方錦清

研究員，中國原子能科學(xué)研究院，北京 102413

隨著現(xiàn)代科技的突飛猛進(jìn)，尤其是近些年來，腦造影技術(shù)的進(jìn)步，使人們能夠在系統(tǒng)層次上探索人類大腦網(wǎng)絡(luò)的奧秘。其中彌散張量成像技術(shù)是一種核磁共振成像技術(shù)，是能無創(chuàng)檢測大腦白質(zhì)纖維連接的成像方式?，F(xiàn)代新技術(shù)一改長期必須對(duì)動(dòng)物或尸體進(jìn)行解剖才能了解大腦的困境，出現(xiàn)令人可喜的進(jìn)展，提出了新的思考和挑戰(zhàn)性問題。

1 大腦網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涮匦缘臅r(shí)頻映像

大腦網(wǎng)絡(luò)探索的新進(jìn)展表現(xiàn)在利用擴(kuò)散張量成像新技術(shù)，測得能夠更精確反映大腦視覺的時(shí)頻映像的數(shù)據(jù)，進(jìn)而分析比較隨機(jī)與規(guī)則網(wǎng)絡(luò)不同組態(tài)下的大腦功能網(wǎng)絡(luò)時(shí)頻的不同特點(diǎn)[1]。圖1～3為不同時(shí)刻和頻率下大腦網(wǎng)絡(luò)的特性及模塊的拓?fù)鋱D，分布很不均勻，差異很大。數(shù)據(jù)顯示：大腦映像數(shù)據(jù)在時(shí)間和空間上是不同的，且大腦連接圖隨時(shí)間和頻率存在動(dòng)態(tài)變化，具有維持大腦功能的小世界特性結(jié)構(gòu)的自適應(yīng)能力。揭示出大腦網(wǎng)絡(luò)具有非隨機(jī)模塊化組織和后恢復(fù)模塊功能的重大作用。這個(gè)模塊位形可能在大標(biāo)度大腦活性的整合(集成)中發(fā)揮關(guān)鍵作用并在大腦的認(rèn)知過程中促進(jìn)腦系統(tǒng)的協(xié)調(diào)。

圖1 視覺刺激相關(guān)的大腦網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)涮匦缘臅r(shí)頻映像[1] (點(diǎn)線揭示從預(yù)刺激區(qū)域到發(fā)生重大變化的區(qū)域。上圖：對(duì)于頻率20 Hz在不同時(shí)刻活性(利用虛線厚度表示)；下圖：局部參數(shù)的拓?fù)浞植?

圖2 功能網(wǎng)絡(luò)與隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)及規(guī)則配置網(wǎng)絡(luò)的時(shí)頻映像比較[1](隨機(jī)及規(guī)則配置網(wǎng)絡(luò)的等價(jià)結(jié)果都是20次平均的結(jié)果)

圖3 從不同時(shí)間t與頻率f刺激之后獲得的大腦網(wǎng)絡(luò)的模塊的拓?fù)浞植糩1]

上述研究給大腦網(wǎng)絡(luò)提供了信息轉(zhuǎn)換器如何有效進(jìn)行局部分管處理和全局整合，并同時(shí)能夠自適應(yīng)去滿足神經(jīng)損傷的變化。涉及遠(yuǎn)程大腦區(qū)域功能整合的神經(jīng)生理機(jī)制尚未清楚，但動(dòng)力學(xué)的小世界組織可能解決活性局部特殊性與分布腦區(qū)域的定標(biāo)所強(qiáng)加的約束之間關(guān)系；因此網(wǎng)絡(luò)的模塊或社區(qū)成為大腦組織很有吸引力的模型。網(wǎng)絡(luò)描述可提供人類在病理的或認(rèn)知狀態(tài)期間的工作圖像或狀態(tài)，認(rèn)識(shí)在一定時(shí)變連接結(jié)構(gòu)的新圖像。

2 獼猴大腦的長距網(wǎng)絡(luò)圖

2010年8月6日美國國家科學(xué)院院刊(PNAS)發(fā)表了由Dharmendra S. Modha(IBM阿爾馬登)和Raghavendra Singh(IBM印度研究中心)撰寫的題為《獼猴大腦長距網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)》的論文[2]。令人振奮的是，IBM科學(xué)家創(chuàng)造了最全面的大腦網(wǎng)絡(luò)圖，如圖4所示，這張“意識(shí)的曼陀羅”顯示獼猴大腦長距網(wǎng)絡(luò)跨越皮質(zhì)、丘腦及基底神經(jīng)節(jié)，標(biāo)明了383個(gè)大腦區(qū)域之間的6 602個(gè)長距連接。Modha指出：“我們已經(jīng)成功地發(fā)現(xiàn)并繪制了最全面獼猴大腦的長距網(wǎng)絡(luò)，這對(duì)于理解大腦的行為、復(fù)雜性、動(dòng)態(tài)性和計(jì)算是必不可少的……我們已經(jīng)整理了一個(gè)全面、一致、簡潔、連貫、龐大的網(wǎng)絡(luò)，覆蓋了整個(gè)大腦，立足于解剖跟蹤研究，是神經(jīng)科學(xué)和認(rèn)知計(jì)算的基礎(chǔ)以及應(yīng)用研究的奠基石?！?/p>

