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进行研究的一种方法是在物理上识别出大脑中的每一个神经元和每一个突触。（神经元通常会在这个过程中被破坏。）这被称作解剖法。另外一条路径是当大脑发挥某些功能时，解码神经元之间电信号的流动方式。（这种方法强调识别活性大脑的神经通路，似乎得到奥巴马政府的青睐。）
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解剖法使用“切片与切块”（slice-and-dice）的方法，逐个神经元地拆解动物大脑的细胞。这样，环境、身体以及记忆的复杂性都已经包含于这个模型之中。这些科学家期望能够识别出大脑中的每一个神经元，而不是通过组装无数个晶体管来近似模拟人类大脑。之后，每个神经元也许可以用晶体管来模拟，这样我们就得到了人类大脑的精确复制品，其中包含记忆、人格以及与感官的连接。一旦这种大脑反向工程获得成功，你应该可以与这个拥有记忆和人格的人进行有意义的对话。
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完成这个项目并不需要新的物理学理论。霍华休斯医学研究中心的格里·鲁宾（Gerry Rubin）博士用一种类似于熟食店里切肉刀的工具切开了一只果蝇的大脑。这不是一项简单的工作，因为果蝇的大脑只有300微米宽，与人类大脑比起来就像一粒微尘。果蝇大脑包含大约15万个神经元。每一个切片仅有一亿分之五米（0.05微米）宽，都是用电子显微镜仔细摄录，然后输入电脑，通过电脑程序逐个神经元地重构果蝇大脑。按照目前的速度，鲁宾博士需要20年才能识别果蝇大脑的所有神经元。
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这种蜗牛般缓慢的速度可部分归咎于目前的摄像技术，因为一个标准的扫描显微镜的速度大约为每秒1000万个像素。（这约为普通电视机屏幕解析度的三分之一。）下一步的目标是制造出每秒处理100亿个像素的成像机器，这将会是世界纪录。
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怎样储存由显微镜得出的数据也是一个棘手的问题。一旦这项工程开足马力，鲁宾预计，就一只果蝇而言，每天将会扫描上百万GB的数据，所以应该会有一个装满硬盘的巨大仓库。此外，由于每只果蝇的大脑都有细微差别，他要扫描上百个果蝇大脑以得到最为准确的近似值。
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在果蝇大脑研究的基础上，我们最终拿人类大脑切片需要多长时间呢？“100年之后，我期望认识人类意识是怎样工作的。10年或20年的目标是认识果蝇的大脑，”他说。
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有几种技术的进步能够推进这种方法。一种可能性是使用自治设备，由机器来完成大脑的切片、扫描和分析每个切片的枯燥工作。这可以大大减少该项目所需要的时间。例如，自动化大大降低了人类基因组计划的成本（虽然预算为30亿美元，最后这个项目提前完成，而且低于预算，这在华盛顿是前所未有的）。另一种方法是使用各种染料标记不同神经元和通路，使它们易于观察。还有一种方法是建造自治化的超级显微镜，能够逐个地扫描神经元，保留下清晰的细节。
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由于对大脑和其所有感官的完整绘制图需要近百年的时间，这些科学家就像设计欧洲教堂的中世纪建筑师一样，他们知道自己的子孙终将完成这个工程。
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除了逐个神经元地绘制大脑的解剖图外，还有一个同时进行的项目，叫做“人脑连接组计划”，它利用大脑扫描数据重构连接人类大脑各个区域的通路。
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心灵的未来 人脑连接组计划
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2010年，美国国立卫生研究院宣布，分5年向一个大学联盟（包括华盛顿大学圣路易斯分校和明尼苏达大学）投资3000万美元，分3年向另一个由哈佛大学、马萨诸塞州综合医院和加州大学洛杉矶分校领衔的大学联盟提供850万美元的资助。当然，这种水平的短期资助不足以使科学家们为整个大脑排序，这些资金主要是启动这个项目。
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很可能这个项目最后会并入“大脑研究计划”（BRAIN），这会大大推进研究进度。项目的目标是绘制人类大脑的某些神经通路的构造图，以说明孤独症和精神分裂症等大脑症状。联接组计划的牵头人之一是塞巴斯蒂安·承（Sebastian Seung，承现峻）博士，他说：“研究人员猜测这种患者的神经元本身是完好的，只是它们之间的连接出现异常。不过，我们目前还没有检验这个假说的技术。”如果这些疾病真是由大脑错误的连接构成，那么人脑连接组计划就可能为我们提供治愈这些症状的宝贵线索。
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但当思考对整个人类大脑成像的最终目标时，承博士有时会对完成这个计划没有信心。他说：“在17世纪时，数学家和哲学家布莱士·帕斯卡（Blaise Pascal）曾写下自己对无限的畏惧，写下自己思考广袤的外部空间时的渺小感。而作为一个科学家，我不应该谈论我的感情……我感到好奇，我感到惊讶，但有时我也会感到绝望。”不过他以及像他一样的人还在坚持着，即使他们的工作需要几代人来完成。他们有理由充满希望，因为有一天自治显微镜会不知疲倦地摄像，人工智能机器会一天24小时不停地分析这些相片。但现在，普通电子显微镜对人类大脑的成像要消耗1 ZB（10万亿亿字节）数据，相当于今天全世界网络上所汇集的数据的总和。
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承博士甚至邀请公众通过访问名为“艾维尔”（EyeWire）的网站来参与这项伟大的计划。在那里，普通的“公民科学家”可以看到大量神经通路，然后给它们填色（在各自通道的范围内）。这就像一个虚拟的彩色图画本，画面是由电子显微镜拍下的眼睛视网膜上的神经元。
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心灵的未来 艾伦大脑图谱
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最后，绘制大脑图像还有第三种方法。除了利用计算机模拟分析或识别所有神经通路外，来自微软的亿万富翁保罗·艾伦提供了1亿美元的慷慨资助，采取另外一种方法进行研究。研究的目标是绘制小白鼠大脑的图像或图谱，重点是识别那些负责形成大脑的基因。
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人们希望，对这些基因在大脑中表现的认识有助于理解孤独症、帕金森氏症、老年痴呆症和其他精神症状。由于小白鼠基因中有很多也出现在人类中，对于小白鼠的研究可能会启发我们对人类大脑的认识。
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有了这些资金的突然注入，项目已在2006年完成，结果可以在网络上免费获取。之后不久，名为“艾伦人类大脑图谱”的后续项目发布，希望能够制造出完整的人类大脑3D解剖图和基因图。2011年，艾伦研究所宣布，已经绘制了两个人类大脑的生物化学图谱，找到1000个解剖部位，包含1亿个数据点，这些数据能够说明基因如何以基本的生物化学形式呈现。这项研究确认，有82％的人类基因在大脑中得到表现。
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艾伦研究所的艾伦·琼斯（Allen Jones）博士说：“在此之前，能够达到这种精细程度的人类大脑图谱还不存在。”他补充道，“艾伦人类大脑图谱提供了我们从未见过的有关我们最复杂、最重要的器官的景象。”
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