如何解析大脑的结构和神经作用机理？

解析大脑的结构在现代计算机出现之前就开始了。神经科学的百年历史，就是一首解析大脑的壮歌。1906年，诺贝尔生理学或医学奖授予“研究神经系统结构”的卡米洛·高尔基（Camilo Golgi，1843-1926）和圣地亚哥·拉蒙一卡哈尔（Santiago Ramony Cajal，1852-1934）。他们提出神经元染色法，并绘制了大量精美的生物神经网络图谱，沿用至今。

神经元（即神经细胞）是生物神经网络的基本单元。对于它的功能，1943年，麦卡洛克和皮茨想象成“全或无”的逻辑开关。但是，生物神经元真是这样吗？这个问题在1939年就有人思考，而且不止思考，还“撸起袖子说干就干”。但神经元那么小，撸袖子有什么用！刚刚博士后出站回到剑桥大学的阿兰·霍奇金（Alan Hodgkin，1914-1998）和他的博士后安德鲁·赫胥黎（Andrew Huxley，1917-2012）脑子急转弯：找个大神经元！他们选中了大西洋枪乌贼的巨神经元：轴突和耳机线差不多，插入0.1毫米的电极绰绰有余！他们自制工具，很快就测到这个神经元的静息电位和动作电位，实验结果发表在Nature上。恰在此时，二战爆发，两人弃笔从戎。直到1946年，也就是冯·诺依曼在给维纳的信中想到“借助‘显微镜’……在细胞层次上更深入地认识神经机制”的那一年，霍奇金和赫胥黎重新拿起膜片钳，又花了6年时间，精细测量神经元传递电信号（神经脉冲，更准确地称为“动作电位”）的动态过程，并给出了精确描述这一动力学过程的微分方程，称为霍奇金-赫胥黎方程（Hodgkin-Huxley方程，简称HH方程）。HH模型对不同类型的神经元具有通用性，1963年，两人因此获得诺贝尔奖。

接下来是解析神经突触，这一历史重任转到中国人肩上。中国现代神经科学奠基人冯德培（1907-1995）和张香桐（1907-2007）对神经可塑性研究做出了杰出贡献。在霍奇金-赫胥黎方程发表的1952年，张香桐就发现树突具有电兴奋性，树突上的突触可能对神经元的兴奋精细调节起重要作用。1992年，国际神经网络学会授予张香桐终身成就奖，评价他“……为树突电流在神经整合中起重要作用这一概念提供了直接证据……这一卓越成就，为我们将来发展使用微分方程和连续时间变数的神经网络，而不再使用数字脉冲逻辑的电子计算机奠定了基础”。1998年，托斯迪克斯（Tsodyks）和享利·马克拉姆（Henry Markram，1962-）等构建了神经突触计算模型。同年，毕国强和蒲慕明提出了神经突触脉冲时间依赖的可塑性机制（Spike-Timing Dependent Plasticity，STDP）：反复出现的突触前脉冲有助于紧随其后产生的突触后动作电位并将导致长期增强，相反的时间关系将导致长期抑制。2000年，宋森等给出了STDP的数学模型。2016年，蒲慕明院士因为发现“……神经细胞如何依据对现实世界的体验，建立新连接或者改变原有连接强度”，获得美国神经学学会格鲁伯神经科学奖。

神经突触虽然微小，但对越来越精密的探测仪器来说，并无突破不了的障碍。人类全身神经突触数量达到百万亿，神经元数量达到千亿。虽然庞大繁杂，但仍然是一个复杂度有限的物理结构。2008年，美国工程院把“大脑反向工程”列为本世纪14个重大工程问题之一。2013年以来，欧洲“人类大脑计划”以及美、日、韩和我国的“脑计划”相继登场，都把大脑结构图谱绘制作为重要内容。2014年，华中科技大学“单细胞分辨的全脑显微光学切片断层成像技术与仪器”获得国家技术发明奖二等奖，并被欧洲“人类大脑计划”用作鼠脑仿真的基础数据。2016年3月，美国情报高级研究计划署（IARPA）启动大脑皮层网络机器智能（MICrONS）计划，对1立方毫米的大脑皮层进行反向工程，并运用这些发现改善机器学习和人工智能算法。2016年4月，全球脑计划研讨会（Global Brain Workshop 2016）提出，需要应对3大挑战，第一个挑战就是绘制大脑结构图谱：“在10年内，希望能够完成包括但不限于以下动物大脑的解析：果蝇、斑马鱼、鼠、狨猴，并将开发出大型脑图谱绘制分析工具。”仿佛是为了证明这个预测，2016年9月8日，日本东海大学宣布绘制出包括十多万个神经元的果蝇大脑神经网络三维模型。

我国已经将“多模态跨尺度生物医学成像”列为“十三五”国家重大科技基础设施，这一平台融合光、声、电、磁、核素、电子等成像范式，提供从埃米到米、从微秒到小时跨越10个空间与时间尺度的解析能力，将分步骤实现多种模式动物大脑的高精度动态解析。