圖4 獼猴大腦的長距網(wǎng)絡(luò)[2](獼猴大腦的長距網(wǎng)絡(luò)的度分布服從冪律分布，指數(shù)為λ= 27.2)

他們著重于383個(gè)腦區(qū)的長距網(wǎng)絡(luò)和通過大腦白質(zhì)傳輸?shù)? 602個(gè)長距大腦連接，這就像是遼闊的大腦區(qū)域間的“州際公路”，而基于神經(jīng)元的短距的灰質(zhì)連接在局部大腦區(qū)域和下分結(jié)構(gòu)構(gòu)成“局部連路”。他們還建立了一個(gè)公開的數(shù)據(jù)庫，名為“獼猴大腦連接數(shù)據(jù)校對(duì)”，它匯集了來自過去半個(gè)多世紀(jì)400多科學(xué)家發(fā)布的神經(jīng)解剖學(xué)的解剖跟蹤數(shù)據(jù)的科研報(bào)告。

他們研究了4倍于以前的大腦區(qū)域，并編制了近3倍數(shù)量的連接。這些數(shù)據(jù)會(huì)提供全新的分析和理解，并最終模仿大腦的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，據(jù)說這是地球上最復(fù)雜的體系結(jié)構(gòu)。他們發(fā)現(xiàn)：大腦網(wǎng)絡(luò)存在核心子網(wǎng)，包含一個(gè)緊密集成的核心，可能是在高級(jí)的認(rèn)知甚至是意識(shí)的中心……而且可能是人們一直思考的問題——人類是如何思考的——關(guān)鍵所在。核心跨越了運(yùn)動(dòng)前皮層、前額葉皮質(zhì)、顳葉、頂葉、丘腦、基底節(jié)、扣帶皮質(zhì)、腦島和視覺皮層等各部分。

通過對(duì)大腦區(qū)域的排序，利用類似于搜索引擎的網(wǎng)頁排名機(jī)制，他們發(fā)現(xiàn)：前額葉皮層位于大腦正前面是大腦功能的一部分，作為信息集成和分發(fā)的中心，可以把它看成是一個(gè)交換總機(jī)。

從上可見，大腦網(wǎng)絡(luò)研究開啟了一扇通向大型網(wǎng)絡(luò)理論分析的大門，就像網(wǎng)絡(luò)科學(xué)已為在互聯(lián)網(wǎng)、代謝網(wǎng)絡(luò)和蛋白質(zhì)相互作用網(wǎng)絡(luò)、各種社會(huì)網(wǎng)絡(luò)以及萬維網(wǎng)搜索提供很好的科學(xué)理解和定量分析。網(wǎng)絡(luò)科學(xué)將為臨床、系統(tǒng)、認(rèn)知和計(jì)算神經(jīng)科學(xué)提供不可或缺的基礎(chǔ)，將有助于設(shè)計(jì)認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)計(jì)算芯片的路由架構(gòu)。

3 人與猴大腦功能之異同的新發(fā)現(xiàn)[3]

在經(jīng)歷了數(shù)百萬年的進(jìn)化后，人類終于與猴子分道揚(yáng)鑣了。那么，究竟人類大腦和猴子大腦之間有哪些重要差異呢？2012年2月5日《自然—方法學(xué)》網(wǎng)絡(luò)版上發(fā)表了美國、意大利和比利時(shí)聯(lián)合課題組采用核磁共振儀，用新的實(shí)驗(yàn)方法揭示的人類大腦與猴子大腦在功能構(gòu)架方面大量的差異[3]，給了上述問題一個(gè)答案，有助于理解百萬年來人類大腦進(jìn)化的動(dòng)力。

2004年，美國普林斯頓大學(xué)Uri Hasson及其同事的研究表明，電影能使得不同觀看者的大腦同時(shí)作出明顯類似的反應(yīng)，由此也產(chǎn)生了一個(gè)新的科學(xué)領(lǐng)域——神經(jīng)電影學(xué)?；诖?，他們猜測這種現(xiàn)象不僅發(fā)生在人類中，在不同物種之間也可能存在。當(dāng)不同人看同一部電影時(shí)，他們大腦的相同部分會(huì)進(jìn)行感知，對(duì)于其他物種也不例外。但目前還不清楚的是，當(dāng)人類和其他物種接受相同刺激時(shí)，他們的大腦反應(yīng)會(huì)有什么異同。哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院的Wim Vanduffel及其同事解決了這個(gè)疑問。

