从基因组到连接组：你不只是你的基因组，你是你的连接组

导语

没有哪个神经元是一座孤岛，神经元之间的连接让大脑中涌现出智能，更让每个人成为独特的自己——连接组理论认为，人的心灵与思维之所以不同，正是因为连接组不同。连接组就像河床，我们的神经活动在其中流动。本文节选自普林斯顿大学神经科学家承现峻所著的《神奇的连接组：你的大脑可以改变》。

研究领域：神经科学，连接组

[美] 承现峻 | 作者

邓一雪 | 编辑

《连接组》作者：（美）承现峻译者：孙天齐版本：人民邮电出版社 2022年9月

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，生生不息地，以令人窒息的样子，占领着这片森林的一切空间。它们彼此纠缠，其间的缝隙之狭窄，让阳光也望而却步。曾有约1000亿颗种子同时被播下，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。这片森林包含很多，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1英尺1的空间里。地球上有70多亿片这样的森林，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（见图0-1）。

图0-1 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：

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”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。

作为一名神经科学家，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症？爱因斯坦和贝多芬的大脑有什么特殊之处？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0-2中的虫子，它并不具有我们称为脑的器官，它的神经元分散在全身各处，而不是集中于一个器官中。它总共只有302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，这是这种约1毫米长的虫子的学名）的“森林”感到恐惧。

图0-2 秀丽隐杆线虫

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。这种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0-3，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代码。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0-3 秀丽隐杆线虫的神经系统结构图，或称为连接组

工程师们都知道，要制造一台收音机，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0-3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：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（脱氧核糖核酸）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，图0-4展示了其中一个小片段。

图0-4 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。从理论上来说，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），不过在以前，要想搞清楚你的独特性是由什么带来的，存在惊人的困难。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，但那些虫子并不是。（我无意冒犯虫子们！）

参差多态，乃是幸福本源。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？

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、减少喝酒，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，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常见特质，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。早在蜷缩在母亲子宫里的那一刻，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，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，使它们变得更强或更弱，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、重新连线、重新生成—会受到你经历的影响。与此同时，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，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。

如果这个理论是正确的，那么神经科学最重要的目标就是去驾驭四个“重新”。需要知道，连接组发生什么样的改变，才能使我们表现出我们所希望的行为，然后需要开发出相应的方法，来制造这种改变。如果我们成功了，神经科学就能够有效地治疗精神障碍，治疗大脑的损伤，并且使生活更美好。

然而，鉴于连接组的复杂性，这是一个艰巨的挑战。秀丽隐杆线虫只有7000条连接，但是测绘它的连接组却花了我们10多年时间。而你的连接组的规模，是它们的1000亿倍，其中的连接数量，是你的基因组字母数量的100万倍。与连接组相比，基因组简直就是小孩子过家家。

今天，我们终于具备了有力的技术和工具，能够面对这项挑战。配合最尖端的显微镜，我们的计算机能够采集并存储巨大的脑图像数据库，帮助我们处理和分析滚滚而来的数据流，从而测绘神经元之间的连接。依靠这样的机器智能，我们最终看到了为难我们多年的连接组。

我相信，在21世纪结束之前，我们有机会测出人类的整个连接组。我们会从线虫到果蝇，然后到小鼠，接着是猴子，最后会面对最终极的堡垒—人类大脑。当后代追溯我们这一系列成就时，一定会惊叹这是多么重要的科学革命。

是否必须再等几十年，连接组才能向我们透露一些关于大脑的奥秘呢？幸运的是，并非如此。现在的技术，已经足以让我们看到大脑的一个小局部的连接关系，而这样的局部的知识，也是非常有用处的。另外，老鼠和猴子也能够让我们搞清楚许多问题，因为我们在进化上有很近的亲缘关系。它们的大脑和我们的很像，而且很多运行原理是相同的，研究它们的连接组，也会给了解我们自己的大脑带来许多启发。

公元79年，维苏威火山爆发，成吨的火山灰和岩浆掩埋了罗马的庞贝城。庞贝城的时间凝固了，它从此长眠于地下，直至将近两个千年之后，才被建筑工人意外发现。18世纪的考古学家把它挖开，异常兴奋地看到了一幅栩栩如生的罗马生活图景—奢华的度假别墅，街道上的喷泉景观、公共浴室、酒吧、面包店、市场、健身馆、剧场，反映衣食住行的壁画等。这是一座死去的城，却让我们得以观察罗马生活的细节。

