九年前，我妹妹在她的脖子和手臂上發(fā)現(xiàn)了腫塊，并被診斷出患有癌癥。從那天起，她開始受益于科學(xué)對(duì)癌癥的理解。每當(dāng)她去看醫(yī)生時(shí)，他們都會(huì)測(cè)量特定的分子，這些分子可以提供該如何做以及下一步該做什么的信息。每隔幾年就有新的醫(yī)療選擇。每個(gè)人都知道她因癌癥而英勇地抗?fàn)?。今年春天，她在一?xiàng)臨床試驗(yàn)中獲得了創(chuàng)新的新藥物治療。它戲劇性地?fù)敉肆怂陌┌Y。猜猜我將在這個(gè)感恩節(jié)上和誰(shuí)度過(guò)？我活潑的妹妹，她比我有更多的運(yùn)動(dòng)，和這個(gè)房間里的許多人一樣，過(guò)去時(shí)代越來(lái)越多地談?wù)撝旅募膊　Ｔ谖覀冇猩?，甚至在十年之?nèi)，科學(xué)將可以改變某些疾病的意義。

        但不適合所有疾病。我的朋友羅伯特和我是研究生院的同學(xué)。羅伯特很聰明，但每過(guò)一個(gè)月，他的想法似乎變得更加混亂。他輟學(xué)了，在一家商店找到了工作......但情況也變得復(fù)雜。羅伯特變得害怕并且膽小。一年半之后，他開始聽到聲音并認(rèn)為有人正在追他。醫(yī)生診斷他患有**分裂癥，他們給了他開了的藥物。那種藥物使聲音更安靜，但它并沒(méi)有恢復(fù)他聰明的頭腦或他的社交聯(lián)系。羅伯特努力與學(xué)校，工作和朋友的世界保持聯(lián)系。但他還是遠(yuǎn)離了，今天我不知道在哪里找到他。如果他看這個(gè)，我希望他能找到我。

        為什么醫(yī)學(xué)為我的妹妹提供了這么多，而為羅伯特這樣的數(shù)百萬(wàn)人提供的幫助卻少得多？需求就在那里。世界衛(wèi)生組織估計(jì)**分裂癥、雙相情感障礙和嚴(yán)重抑郁癥等腦部疾病是世界上生活和工作能力長(zhǎng)年喪失的原因。部分因?yàn)檫@些疾病經(jīng)常在生命的早期發(fā)生，在許多時(shí)候，在年富力強(qiáng)的時(shí)期，比如人們正在接受教育，開始職業(yè)生涯，建立關(guān)系和家庭一樣。這些疾病可能導(dǎo)致自殺；它們經(jīng)常會(huì)妨礙一個(gè)人充分發(fā)揮潛能的能力；它們是造成這么多悲劇的原因：失去了人際關(guān)系和聯(lián)系，錯(cuò)失了追求夢(mèng)想和想法的機(jī)會(huì)。這些疾病以我們根本無(wú)法衡量的方式限制了人類的可能性。

        我們生活在一個(gè)在許多其他方面都有深刻醫(yī)學(xué)進(jìn)步的時(shí)代。我妹妹的癌癥故事是一個(gè)很好的例子，同樣的還有心臟病。他汀類藥物可以預(yù)防數(shù)百萬(wàn)次心臟病發(fā)作和中風(fēng)。這些深刻的醫(yī)學(xué)進(jìn)步的領(lǐng)域有一個(gè)共同點(diǎn)：科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了對(duì)疾病很重要的分子，他們開發(fā)了檢測(cè)和測(cè)量體內(nèi)分子的方法，并且開發(fā)了對(duì)這些分子進(jìn)行干擾的方法——其他分子（藥物）。這種策略一次又一次的奏效。但是當(dāng)談到大腦時(shí)，這種策略是有限的，因?yàn)榻裉?，我們還不知道大腦是如何運(yùn)作的。我們需要了解對(duì)每種疾病重要的那些細(xì)胞，以及對(duì)于每種疾病，這些細(xì)胞中的哪些分子很重要。這就是我今天要談?wù)摰氖虑椤?/p>

        我的實(shí)驗(yàn)室開發(fā)了一些技術(shù)，我們?cè)噲D將大腦變成一個(gè)大數(shù)據(jù)問(wèn)題。你看，在我成為一名生物學(xué)家之前，我從事計(jì)算機(jī)和數(shù)學(xué)工作，并且學(xué)到了這一課：無(wú)論你從哪里收集到大量的、關(guān)于系統(tǒng)功能的正確數(shù)據(jù)，你都可以通過(guò)強(qiáng)有力的新方法來(lái)使用計(jì)算機(jī)了解該系統(tǒng)及其工作原理。今天，大數(shù)據(jù)方法正在改變我們經(jīng)濟(jì)中越來(lái)越大的領(lǐng)域，它可以在生物學(xué)和醫(yī)學(xué)方面做同樣的事情。但是你必須擁有正確的數(shù)據(jù)類型。你必須有關(guān)于正確事物的數(shù)據(jù)。而這通常需要新的技術(shù)和想法。這就是我實(shí)驗(yàn)室中科學(xué)家的任務(wù)。