最近，Uri Hasson等運(yùn)用一種稱作“種間活性相關(guān)”的方法作進(jìn)一步研究，實(shí)驗(yàn)對(duì)象包括24名志愿者和4只獼猴。研究人員讓他們分別獨(dú)自觀看電影《善、惡、丑》的一個(gè) 30分鐘片段，并對(duì)他們的大腦進(jìn)行功能性核磁共振成像。結(jié)果發(fā)現(xiàn)在許多情況下人和獼猴的大腦表現(xiàn)出同樣的反應(yīng)方式，但他們也發(fā)現(xiàn)了許多顯著的不同之處，如在處理視覺信息時(shí)人和獼猴大腦被激活的視覺皮質(zhì)區(qū)的部位不同。

人和猴子大腦對(duì)視覺信息的處理是分級(jí)進(jìn)行的，正如所料，人和猴子大腦活動(dòng)表現(xiàn)出類似的活性模式，特別是在那些參與早期視覺處理的大腦區(qū)域。但是，在視覺處理的高級(jí)階段，人和猴子大腦活性部位出現(xiàn)在視覺皮層的不同區(qū)域；即使是在同一區(qū)域，發(fā)生的時(shí)間也不一致。這說明人類大腦的這些高級(jí)區(qū)域，已經(jīng)進(jìn)化出了新的功能。

不過，該研究也有局限性。首先，電影充斥著多種視覺信息，是一個(gè)復(fù)雜的多感官刺激，人和猴子理解這樣的電影肯定是不同的。其次，該方法還不能區(qū)別大腦對(duì)特殊視覺信息的反應(yīng)，如面部表情等。為此，他們正在通過更嚴(yán)格的對(duì)照實(shí)驗(yàn)來處理這個(gè)問題。實(shí)驗(yàn)的初期結(jié)果是令人鼓舞的，由此可能推斷出人類與猴子大腦之間的同源區(qū)域，最終目的是徹底弄清促使人類大腦進(jìn)化的動(dòng)力。

4 人腦“高速路網(wǎng)”與老年癡呆

最近《神經(jīng)科學(xué)雜志》以封面文章介紹了中國學(xué)者的研究成果：理清人腦“高速路網(wǎng)”[4]。該課題應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)科學(xué)方法研究了阿爾茨海默病(AD，俗稱老年癡呆，見圖5)，它是一個(gè)嚴(yán)重的社會(huì)公共衛(wèi)生問題，其高發(fā)病率、高致殘率已成為影響人類健康的重大疾患。北京師范大學(xué)賀永和東南大學(xué)張志珺兩個(gè)團(tuán)隊(duì)對(duì)大腦網(wǎng)絡(luò)的研究發(fā)現(xiàn)：遺忘型輕度認(rèn)知障礙(aMCI)和恢復(fù)期老年抑郁癥(RGD)存在相似的神經(jīng)環(huán)路損害模式，闡明兩者可能有“共病”機(jī)制，這是目前阿爾茨海默病研究領(lǐng)域的一個(gè)重要科學(xué)問題。掌握它們共同的發(fā)病機(jī)理，將為進(jìn)一步探討兩種疾病神經(jīng)調(diào)節(jié)環(huán)路研究，以及把握阿爾茨海默病高風(fēng)險(xiǎn)人群治療時(shí)間窗研究提供依據(jù)。

圖5 正常情況和阿爾茨海默病患病情況的對(duì)比

賀永團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)研究了計(jì)算神經(jīng)映像與人腦連接組學(xué)，采用的是多個(gè)模態(tài)的神經(jīng)映像技術(shù)，并結(jié)合數(shù)學(xué)圖論方法進(jìn)行計(jì)算，研究活體人腦結(jié)構(gòu)和功能網(wǎng)絡(luò)的連接模式。在前期關(guān)于腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的研究中，他們提出采用結(jié)構(gòu)磁共振圖像獲得的腦皮層灰質(zhì)形態(tài)學(xué)數(shù)據(jù)構(gòu)建人腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)模型的計(jì)算方法，建立了世界上第一個(gè)活體人腦結(jié)構(gòu)連接網(wǎng)絡(luò)草圖，發(fā)現(xiàn)了人腦不同區(qū)域之間的灰質(zhì)厚度具有“小世界”組織方式。采用該方法建立了阿爾茨海默病和白質(zhì)多發(fā)硬化病的腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)失連接模型，建立了基于擴(kuò)散磁共振圖像人腦白質(zhì)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算方法，并成功將其用于性別、阿爾茨海默病、白質(zhì)多發(fā)硬化病和老年抑郁癥研究中。在腦功能網(wǎng)絡(luò)研究上，他們采用靜息態(tài)磁共振數(shù)據(jù)構(gòu)建了人腦在時(shí)間和空間上的功能連接網(wǎng)絡(luò)，發(fā)現(xiàn)人腦自發(fā)活動(dòng)在不同腦區(qū)間具有等級(jí)模塊化設(shè)計(jì)原則。針對(duì)腦網(wǎng)絡(luò)研究中的若干方法學(xué)問題進(jìn)行了研究，他們評(píng)價(jià)了不同腦分區(qū)方法對(duì)腦網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的影響，及腦功能網(wǎng)絡(luò)在不同時(shí)間上的可重復(fù)性。