就像庞贝古城一样，如今我们也只能通过分析死去的大脑的图像来寻找连接组。这项工作本来的名称是神经解剖学，但我们可以把这项工作想象成大脑考古学：一代又一代的神经科学家，凝视着显微镜下那些冰冷的神经元的尸体，思考着它们的过去。一个死去的大脑，其中的分子被防腐药水凝住，就像一座纪念碑，纪念那些曾经由它产生的思想和感受。在过去，神经解剖学的工作十分类似于通过硬币、坟墓或陶罐之类的零散证据来重建一个古代文明，而现在，连接组就像庞贝古城一样，是大脑的一个凝固的全景。这些全景使神经解剖学家获得了革命性的能力，去研究和重构活体大脑的功能。

你也许会问，既然有很酷的技术能够直接研究活体，为什么还要研究死去的大脑？假如有时间旅行，直接穿越到当年完好的庞贝城去看看，岂不是能够了解更多？其实，未必如此。想象一下就不难发现，游览和观察一个活动的城市，存在很多限制。当你观察一个活人的行为时，你就错过了其他人同一时间的行为。或者你可以通过红外卫星图片去观察一个区域的平均活动情况，但就看不到更具体的细节了。因为这些约束，所以直接去考察一个活动的城市并不像我们想象的那么畅快。

我们用以直接研究活体大脑的技术，同样存在着这样的限制。把颅骨打开，可以观测神经元的形态和电信号，可是大脑有上千亿个神经元，我们每次只能观测极少的一部分。如果采用非侵入的成像技术，透过颅骨去观测大脑内部，就没办法观测单个的神经元，只能得到一个区域的形态和活动等粗糙的信息。或许将来有一天，会有更先进的技术使我们突破这些限制，直接观测活体大脑的每一个神经元，但就今天而言，这还只是一个幻想。研究活体大脑和死亡的大脑其实各有优缺点，在我看来，最好的方法是同时结合这两种手段。

然而，确实有一些神经科学家认为研究死亡的大脑是没有意义的，只有研究活体大脑才是神经科学的王道，他们的理由是：

你是你的所有神经元的活动。

这里的“活动”是指神经元的电信号。这些电信号能够给出大量的信息，即神经元在任意时刻的活动，这些信息编码了你在这一时刻的思考、情绪和感觉。

前面说过，你是你的连接组，现在这里又说你是你的所有神经元的活动，那么你到底是什么呢？这两种说法看起来是矛盾的，但实际上它们是兼容的，因为它们涉及对自我的不同认识。活动论所指的自我，是动态的自我，是时时在变的，可能现在很生气，过一会又会变得兴奋，然后去思考人生的意义，做些家务活，欣赏外面的落叶，再打开电视看球赛。这个自我是与意识分不开的。因为大脑的神经元活动始终在变化，所以这种自我的本质是变化不定的。

而连接组论所指的自我，是一种静态的自我，就像你童年的记忆会伴随你的一生。这种自我的本质—通常称为个性—是稳定的，这个事实会让我们的家人和朋友感到舒服。你的个性会表现在你的意识中，但是当你没有意识的时候，比如睡觉的时候，你的个性仍然持续地存在。这种意义上的自我，就像连接组，随着时间推移，只会有很缓慢的变化。这就是连接组论所指的自我。

在过去，意识的自我吸引人们做了大量的研究。在19世纪，美国心理学家威廉·詹姆斯（William James）提出了“意识流”，即意识就像一条河流，始终在心灵当中流淌。但是詹姆斯忘了一件事，那就是所有的河流都需要河床。如果没有地上的那些凹糟，水根本不知道该往哪里流。正是连接组提供了路径，神经活动才能够流动，从这个意义上说，应该把它称为“意识河床”。

这是一个非常好的比喻。随着时间的推移，水流也会慢慢地塑造河床，正如神经活动会塑造连接组。这两种关于自我的不同概念，一种是快速移动、时刻在变化的河水，一种是稳定、缓慢变化的河床，其实是谁也离不开谁的。

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