绘制全脑神经活动图谱（科技大观）

毕国强

近期，国际脑实验室汇集全球12个知名神经科学研究团队，在《自然》杂志发表了一项里程碑式的研究成果：他们绘制出首张覆盖小鼠全脑、贯穿完整决策过程的高分辨率神经活动图谱。这项历时多年、横跨多个国家和地区的协同攻关，不仅刷新了人们对大脑如何做出决策的认知，更以“分布式科研”拓展了国际脑科学研究的新范式。

对一般认知而言，人们习惯于将大脑想象成一台精密的机器，不同脑区各司其职——视觉区“看”，运动区“动”，前额叶“思考”。其实，真实的大脑运行过程，可能更像一座昼夜不息的超级都市，信息在数百个功能区、数以万计的神经元之间高速流转、动态整合。要破解决策背后的神经密码，仅靠观察一两个脑区无异于管中窥豹。而由于当前技术的局限，研究者们难以在同一样本对象中实现全脑神经元活动的同步记录，数据标准的不一更使得跨实验室研究的整合难以实现。

此次国际脑实验室的研究打破了这一困局。他们建立了一套高度标准化的实验范式：在12个分布于全球各地的实验室中，研究人员使用相同的设备、训练流程和行为任务，让小鼠完成一项看似简单的视觉抉择——当屏幕左侧或右侧出现图案信号时，小鼠转动转盘将图案移到屏幕中间以获取饮水“奖励”。这一看似简单的任务包含了感知、决策、行动与反馈等认知环节。

为了捕捉全脑的神经响应，研究团队在139只小鼠的大脑中累计进行了699次电极插入，覆盖了279个解剖学定义的脑区，记录下约62.2万个神经元的放电活动。所有数据通过统一的分析流程进行整合，最终构建出一张动态、全景式的“全脑神经活动图谱”。需要强调的是，这并非单只动物的“全脑实时录像”，而是通过标准化实验与大规模数据融合，拼接出统计意义的全脑决策图景——如同用千万张航拍照片合成一座城市在不同时段的灯光热力图。

研究显示：当小鼠进行任务时，其大脑并非陆续启动一个个“指挥中心”，而是呈现出一场“全城点亮”式的协同激活。视觉刺激首先在经典视觉通路引发局部“亮灯”，然后信号迅速向全脑扩散，与运动准备、执行、奖赏预期等相关的信号在皮层与皮层下区域此起彼伏。尤为关键的是，与“左还是右”的抉择本身相关的神经编码，并非局限于前额叶等高级脑区，而是在多个脑区几乎同步涌现。这表明，脑内决策需要多个神经节点在毫秒级“时间窗”内相互作用、加权整合，共同形成行为输出。当“奖励”到来时，实验小鼠全脑还出现广泛的节律性同步活动，展现出神经系统的高度协同性。

这一发现对脑科学发展的意义深远。它意味着多个脑区的大量相互连接的神经元以一种“去中心化”的全脑动态协同方式实现决策等高级认知功能，也提示我们，许多神经精神疾病(如抑郁症、精神分裂症)可能并非单一脑区损伤所致，而是大规模神经网络协调失衡的结果。未来的治疗策略或将从“定点修复”转向“网络调控”，通过精准干预关键节点，恢复整体功能的动态平衡。

不过，当前图谱主要是揭示神经活动与行为之间的相关性。要确立因果关系，还需结合光遗传学、化学遗传学等干预手段，进一步验证整个网络连接体系中各个神经回路在决策中的作用。同时，该实验中的动物处于头部固定状态，未来如何在实验对象自由行为场景下进行全脑记录，也是一个重要的课题。进一步讲，这一神经活动的“灯光地图”通过与神经连接的“线路地图”研究相互印证、叠加整合，从而构建出多维度的全景神经图谱，为实现真正的“大脑数字孪生”提供可能。

值得一提的是，此次研究的组织方式也展现出高度的协同性。12个实验室如同大脑中的不同区域，在统一标准下分工协作、共享数据，最终实现远超单个团队能力的科学突破。通过这种“分布式科研网络”模式，全球研究者将绘制不断完善的图景，共同探索脑功能的深层机制，推动类脑智能、脑机接口与神经精神疾病治疗的持续突破。

(作者为中国科学技术大学生命科学学院教授)

《 人民日报 》( 2025年12月01日 15 版)