研究結(jié)果提示aMCI和RGD患者的腦神經(jīng)環(huán)路變化模式具有較多的共同點(diǎn)，首次證實(shí)了兩者在發(fā)病機(jī)制上存在內(nèi)在關(guān)聯(lián)，為了解AD的發(fā)病機(jī)制提供了新的視角。大腦白質(zhì)纖維就像我們的交通網(wǎng)絡(luò)，如果交通網(wǎng)絡(luò)哪個(gè)部分出現(xiàn)問題，就會(huì)影響一些相應(yīng)的功能。人類依靠神經(jīng)細(xì)胞(神經(jīng)元)來感知刺激和興奮，并通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)將這些刺激或興奮傳導(dǎo)給不同的功能單元。

通過對(duì)正常人和疾病患者大腦白質(zhì)纖維的對(duì)比分析，可以發(fā)現(xiàn)哪些人的大腦“路網(wǎng)”可能會(huì)出現(xiàn)問題，有發(fā)展成老年癡呆的傾向，哪些人不會(huì)發(fā)展成老年癡呆。這在AD早期診斷或輕度AD治療上有重要價(jià)值。在治療上可通過對(duì)白質(zhì)纖維網(wǎng)絡(luò)的干預(yù)，改善通路，或?qū)ふ姨娲愤M(jìn)行治療。若對(duì)全腦白質(zhì)纖維網(wǎng)絡(luò)有更深入的了解，通過對(duì)小孩到老人白質(zhì)纖維發(fā)育軌跡的了解，能解決更多和腦認(rèn)知相關(guān)的疾病，如小孩多動(dòng)癥、孤僻癥、自閉癥等。

5 人類大腦增長與互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)化及宇宙膨脹的相似性

早在 2007年，中國學(xué)者劉鋒就把大腦網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與互聯(lián)網(wǎng)的相似性作了類比，發(fā)表了《互聯(lián)網(wǎng)虛擬大腦的結(jié)構(gòu)與功能》論文[5]。2012年劉鋒出版了《互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)化論》一書[6]，對(duì)過去5年的探索成果作了一次總結(jié)，闡述了互聯(lián)網(wǎng)與大腦之間的交叉對(duì)比研究問題(圖 6)，提出了互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)化可能將沿著若干方向進(jìn)化成與人類大腦相似的組織結(jié)構(gòu)，互聯(lián)網(wǎng)的未來將具備自己的視覺、聽覺、觸覺、運(yùn)動(dòng)神經(jīng)系統(tǒng)，也會(huì)擁有自己的記憶神經(jīng)系統(tǒng)、中樞神經(jīng)系統(tǒng)、自主神經(jīng)系統(tǒng)等。

迄今尚沒有人能夠提出一個(gè)基本方程式，揭示大腦網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、宇宙網(wǎng)絡(luò)甚至社交網(wǎng)絡(luò)隨時(shí)間空間演化的規(guī)律，這正是課題的最大挑戰(zhàn)和終級(jí)目標(biāo)所在。與擁有漫長進(jìn)化的人類大腦網(wǎng)絡(luò)相比，僅有 40多年歷史的互聯(lián)網(wǎng)還正處在發(fā)展初期，兩者雖然有一些相似性，但是無疑仍然存在著很大的差異?！盎ヂ?lián)網(wǎng)就是大腦”嗎？對(duì)此問題不能簡單對(duì)比、劃等號(hào)或匆匆地下結(jié)論，還需要大量嚴(yán)格科學(xué)的實(shí)驗(yàn)和論證。

圖6 互聯(lián)網(wǎng)與人類大腦類比[6]

2012年11月16日出版的Scientific Reports上發(fā)表一篇新的計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果(圖7)表明[7]，在大腦網(wǎng)絡(luò)(回路)、社交網(wǎng)絡(luò)和宇宙膨脹等現(xiàn)象背后，或許是由某種共同基礎(chǔ)的自然規(guī)律在支配著。該項(xiàng)研究認(rèn)為，宇宙可能像一個(gè)巨大的大腦一樣增長著，一些尚未發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)規(guī)律可能支配著多種或大或小的系統(tǒng)，從腦細(xì)胞之間的電信號(hào)傳遞，到社交網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)張，甚至是宇宙的膨脹。

圖7 計(jì)算機(jī)模擬的宇宙膨脹[7]

研究人員開發(fā)了一個(gè)計(jì)算機(jī)模擬程序，將早期宇宙分成盡可能小的單元，其中時(shí)空的份額比亞原子的粒子還小。模擬將所有的量子(或稱節(jié)點(diǎn))聯(lián)系在一個(gè)巨大的具有因果關(guān)系的天體網(wǎng)絡(luò)中；但是任何物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)都低于光速，因此當(dāng)一個(gè)人在地球上擊打棒球的時(shí)候，其產(chǎn)生的漣漪效應(yīng)在一個(gè)合理的時(shí)間里不可能到達(dá)外星系的某個(gè)外星人那里，這意味著這兩個(gè)時(shí)空區(qū)域不具有因果效應(yīng)。

