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目前，人类对于大脑这个复杂又高效的信息处理系统知之甚少，它就像人体内的一个“黑盒子”。中国科学院生物物理研究所脑与认知科学国家重点实验室的科研人员，正从多个层面展开研究，试图揭开其神秘面纱。

■本报记者 童岱

尽管我们身处以计算机技术为主导的信息时代，但人脑在处理信息方面展现出的智能和学习能力，仍是任何计算机无法比拟的。然而，人类对大脑这一复杂系统的了解仍然有限。在中国科学院生物物理研究所脑与认知科学国家重点实验室（以下简称重点实验室），一群热衷于探索脑与认知科学的科研人员，正从多个层面展开研究，试图揭示人体“黑盒子”的未知部分。

小小果蝇助力研究

毫不起眼的果蝇是一种经典的模式动物。学术界越来越多地使用果蝇进行神经科学研究，原因在于果蝇遗传学信息丰富，且人类已知的致病基因中有75%在果蝇中存在同源序列。此外，在神经疾病的发生和症状上，果蝇与哺乳动物具有高度相似性。

果蝇团队是该重点实验室的重要力量。从上世纪90年代开始，中国科学院院士郭爱克带领的课题组就在生物物理所开展果蝇视觉学习记忆、抉择等方面的研究。随着新课题组的加入，逐渐形成了一个以果蝇为模型从事认知神经科学研究的团队。

生物物理所副所长、实验室副主任刘力也是该团队负责人之一。他在接受《中国科学报》记者采访时表示，利用果蝇飞行模拟器系统，果蝇团队在研究果蝇抉择、学习记忆等认知方面取得了不少成果。

在果蝇团队的工作间内，科研人员向记者展示了飞行模拟器系统的工作过程。这套系统类似扭矩检测仪，能够测算果蝇向左或向右的扭转力矩。记者看到，果蝇被悬挂在金属钩上并放置在一个圆筒形空间内，无法移动。但果蝇的飞行状况会通过一系列复杂的传感装置反馈到计算机上，“就好像我们玩赛车游戏一样，玩家自身不用动，但屏幕中的道路是在变动的。”刘力说。

圆筒内有正T和倒T图形，当果蝇转向某一侧选择盯住其中一个图案时，圆筒就受果蝇飞行扭矩控制而转动，使果蝇误以为自己能在两个“T”字间飞行。但研究者不希望果蝇如此自由。若研究人员希望它忠于向正T图形飞行，就需要借助一些手段。例如，当果蝇打算从正T转向倒T飞行时，科研人员会启动激光程序，转向的果蝇会被红光瞄准并感受到刺痛。这种惩罚机制证明果蝇懂得“吃一堑长一智”，为避免悲剧再次发生，果蝇会老实地向正T图形飞行而不再转向。

这表明果蝇在视觉处理上具有学习记忆能力，科研人员可借此了解果蝇飞行行为中哪些神经参与以及相关的神经回路。那么，这样的研究有何意义？要知道，人类大脑有10^11~10^12个神经元，而果蝇大脑只有10^5个神经元。相对于人脑，果蝇的脑相对简单，但这种简单只是相对的。对果蝇遗传因素的研究，可以揭示果蝇学习记忆等认知功能的形成，既有先天遗传因素，也有后天外界因素参与。不同物种的大脑尽管形态迥异，但在基本功能和规律上具有相似性。对果蝇的相关研究，可为解读人类大脑带来启示。

脑部成像精确到0.1毫米

在工作人员的指引下，记者参观了重点实验室的行为实验室。昏暗的灯光、狭窄的走廊以及被隔成多个小间的屋子，声音仿佛是这里不该存在的因素，能迅速让人平静下来。“如此布局是为了让被测者有一个安静、不受外部干扰的实验环境。”工作人员说。记者注意到，墙壁覆盖了吸音材料，顶部设有通风装置，房间灯光也可调节明暗。

在其中一间屋内，一场实验正在进行。测试者和被测者分别面对一台电脑，被测者在看到电脑出现图片时被要求按键反应。其中，恐怖的图片和中性图片会让被测者大脑的情绪受到干扰，反应不一。通过一系列视觉刺激，最终测试者会在电脑上看到被测者的反应时和正确率统计。但被测者作出反应时，大脑内部究竟发生了什么？仅通过此类实验，只能进行相关理论推导，无法确切获知大脑内部活动。

“这就需要借助脑成像技术来观察大脑内部活动。”脑与认知科学国家重点实验室副主任卓彦表示。实验室目前拥有一台超高场强磁共振成像系统（7特斯拉，以下简称7T），这也是我国首台人体全身超高场强磁共振成像系统，而大型医院使用的磁共振系统通常在3T以下。7T目前主要用于基础认知神经科学研究和临床研究。

为什么人们一直追求更高的磁共振场强？因为磁共振成像的信噪比与场强大致成正比。高场强下，分辨率得以提高，采集时间缩短，功能信号也更显著。卓彦举例说，借助7T用猕猴进行脑结构研究，可以看到其脑部0.1毫米的细节。而采用3T进行实验，精度通常为0.4~0.5毫米。此外，7T可以帮助研究人员看到更精细的脑部结构，例如大脑皮质分为6层，7T可以清晰分辨，而3T则很困难。

大型设备成研发平台

“7T不仅是技术应用的平台，更是一个技术研发的平台。”重点实验室副研究员王波表示。7T的使用目前有两种模式，一种是借助临床应用技术需求导向进行研发。他谈到，7T在颅内血管成像方面具有很大优势。例如，老年人若被怀疑脑部供血出了问题，通常采用颅内B超检测。但由于B超无法透过厚实的颅骨，只能给出血液动力学曲线，神经内科大夫依据这些曲线图进行病情诊断，存在误诊几率。而借助7T诊断，可直观呈现颅内深部血管内的血流情况，大夫能更准确地判断颅内是否存在有问题的血管。

在神经外科手术治疗应用方面，借助7T，医生在观察到清晰的脑部结构与功能成像图后，进行脑部手术时可更精准地找到病灶或肿瘤，同时避开不能触碰的区域，避免对重要动静脉血管、神经纤维及脑功能区造成伤害。

另一种模式是基础科研导向带来的技术研发。“利用一般的磁共振系统研究大脑认知功能时，会受限于不够理想的信噪比、空间分辨率以及稳定性。”王波说。大脑皮层下的杏仁核通常被认为是管理情绪知觉的核团。杏仁核像蚕豆般大小，却分为几个子区域，不同的子区域可能涉及不同的认知功能。假设杏仁核上分别有主要针对难过、生气、恐惧3种不同情绪知觉加工的3个不同区域，采用3T观察时，功能图像的像素会低到无法区分杏仁核的子区域。但用7T，便可以尝试寻找杏仁核上不同区域的功能分区，研究这些分区的差异。

为了更好地发掘7T的功能，该重点实验室还建设了一支由磁共振物理学专家、电子学专家、软件工程师等人才组成的技术队伍，进行技术开发并为脑成像实验提供保障。