是什么使我们成为现在的我们？我们的个人历史或希望记录在哪里？是什么解释了自闭症、精神分裂症或卓越的天赋？塞巴斯蒂安·承认为，这一切都在于我们神经元之间的连接。在他的新书《连接组》中，他认为技术现在已经达到了可以开始绘制至少部分连接组的程度。他说，这是一项艰巨的任务，但没有它，神经科学将停滞不前。他回答了《心灵问题》编辑加雷思·库克提出的问题。
库克：你在书中认为神经科学存在一个根本问题。问题是什么？
承：大多数人都熟悉神经科学的区域方法：将大脑划分为“左脑”和“额叶”等区域，并弄清楚每个区域的作用。这种方法帮助医生解释了脑损伤的症状，但同时也存在令人沮丧的局限性。区域如何执行其功能？为什么它们会在精神障碍中出现故障？当我们学习时，区域会发生什么变化？如果我们认为区域是大脑的基本、不可分割的单元，我们就永远无法获得这些问题的满意答案。
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一个显而易见的解决方案是将一个区域细分为神经元来理解它，并弄清楚神经元如何协同工作以执行该区域的功能。这种神经元方法有可能回答上述重要问题，但到目前为止尚未成功。事实上，那些研究区域的人有时会批评那些研究神经元的人过于关注细节。
库克：是什么让你认为还有另一种方法？
承：由于技术创新，特别是在遗传学和成像方面的技术创新，神经元方法最终开始兴起。现在可以对动物的神经系统进行基因改造，使研究人员能够进行更精确和更具决定性的实验。而且，有强大的新方法可以观察大脑，看看神经元是如何相互传递信号以及它们是如何连接成网络的。这些进展使神经科学家乐观地认为，我们最终将把大脑理解为一个神经元网络。
库克：你所说的连接组是什么意思？
承：连接组是神经网络的地图。它就像你在航空杂志背面找到的那些路线图之一。只需将每个城市替换为神经元，并将城市之间的每条路线替换为神经元之间的连接。但请记住，你的大脑包含大约 1000 亿个神经元，所以你的连接组永远无法放进杂志的页面中。
库克：这项研究可以帮助理解哪些特定的疾病？
承：在阿尔茨海默病和帕金森病等脑部疾病中，神经元会退化和死亡。尸检显示，大脑明显存在问题。然而，对于许多精神障碍，如自闭症和精神分裂症，尚未发现大脑的清晰和一致的病理。为什么？研究人员推测，单个神经元是健康的，但它们以异常模式相互连接。不幸的是，这种“错误接线”或“连接病”仍然只是假设，因为我们绘制神经连接的技术过于原始。想象一下在显微镜发明之前研究传染病是什么样的。你可以观察到症状，但不能观察到引起疾病的微生物。同样，大多数精神障碍仍然仅由其症状定义。我们需要揭示它们在大脑中的病因，而连接组学的新领域将对此非常重要。
库克：你对个人身份的讨论很有趣。你能解释一下这与连接组的关系吗？
承：我提到过，某些精神障碍是由于神经连接异常造成的假设。我们可以扩展这个想法来解释正常的精神变异。也许大脑的不同是因为连接组的不同。你可能听过人们说“约翰尼就是那样。他的大脑连接方式不同。”我换一种说法：“你就是你的连接组。”我们是遗传和一生经历的产物。基因以多种方式影响了你的连接组——例如，在你的大脑发育过程中指导你的神经元如何连接在一起。经历也改变了你的连接组，因为连接会因伴随经历的神经活动模式而改变。换句话说，你的连接组是天性与后天相结合的地方。
库克：绘制连接组似乎是一个几乎不可能完成的挑战。批评者说你可能永远不会成功，或者即使你成功了，也需要几十年时间，而我们不能为此而搁置神经科学。
承：事实上，绘制整个人类连接组是有史以来最伟大的技术挑战之一。仅用电子显微镜对整个人脑进行成像就足够困难了。这将产生大约一个泽字节的数据，这大致相当于世界当前的数字内容量。然后分析图像以提取连接组将更加困难。但我相信我们最终会获胜。成功不会突然出现，而是随着时间的推移而持续增长。我估计，绘制连接组的速度将每一年或两年翻一番。如果是这样，那么在几十年内绘制整个人类连接组将成为可能。其他技术也有类似的成功案例。在过去的半个世纪里，计算机一直以这样的速度进步。DNA测序在过去的四十年里也取得了类似的进展，并在过去的十年里甚至进一步加速。