        今天，我想告訴你我們工作中的兩個(gè)故事。我們?cè)谠噲D將大腦變成大數(shù)據(jù)問(wèn)題時(shí)面臨的一個(gè)基本障礙是，我們的大腦由數(shù)十億個(gè)細(xì)胞組成。我們的細(xì)胞不是通才；它們是專家。與人類一樣，它們專注于成千上萬(wàn)種不同的細(xì)胞職業(yè)或細(xì)胞類型。

        事實(shí)上，我們身體中的每種細(xì)胞類型都可能發(fā)表一個(gè)生動(dòng)的TED演講，談?wù)撍诠ぷ髦械淖饔?。但作為科學(xué)家，我們今天甚至不知道有多少細(xì)胞類型，我們不知道這些演講的標(biāo)題是什么?，F(xiàn)在，我們知道關(guān)于細(xì)胞類型的許多重要事實(shí)。它們的大小和形狀可能有很大差異。一個(gè)細(xì)胞會(huì)對(duì)另一個(gè)細(xì)胞沒(méi)有反應(yīng)的分子做出反應(yīng)，它們會(huì)制造不同的分子。但科學(xué)在很大程度上是以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的方式獲得這些見(jiàn)解，一次一種細(xì)胞類型，一次一種分子。我們希望能夠快速，系統(tǒng)地學(xué)習(xí)所有這些細(xì)胞。

        現(xiàn)在，直到最近，如果你想要清除大腦或任何器官中的所有分子，你必須先將它打碎成一種細(xì)胞狀冰沙。但這是一個(gè)問(wèn)題。一旦你對(duì)細(xì)胞進(jìn)行了研究，你就只能研究細(xì)胞的平均狀況，而不是單個(gè)細(xì)胞。想象一下，如果你試圖了解像紐約這樣的大城市是如何運(yùn)作的，但你只能通過(guò)回顧一些關(guān)于紐約普通居民的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來(lái)做到這一點(diǎn)。當(dāng)然，你不會(huì)學(xué)到很多東西，因?yàn)樗杏腥?、重要和令人興奮的東西都在于多樣性和專業(yè)化。我們的細(xì)胞也是如此。我們希望能夠研究大腦，不是像細(xì)胞冰沙，而是像細(xì)胞水果沙拉，在其中可以生成關(guān)于每個(gè)單獨(dú)水果的數(shù)據(jù)并從中學(xué)習(xí)。

        所以我們開發(fā)了一種技術(shù)來(lái)做到這一點(diǎn)。你將要看的一個(gè)視頻。在這里，我們將數(shù)以萬(wàn)計(jì)的單個(gè)細(xì)胞包裝成自己的微小水滴，用于自己的分子分析。當(dāng)一個(gè)細(xì)胞落在一個(gè)小滴中時(shí)，它會(huì)遇到一個(gè)微小的珠子，這個(gè)珠子可以提供數(shù)百萬(wàn)個(gè)DNA條形碼分子。并且每個(gè)珠子向不同的細(xì)胞提供不同的條形碼序列。我們將DNA條形碼整合到每個(gè)細(xì)胞的RNA分子中。這些是特定基因的分子轉(zhuǎn)錄版本。然后我們對(duì)數(shù)十億個(gè)這些組合分子進(jìn)行測(cè)序，并使用這些序列告訴我們每個(gè)分子來(lái)自哪個(gè)細(xì)胞和哪個(gè)基因。

        我們將這種方法稱為“Drop-seq”，因?yàn)槲覀兪褂靡旱畏蛛x細(xì)胞進(jìn)行分析，我們使用DNA序列進(jìn)行標(biāo)記和清點(diǎn)并跟蹤所有內(nèi)容。而現(xiàn)在，每當(dāng)我們進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，我們都會(huì)分析數(shù)以萬(wàn)計(jì)的單個(gè)細(xì)胞。今天，在這個(gè)科學(xué)領(lǐng)域，挑戰(zhàn)越來(lái)越多，如何盡可能快地從這些龐大的數(shù)據(jù)集中學(xué)習(xí)？