當(dāng)他們將宇宙歷史與社交網(wǎng)絡(luò)，或者大腦網(wǎng)絡(luò)(回路)增長的方式對(duì)比時(shí)，發(fā)現(xiàn)這些網(wǎng)絡(luò)都以相似的擴(kuò)張方式：它們會(huì)協(xié)調(diào)相似節(jié)點(diǎn)與具多連接節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)系。例如，愛貓者在上網(wǎng)時(shí)，會(huì)更多地瀏覽與貓相關(guān)的網(wǎng)站，或者觀看有關(guān)小貓的視頻。與此類似，相鄰的大腦細(xì)胞趨向于連接，但同時(shí)也會(huì)尋求與那些連接著眾多其他細(xì)胞的神經(jīng)元建立聯(lián)系。

或大或小的系統(tǒng)間這種相似性很可能不是偶然的，Krioukov說：“對(duì)于物理學(xué)家來說這是個(gè)即時(shí)信號(hào)，意味著自然的運(yùn)作中還有某種人類尚未知道的東西?！焙芸赡茉谶@些不同的網(wǎng)絡(luò)之中，有一些未知的規(guī)律在支配它們運(yùn)行。Krioukov總結(jié)指出“研究結(jié)果提醒我們，也許是開始尋找這些規(guī)律的時(shí)候了。”

6 大腦網(wǎng)絡(luò)是“網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)”

實(shí)際上，大腦是一個(gè)高度自組織的時(shí)間-空間復(fù)雜的“網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)”，也稱超網(wǎng)絡(luò)，大腦網(wǎng)絡(luò)的三大層次之間各部分網(wǎng)絡(luò)相互嵌套，“你中有我，我中有你”聯(lián)接關(guān)系錯(cuò)綜復(fù)雜。例如，有人對(duì)大腦網(wǎng)絡(luò)睡眠過程進(jìn)行了測試，觀察了由深睡眠向淺睡眠過渡的細(xì)節(jié)過程，如圖8所示。

圖8 深睡眠向淺睡眠過渡的細(xì)節(jié)過程示意圖(圖片來源: A.Bashan et al, Nature Communications, 2012, adapted by T. Dubé)

從深睡眠到淺睡眠的轉(zhuǎn)換過程中，睡眠越淺節(jié)點(diǎn)的鏈接越緊密，體內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)越來越協(xié)調(diào)一致，可能在某個(gè)閾值，忽然協(xié)調(diào)達(dá)到一致狀態(tài)。圖8中每一個(gè)小圓代表一個(gè)身體系統(tǒng)的度量，而線條顯示出在4 min的時(shí)間里哪些系統(tǒng)在一致行動(dòng)。從交互網(wǎng)絡(luò)的觀點(diǎn)來看，深睡眠與淺睡眠截然不同，后者更像是醒來。分析認(rèn)為，身體中各部分網(wǎng)絡(luò)，例如無數(shù)的神經(jīng)、肌肉、細(xì)胞或分子網(wǎng)絡(luò)，它們“分中有合，合中有分”，能夠集體運(yùn)行，最終都加入了一個(gè)更大的群體網(wǎng)絡(luò)。雖然它們在何時(shí)、以何種方式聯(lián)結(jié)起來，這個(gè)物理機(jī)制尚未知道，但是肯定它們形成了一個(gè)完善而神秘的超網(wǎng)絡(luò)。

“人腦連接組計(jì)劃”(Human Connectome Project)利用掃描數(shù)據(jù)繪制的腦細(xì)胞髓鞘分布圖，如圖 9所示。髓鞘是包在神經(jīng)元分支外面的白色膜層，成分是髓磷脂。髓磷脂含量分布是表示神經(jīng)元分支和信息傳遞速度的重要指標(biāo)。人腦連接組計(jì)劃準(zhǔn)備用5年時(shí)間繪制出人腦超網(wǎng)絡(luò)的線路圖。

圖9 腦細(xì)胞髓鞘分布圖

波士頓大學(xué)和其他地區(qū)的研究者們提出了一種數(shù)學(xué)方法，用以解釋“網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)”是如何突然崩潰的。他們研究3個(gè)及更多相互關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的特性及其弱點(diǎn)。在另一項(xiàng)研究中，他們發(fā)現(xiàn)恐怖分子對(duì)一座重要電力樞紐造成的破壞，也許并不同于老鼠咬穿了電線這類更隨機(jī)的破壞。通過分析關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，研究者們發(fā)現(xiàn)了一種無法用單一網(wǎng)絡(luò)的知識(shí)推導(dǎo)出的數(shù)學(xué)行為。在單一網(wǎng)絡(luò)中，移除一個(gè)節(jié)點(diǎn)之后，故障會(huì)逐步傳播，網(wǎng)絡(luò)一點(diǎn)一點(diǎn)地破碎；但是在“網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)”中，刪除節(jié)點(diǎn)意味著可以發(fā)生突然崩潰。當(dāng)節(jié)點(diǎn)失效時(shí)，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)一開始表現(xiàn)得運(yùn)行正常；但突然之間達(dá)到一個(gè)閾值，這時(shí)如果再有一個(gè)節(jié)點(diǎn)丟失的話，“砰”的一聲，一切分崩離析。