也就是说，关于遥远未来的这种推测只是为了好玩，实际上是题外话。即使我们永远无法成功绘制整个人类连接组，我们也可以通过绘制人类或动物大脑的小块连接图来学到很多东西。这种趋势已经开始。连接组学方面令人兴奋的发展正在发生；我们不必坐等未来。
库克：是否有任何方法可以加速研究？
承：我们邀请公众访问一个名为EyeWire的网站，在那里你可以帮助绘制视网膜的连接组，视网膜是眼睛后部的神经组织层。（这些图像是在我们的德国合作者温弗里德·登克（Winfried Denk）的实验室中使用电子显微镜拍摄的。）你不需要专门的培训即可参与，因为EyeWire就像一本虚拟着色书，页面是视网膜的图像。你的任务是为神经元着色，你已经知道如何做到这一点：只需留在边界内即可。通过这种方式，你将追踪视网膜的“导线”，即其神经元的分支。这是绘制连接组所需的最繁琐的任务。（另一个重要任务是识别突触，即神经元相互通信的微小连接。）
EyeWire 的着色书非常庞大，没有人可以活足够长的时间来手动为神经元着色。我们通过两种方式加快了这一过程。首先，人工智能（AI）会自动完成大部分着色。你只需点击几下鼠标即可引导 AI。其次，着色游戏对某些人来说很有趣甚至会上瘾。也许是因为神经元的有机形态令人着迷。或者也许是因为游戏具有挑战性；在某些图像位置，很难决定两个神经元之间是否存在边界，即是否继续着色或停止着色。EyeWire 用户往往会在实践中不断提高此类决策能力，因为他们会逐渐从经验中学习神经元的形状。
我们正在努力使 EyeWire 更有趣，希望能招募一个庞大的“公民科学家”社区。如果社区的每个成员都玩一点着色游戏，我们可以共同绘制视网膜连接组。社区对该网站的输入也将使 AI 更智能，因为计算机会学习模仿人类的判断。这将进一步加快着色过程，直到我们准备好搜索连接病为止。哲学家们喜欢思考大脑是否足够复杂到可以理解自身的问题。也许不是，但也许我们数十亿的大脑与 AI 的互动能够胜任这项任务！
库克：是什么让你想到转向公民科学？这只是一种外展形式，还是你真的认为它最终会对神经科学产生重大影响？
承：天文学领域的 Galaxy Zoo 和分子生物学领域的 FoldIt 的成功给我们留下了深刻的印象。早在几年前，我们就在考虑创建 EyeWire，但所需的技术尚未可用或普及。在向用户提供 3D 图像时，EyeWire 在 10 Mbps 的互联网连接下运行良好，这种速度仅在最近才在家庭中变得普遍。EyeWire 的交互式 3D 图形（对于 Web 应用程序来说很少见）是使用 WebGL 实现的。此标准非常新，需要最新的图形硬件，在某些较旧的 Web 浏览器中可能难以配置，并且不受 Internet Explorer 的支持。我们希望用户理解，这种烦恼是作为早期采用者而来的，但随着技术的成熟应该会消失。
EyeWire 真正让我兴奋的是它在真正协同的方式中结合研究、教育和外展的潜力。这些活动通常被视为独立的，甚至可能被视为相互干扰。研究人员可能希望将更多时间花在教育和外展上，但最终因为他们必须专注于研究才能在其专业领域保持竞争力而没有这样做。同样，教育工作者可能忙于教学而无法进行研究。但 EyeWire 创造了一种重要研究目标依赖于公民科学家参与的情况。通过实际进行科学来学习科学可能比传统的教育方法更有效，或者至少可以很好地补充它们。
库克：无论公众是否提供帮助，绘制连接组只会提供神经网络的结构，而不会提供神经元实际发送的信号。你是不是在为另一个更艰巨的项目做准备？
Seung：神经生理学家现在利用新的光学显微镜方法，能够在活体动物的大脑中同时成像数百甚至数千个单个神经元的信号。（与显微镜相比，核磁共振成像的优势在于可以应用于活体人脑，但会将 10 万个神经元模糊成一个像素。） 对神经活动的研究之后可以进行电子显微镜观察，以绘制相同神经元的连接图。 想象一下，如果能够知道大脑一小块区域中所有神经元的活动和连接。这种能力终于触手可及，必将彻底改变神经科学。
您是专门研究神经科学、认知科学或心理学的科学家吗？您是否阅读过最近发表的同行评审论文，并想就此撰写文章？请将建议发送给《心灵事记》的编辑加雷斯·库克 (Gareth Cook)，他是《波士顿环球报》的普利策奖获奖记者。可以通过 garethideas AT gmail.com 或 Twitter @garethideas 联系他。