與著名的三大遺傳定律之一的連鎖與互換定律，并獲得了1933年的諾貝爾獎。去年，研究生物節(jié)律行為的3位科學(xué)家獲得諾貝爾獎生理與醫(yī)學(xué)獎，果蠅又是最佳助攻。

Bock團(tuán)隊的研究，既標(biāo)志著我們終于具有了構(gòu)建果蠅的全腦圖譜的能力，也標(biāo)志著我們對于大腦和對于自我的認(rèn)知邁出了艱難而重要的一小步。從果蠅的全腦圖譜開始，解析構(gòu)建包括魚在內(nèi)更多生物的全腦圖譜，或許逐漸會變成現(xiàn)實。

到那時，關(guān)于惠子的問題，我們或許能夠調(diào)出魚的全腦圖譜和相關(guān)的行為學(xué)數(shù)據(jù)，答：吾非魚，亦知魚之喜怒哀樂。（作者系加州大學(xué)圣地亞哥分校博士生孫睿晨）