另外，在大量網(wǎng)絡(luò)中，連接通暢的節(jié)點(diǎn)更有可能與其他連接通暢的節(jié)點(diǎn)聯(lián)系起來。研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，如果相依系統(tǒng)中有一個(gè)網(wǎng)絡(luò)具備這種同配性(所謂同配性是指網(wǎng)絡(luò)是正相關(guān)的)，這樣整個(gè)系統(tǒng)更易于陷入混亂。這些早期的發(fā)現(xiàn)，出人意料的是基于單一網(wǎng)絡(luò)的研究結(jié)果，這使得科學(xué)家們好奇，諸如，怎么發(fā)生大腦網(wǎng)絡(luò)的茅塞頓開(突然失去記憶等)、北美區(qū)域的電網(wǎng)突然大停電、金融危機(jī)出現(xiàn)金融市場崩潰、交通出現(xiàn)嚴(yán)重?fù)矶?、健康的突然惡化等等。這些“網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)”中還可能隱藏著什么樣的待解之謎？這些現(xiàn)象背后有什么共同規(guī)律？如何更好地理解大腦網(wǎng)絡(luò)？我們認(rèn)識(shí)到，這一系列問題向網(wǎng)絡(luò)科學(xué)提出了嶄新的挑戰(zhàn)。網(wǎng)絡(luò)科學(xué)在世紀(jì)之交誕生以來，主要僅對(duì)大多數(shù)單一獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)研究網(wǎng)絡(luò)是如何運(yùn)行(機(jī)制)，看來已經(jīng)不能適應(yīng)實(shí)際復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)研究的需要了，研究網(wǎng)絡(luò)之間如何交互作用更為重要?！安蝗牖⒀?，焉得虎子”，我們必須深入到“網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)”的虎穴，才能進(jìn)一步揭開“網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)”的廬山真面目，從而開啟網(wǎng)絡(luò)科學(xué)嶄新的里程。

7 值得思考的問題

網(wǎng)絡(luò)科學(xué)與大腦科學(xué)之間的碰撞和交叉研究激發(fā)了一些值得深入思考的問題，可能產(chǎn)生預(yù)料不到的靈感和結(jié)果，將有助于揭開人類大腦的若干奧秘。

7.1 大腦作為小世界網(wǎng)絡(luò)起什么作用?

目前，實(shí)驗(yàn)和理論都已經(jīng)發(fā)現(xiàn)大腦網(wǎng)絡(luò)具有小世界特性，其主要依據(jù)：①大腦功能同時(shí)具有功能性分化和功能性整合的信息處理能力。功能性分化是指空間距離鄰近的神經(jīng)元彼此之間連接的概率較高，并形成具有一定獨(dú)立功能的單元，大腦神經(jīng)連接網(wǎng)絡(luò)的聚類系數(shù)反映這一特征；功能性整合則是空間遠(yuǎn)離的神經(jīng)元彼此之間連接的概率較低，大腦神經(jīng)連接網(wǎng)絡(luò)的特征路徑長度可以反映這一特征。網(wǎng)絡(luò)建筑被視為感覺運(yùn)動(dòng)和認(rèn)知的關(guān)鍵基質(zhì)。②大腦演化使信息處理具有最大效率或使信息處理過程所付的代價(jià)最小。這是因?yàn)殚L的軸突投射需要付出更多的物質(zhì)和能量代價(jià)，故大腦不同功能單元之間的神經(jīng)元連接不如單元之內(nèi)的神經(jīng)元連接多，但少量的長的軸突投射已足以使腦神經(jīng)連接網(wǎng)絡(luò)具有小的特征路徑長度，這一特征可使信息物質(zhì)等在對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)上傳播所需要付出的代價(jià)較小，從而使大腦達(dá)到既整體協(xié)作又局部“經(jīng)濟(jì)的”工作模式(物質(zhì)和能耗都少)。

7.2 大腦的無標(biāo)度特性起什么作用?

研究發(fā)現(xiàn)大腦中存在某些最關(guān)鍵的功能區(qū)域參與幾乎所有其他功能區(qū)域的功能活動(dòng)。無標(biāo)度特性是一把雙刃劍，它對(duì)于網(wǎng)絡(luò)的外部攻擊具有穩(wěn)定性，不會(huì)導(dǎo)致全腦整體的崩潰，但是對(duì)于來自“中心”襲擊造成的損傷，將可能影響最關(guān)鍵的功能區(qū)域，問題就會(huì)相當(dāng)嚴(yán)重。

7.3 大腦的記憶、搜索與涌現(xiàn)怎么發(fā)生?

