是什麼使我們成為現在的我們？我們的個人歷史或希望記錄在哪裡？是什麼解釋了自閉症、精神分裂症或卓越的天賦？塞巴斯蒂安·承認為，這一切都在於我們神經元之間的連線。在他的新書《連線組》中，他認為技術現在已經達到了可以開始繪製至少部分連線組的程度。他說，這是一項艱鉅的任務，但沒有它，神經科學將停滯不前。他回答了《心靈問題》編輯加雷思·庫克提出的問題。
庫克：你在書中認為神經科學存在一個根本問題。問題是什麼？
承：大多數人都熟悉神經科學的區域方法：將大腦劃分為“左腦”和“額葉”等區域，並弄清楚每個區域的作用。這種方法幫助醫生解釋了腦損傷的症狀，但同時也存在令人沮喪的侷限性。區域如何執行其功能？為什麼它們會在精神障礙中出現故障？當我們學習時，區域會發生什麼變化？如果我們認為區域是大腦的基本、不可分割的單元，我們就永遠無法獲得這些問題的滿意答案。
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一個顯而易見的解決方案是將一個區域細分為神經元來理解它，並弄清楚神經元如何協同工作以執行該區域的功能。這種神經元方法有可能回答上述重要問題，但到目前為止尚未成功。事實上，那些研究區域的人有時會批評那些研究神經元的人過於關注細節。
庫克：是什麼讓你認為還有另一種方法？
承：由於技術創新，特別是在遺傳學和成像方面的技術創新，神經元方法最終開始興起。現在可以對動物的神經系統進行基因改造，使研究人員能夠進行更精確和更具決定性的實驗。而且，有強大的新方法可以觀察大腦，看看神經元是如何相互傳遞訊號以及它們是如何連線成網路的。這些進展使神經科學家樂觀地認為，我們最終將把大腦理解為一個神經元網路。
庫克：你所說的連線組是什麼意思？
承：連線組是神經網路的地圖。它就像你在航空雜誌背面找到的那些路線圖之一。只需將每個城市替換為神經元，並將城市之間的每條路線替換為神經元之間的連線。但請記住，你的大腦包含大約 1000 億個神經元，所以你的連線組永遠無法放進雜誌的頁面中。
庫克：這項研究可以幫助理解哪些特定的疾病？
承：在阿爾茨海默病和帕金森病等腦部疾病中，神經元會退化和死亡。屍檢顯示，大腦明視訊記憶體在問題。然而，對於許多精神障礙，如自閉症和精神分裂症，尚未發現大腦的清晰和一致的病理。為什麼？研究人員推測，單個神經元是健康的，但它們以異常模式相互連線。不幸的是，這種“錯誤接線”或“連線病”仍然只是假設，因為我們繪製神經連線的技術過於原始。想象一下在顯微鏡發明之前研究傳染病是什麼樣的。你可以觀察到症狀，但不能觀察到引起疾病的微生物。同樣，大多數精神障礙仍然僅由其症狀定義。我們需要揭示它們在大腦中的病因，而連線組學的新領域將對此非常重要。
庫克：你對個人身份的討論很有趣。你能解釋一下這與連線組的關係嗎？
承：我提到過，某些精神障礙是由於神經連線異常造成的假設。我們可以擴充套件這個想法來解釋正常的精神變異。也許大腦的不同是因為連線組的不同。你可能聽過人們說“約翰尼就是那樣。他的大腦連線方式不同。”我換一種說法：“你就是你的連線組。”我們是遺傳和一生經歷的產物。基因以多種方式影響了你的連線組——例如，在你的大腦發育過程中指導你的神經元如何連線在一起。經歷也改變了你的連線組，因為連線會因伴隨經歷的神經活動模式而改變。換句話說，你的連線組是天性與後天相結合的地方。
庫克：繪製連線組似乎是一個幾乎不可能完成的挑戰。批評者說你可能永遠不會成功，或者即使你成功了，也需要幾十年時間，而我們不能為此而擱置神經科學。
承：事實上，繪製整個人類連線組是有史以來最偉大的技術挑戰之一。僅用電子顯微鏡對整個人腦進行成像就足夠困難了。這將產生大約一個澤位元組的資料，這大致相當於世界當前的數字內容量。然後分析影像以提取連線組將更加困難。但我相信我們最終會獲勝。成功不會突然出現，而是隨著時間的推移而持續增長。我估計，繪製連線組的速度將每一年或兩年翻一番。如果是這樣，那麼在幾十年內繪製整個人類連線組將成為可能。其他技術也有類似的成功案例。在過去的半個世紀裡，計算機一直以這樣的速度進步。DNA測序在過去的四十年裡也取得了類似的進展，並在過去的十年裡甚至進一步加速。