大腦思考運(yùn)動(dòng)具有混沌遍歷性、強(qiáng)的自動(dòng)搜索能力與網(wǎng)絡(luò)涌現(xiàn)的特點(diǎn)。人們常有這樣的經(jīng)驗(yàn)，久想不起的事情突然在大腦中涌現(xiàn)了，顯示了人腦思維具有混沌特性，對(duì)存儲(chǔ)在大腦中發(fā)生過的事情具有強(qiáng)遍歷性、高搜索和識(shí)別能力?！懊┤D開”和突然回憶起長久的往事也是大腦網(wǎng)絡(luò)的一種思維的涌現(xiàn)現(xiàn)象!

7.4 大腦如何成為高超的信息處理系統(tǒng)的?

大腦是生物體內(nèi)結(jié)構(gòu)和功能最復(fù)雜的器官，同時(shí)它是高超的、精巧的和完善的信息處理系統(tǒng)。人類大腦的神經(jīng)細(xì)胞總數(shù)約為1012個(gè)，相當(dāng)于整個(gè)銀河系星體的總數(shù)。此外，還有比神經(jīng)細(xì)胞多10～50倍的神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞。大腦掌管著人類每天的語言、思維、感覺、情緒、運(yùn)動(dòng)等高級(jí)活動(dòng)，這些都與大腦網(wǎng)絡(luò)的神經(jīng)元之間或者神經(jīng)元集群之間的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)密切相關(guān)，從本質(zhì)上決定了整個(gè)大腦功能。因此，揭示大腦網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和功能的奧秘?zé)o疑是人類面臨的一大挑戰(zhàn)。

7.5 大腦網(wǎng)絡(luò)和人類智商之間有何關(guān)系?

研究結(jié)構(gòu)性腦網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)涮匦院腿祟愔巧剃P(guān)系，是把受試者分成高智商組和普通智商組。通過智商打分，基于受試者的DTI數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)性腦網(wǎng)絡(luò)分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)高智商組的結(jié)構(gòu)性腦網(wǎng)絡(luò)的全局效率顯著高于普通智商組。智商打分分值和大腦網(wǎng)絡(luò)的特征路徑長度顯著負(fù)相關(guān)，和全局效率顯著正相關(guān)，這意味著智商是和大腦網(wǎng)絡(luò)的全局并行信息處理傳輸能力相關(guān)。

7.6 怎么應(yīng)用大腦的知識(shí)為人類造福?

探索大腦網(wǎng)絡(luò)最重要的目的之一是為了解除人類大腦疾病(如老年癡呆等)。最近，IBM Almaden研究中心和美國勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家們首先研制和演示了“大型腦皮層模擬器”。結(jié)果顯示這臺(tái)模擬器不僅僅比貓類還要狡猾，而且它還擁有10億個(gè)尖峰神經(jīng)元和10萬億個(gè)獨(dú)立的學(xué)習(xí)神經(jīng)鍵。神經(jīng)鍵也是真實(shí)大腦細(xì)胞之間的連接物。另一關(guān)鍵是由IBM公司與斯坦福大學(xué)共同合作提出了新的感知算法，新算法采用“深藍(lán)”超級(jí)計(jì)算機(jī)來測量人類大腦與模擬大腦之間的聯(lián)系，然后再利用磁共振彌散加權(quán)成像技術(shù)繪制了模擬大腦內(nèi)部的神經(jīng)連線路徑。IBM公司進(jìn)一步理清了模擬大腦內(nèi)部的通信規(guī)則，有助于進(jìn)一步研究大腦的工作規(guī)則，距離智能芯片的制造目標(biāo)則更接近一步。如能夠?qū)崿F(xiàn)智能芯片，則計(jì)算機(jī)的未來發(fā)展將發(fā)生革命性變化。人們的聯(lián)系必須要有一種更快速、更高效、更智能的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)來代替目前的“啞巴計(jì)算機(jī)系統(tǒng)”。大腦網(wǎng)絡(luò)的研究已被廣泛擴(kuò)展到精神性或神經(jīng)性腦疾病研究、腦認(rèn)知研究等各方面。如對(duì)癲癇病人的EEG信號(hào)研究發(fā)現(xiàn)：對(duì)應(yīng)于癲癇發(fā)作前、發(fā)作中、發(fā)作后這三個(gè)階段，患者的功能性腦網(wǎng)絡(luò)依次表現(xiàn)出趨向于隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)、趨向于規(guī)則網(wǎng)絡(luò)、趨向于隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)的特性，也即功能性腦網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)涮匦员憩F(xiàn)出隨患病狀態(tài)而變化的動(dòng)力學(xué)行為。大腦網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涮匦约扰c生理學(xué)、心理學(xué)和認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)有關(guān)又會(huì)起到促進(jìn)作用，可能給出認(rèn)知活動(dòng)的判據(jù)和可靠的疾病診斷標(biāo)志。