也就是說，關於遙遠未來的這種推測只是為了好玩，實際上是題外話。即使我們永遠無法成功繪製整個人類連線組，我們也可以透過繪製人類或動物大腦的小塊連線圖來學到很多東西。這種趨勢已經開始。連線組學方面令人興奮的發展正在發生；我們不必坐等未來。
庫克：是否有任何方法可以加速研究？
承：我們邀請公眾訪問一個名為EyeWire的網站，在那裡你可以幫助繪製視網膜的連線組，視網膜是眼睛後部的神經組織層。（這些影像是在我們的德國合作者溫弗裡德·登克（Winfried Denk）的實驗室中使用電子顯微鏡拍攝的。）你不需要專門的培訓即可參與，因為EyeWire就像一本虛擬著色書，頁面是視網膜的影像。你的任務是為神經元著色，你已經知道如何做到這一點：只需留在邊界內即可。透過這種方式，你將追蹤視網膜的“導線”，即其神經元的分支。這是繪製連線組所需的最繁瑣的任務。（另一個重要任務是識別突觸，即神經元相互通訊的微小連線。）
EyeWire 的著色書非常龐大，沒有人可以活足夠長的時間來手動為神經元著色。我們透過兩種方式加快了這一過程。首先，人工智慧（AI）會自動完成大部分著色。你只需點選幾下滑鼠即可引導 AI。其次，著色遊戲對某些人來說很有趣甚至會上癮。也許是因為神經元的有機形態令人著迷。或者也許是因為遊戲具有挑戰性；在某些影像位置，很難決定兩個神經元之間是否存在邊界，即是否繼續著色或停止著色。EyeWire 使用者往往會在實踐中不斷提高此類決策能力，因為他們會逐漸從經驗中學習神經元的形狀。
我們正在努力使 EyeWire 更有趣，希望能招募一個龐大的“公民科學家”社群。如果社群的每個成員都玩一點著色遊戲，我們可以共同繪製視網膜連線組。社群對該網站的輸入也將使 AI 更智慧，因為計算機會學習模仿人類的判斷。這將進一步加快著色過程，直到我們準備好搜尋連線病為止。哲學家們喜歡思考大腦是否足夠複雜到可以理解自身的問題。也許不是，但也許我們數十億的大腦與 AI 的互動能夠勝任這項任務！
庫克：是什麼讓你想到轉向公民科學？這只是一種外展形式，還是你真的認為它最終會對神經科學產生重大影響？
承：天文學領域的 Galaxy Zoo 和分子生物學領域的 FoldIt 的成功給我們留下了深刻的印象。早在幾年前，我們就在考慮建立 EyeWire，但所需的技術尚未可用或普及。在向用戶提供 3D 影像時，EyeWire 在 10 Mbps 的網際網路連線下執行良好，這種速度僅在最近才在家庭中變得普遍。EyeWire 的互動式 3D 圖形（對於 Web 應用程式來說很少見）是使用 WebGL 實現的。此標準非常新，需要最新的圖形硬體，在某些較舊的 Web 瀏覽器中可能難以配置，並且不受 Internet Explorer 的支援。我們希望使用者理解，這種煩惱是作為早期採用者而來的，但隨著技術的成熟應該會消失。
EyeWire 真正讓我興奮的是它在真正協同的方式中結合研究、教育和外展的潛力。這些活動通常被視為獨立的，甚至可能被視為相互干擾。研究人員可能希望將更多時間花在教育和外展上，但最終因為他們必須專注於研究才能在其專業領域保持競爭力而沒有這樣做。同樣，教育工作者可能忙於教學而無法進行研究。但 EyeWire 創造了一種重要研究目標依賴於公民科學家參與的情況。透過實際進行科學來學習科學可能比傳統的教育方法更有效，或者至少可以很好地補充它們。
庫克：無論公眾是否提供幫助，繪製連線組只會提供神經網路的結構，而不會提供神經元實際傳送的訊號。你是不是在為另一個更艱鉅的專案做準備？
Seung：神經生理學家現在利用新的光學顯微鏡方法，能夠在活體動物的大腦中同時成像數百甚至數千個單個神經元的訊號。（與顯微鏡相比，核磁共振成像的優勢在於可以應用於活體人腦，但會將 10 萬個神經元模糊成一個畫素。） 對神經活動的研究之後可以進行電子顯微鏡觀察，以繪製相同神經元的連線圖。 想象一下，如果能夠知道大腦一小塊區域中所有神經元的活動和連線。這種能力終於觸手可及，必將徹底改變神經科學。
您是專門研究神經科學、認知科學或心理學的科學家嗎？您是否閱讀過最近發表的同行評審論文，並想就此撰寫文章？請將建議傳送給《心靈事記》的編輯加雷斯·庫克 (Gareth Cook)，他是《波士頓環球報》的普利策獎獲獎記者。可以透過 garethideas AT gmail.com 或 Twitter @garethideas 聯絡他。