8 挑戰(zhàn)與展望

運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)科學(xué)知識(shí)體系，對(duì)大腦網(wǎng)絡(luò)的建模及其動(dòng)力學(xué)分析，揭示大腦的奧秘將是人類面臨的最大挑戰(zhàn)，已成為神經(jīng)科學(xué)和網(wǎng)絡(luò)科學(xué)的熱門的前沿課題之一。

挑戰(zhàn)1：大腦組織是一個(gè)時(shí)間-空間的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，并且是“網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)”，相互嵌套，錯(cuò)綜復(fù)雜。具有多層次、多維性、多級(jí)性和相互作用等“諸多”的特征?！熬W(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)”節(jié)點(diǎn)本身可以是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，怎么探索“網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)”，目前國內(nèi)外還處于探索性階段。國內(nèi)外都認(rèn)為，大腦網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)、宇宙網(wǎng)絡(luò)存在一定的相似性，但是尚未揭開其隨時(shí)間空間演化的基本方程式，兩者雖然有一些相似性結(jié)構(gòu)，但是兩者畢竟存在著很大的差異，怎么達(dá)到殊徑同歸？今后更迫切需要大量嚴(yán)格科學(xué)的實(shí)驗(yàn)和論證，不論人類大腦，還是下一代互聯(lián)網(wǎng)，都更迫切需要多學(xué)科合作，需要?jiǎng)?chuàng)新再創(chuàng)新！兩者才能共同發(fā)展，相互促進(jìn)和不斷融合！

挑戰(zhàn) 2：無論在研究大腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)想記憶和模式分割，還是在研究大腦神經(jīng)系統(tǒng)的混沌控制與混沌同步時(shí)，神經(jīng)元之間或者神經(jīng)元集群之間的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都是極具挑戰(zhàn)性，因?yàn)榻?jīng)由這些拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)所構(gòu)成的復(fù)雜腦網(wǎng)絡(luò)從本質(zhì)上決定了整個(gè)大腦的工作情況。

挑戰(zhàn) 3：已發(fā)現(xiàn)大鼠和小鼠擁有對(duì)它們周圍環(huán)境的一個(gè)方向圖，并由被稱為“網(wǎng)格細(xì)胞”的大腦皮層神經(jīng)元來產(chǎn)生和更新。人類是否存在與老鼠類似的機(jī)制？如何把大鼠網(wǎng)格細(xì)胞的單元記錄與在虛擬環(huán)境中穿行的人的全腦磁共振成像(fMRI) 結(jié)合起來全面深入研究動(dòng)物與人類的大腦之間的差異？

挑戰(zhàn) 4：網(wǎng)絡(luò)科學(xué)既然成功地應(yīng)用于理解互聯(lián)網(wǎng)、代謝網(wǎng)絡(luò)、蛋白質(zhì)相互作用網(wǎng)絡(luò)、各種社會(huì)網(wǎng)絡(luò)以及萬維網(wǎng)，同樣也能為大腦網(wǎng)絡(luò)開啟一扇探索大腦奧秘的大門，并為臨床、認(rèn)知和計(jì)算神經(jīng)科學(xué)提供理論技術(shù)基礎(chǔ)。挑戰(zhàn)性問題是：如何應(yīng)用“神經(jīng)連接組學(xué)”全面揭開大腦網(wǎng)絡(luò)的奧妙，并開辟大腦網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際應(yīng)用？任務(wù)緊迫，意義重大。

挑戰(zhàn) 5：如何提高實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性？大腦的功能性連接在100 ms或更短的時(shí)間尺度內(nèi)就發(fā)生變化，大腦功能性網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建存在兩個(gè)問題：一是如何在短時(shí)窗內(nèi)準(zhǔn)確估計(jì)多通道信號(hào)之間的相互關(guān)系，因此大腦功能性網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建中一個(gè)關(guān)鍵性問題是縮短時(shí)間尺度和準(zhǔn)確刻畫各腦區(qū)之間的關(guān)系；二是如何確定用于構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)的閥值，使我們能夠定性定量地科學(xué)理解和掌握大腦的工作機(jī)制和運(yùn)作規(guī)律。

總之，網(wǎng)絡(luò)科學(xué)和以大腦科學(xué)為核心的神經(jīng)科學(xué)廣泛交叉研究已成為 21世紀(jì)國際科技研究的重大交叉前沿科學(xué)[8]，大腦網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)能夠?qū)崟r(shí)地從外部和內(nèi)部各種刺激中極其完美地提取和整合各種信息的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，今后特別需要開展多學(xué)科、多層次的深入的綜合性研究，才能盡快揭開大腦“網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)”的奧秘，并加強(qiáng)大腦網(wǎng)絡(luò)與疾病(如精神分裂癥、帕金森癥等)等關(guān)系的預(yù)測、診斷、大腦結(jié)構(gòu)與功能性網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)力學(xué)分析、腦的損傷以及與臨床相結(jié)合的實(shí)證應(yīng)用與理論研究，為全人類帶來福音。

(2012年9月14日收稿)

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