        當(dāng)我們開發(fā)Drop-seq時(shí)，人們常常告訴我們，“哦，這將使你們成為每個(gè)主要大腦項(xiàng)目的首選參考。”那不是我們看到它的方式。當(dāng)每個(gè)人都貢獻(xiàn)大量令人興奮的數(shù)據(jù)時(shí)，科學(xué)才是的。所以我們寫了一本25頁(yè)的教學(xué)書，任何科學(xué)家都可以從頭開始構(gòu)建自己的Drop-seq系統(tǒng)。在過(guò)去兩年中，該指導(dǎo)手冊(cè)已從我們的實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)站被下載了50,000次。我們編寫的軟件可供任何科學(xué)家用來(lái)分析Drop-seq實(shí)驗(yàn)中的數(shù)據(jù)，該軟件也是免費(fèi)的，并且在過(guò)去兩年中已經(jīng)從我們的網(wǎng)站被下載了30,000次。數(shù)以百計(jì)的實(shí)驗(yàn)室向我們描述了他們使用這種方法所做的發(fā)現(xiàn)。今天，這項(xiàng)技術(shù)被用于制作人體細(xì)胞圖譜。它將是人體中所有細(xì)胞類型的圖譜，以及每種細(xì)胞類型的特定基因圖譜。

        現(xiàn)在我想告訴你，我們?cè)噲D將大腦變成大數(shù)據(jù)問(wèn)題時(shí)面臨的第二個(gè)挑戰(zhàn)。而這個(gè)挑戰(zhàn)是我們想要從成千上萬(wàn)的活人的大腦中學(xué)習(xí)。但是，在人們活著的時(shí)候，無(wú)法進(jìn)入他們的大腦。但是，如果我們不能接觸這些分子，我們?cè)趺茨馨l(fā)現(xiàn)分子特征呢？答案來(lái)自這樣一個(gè)事實(shí)，即信息最豐富的分子是被我們的DNA編碼的蛋白質(zhì)，DNA包含我們的細(xì)胞用來(lái)制造所有蛋白質(zhì)的配方。并且這些配方因人而異，導(dǎo)致蛋白質(zhì)的精確序列，以及每種細(xì)胞中每種蛋白類型的含量都在人與人之間產(chǎn)生差異。它全部編碼在我們的DNA中，它都是遺傳學(xué)，但它不是我們?cè)趯W(xué)校學(xué)到的遺傳學(xué)。

你還記得大B，小b嗎？如果你繼承了大B，你會(huì)變成棕色眼睛嗎？這很簡(jiǎn)單。很少有這么簡(jiǎn)單的特質(zhì)。甚至眼睛的顏色也不僅僅是單一的顏色分子。像我們大腦的功能那樣復(fù)雜的東西是由數(shù)千個(gè)基因的相互作用所造成的。并且每一個(gè)基因在人與人之間都發(fā)生有意義地變化，我們每個(gè)人都是變異的獨(dú)特組合。這是一個(gè)巨大的數(shù)據(jù)機(jī)會(huì)。而今天，越來(lái)越有可能以前所未有的規(guī)模取得進(jìn)展。人們以創(chuàng)紀(jì)錄的數(shù)量為基因研究做出貢獻(xiàn)，世界各地的科學(xué)家正在彼此分享數(shù)據(jù)，以加快進(jìn)展。

我想告訴你一個(gè)我們最近在**分裂癥遺傳學(xué)方面的一個(gè)發(fā)現(xiàn)。因?yàn)閬?lái)自30個(gè)國(guó)家的50,000人將DNA用于**分裂癥的基因研究，這件事才成為可能。多年來(lái)人們已經(jīng)知道，人類基因組對(duì)**分裂癥風(fēng)險(xiǎn)的影響來(lái)自編碼我們免疫系統(tǒng)中許多分子的基因組的一部分。但尚不清楚具體是哪個(gè)基因負(fù)責(zé)。我們實(shí)驗(yàn)室的一位科學(xué)家開發(fā)了一種用計(jì)算機(jī)分析DNA的新方法，他發(fā)現(xiàn)了一些非常令人驚奇的東西。他發(fā)現(xiàn)了一種叫做“補(bǔ)體成分4”的基因-簡(jiǎn)稱為“C4”——在不同人的基因組中有幾十種不同的形式，這些不同的形式在我們的大腦中產(chǎn)生不同量的C4蛋白。他發(fā)現(xiàn)我們的基因產(chǎn)生的C4蛋白越多，我們患**分裂癥的風(fēng)險(xiǎn)就越大。

現(xiàn)在，C4仍然只是復(fù)雜系統(tǒng)中的一個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素。這不是大B，但它是關(guān)于重要分子的見(jiàn)解。長(zhǎng)期以來(lái)，像C4一樣的補(bǔ)體蛋白在免疫系統(tǒng)中的作用是眾所周知的，它們作為一種分子標(biāo)簽寫著“吃我”。標(biāo)簽貼在我們體內(nèi)的大量碎片和死細(xì)胞上，并邀請(qǐng)免疫細(xì)胞消除它們。但是我的兩位同事發(fā)現(xiàn)，C4標(biāo)簽還可以放在大腦的突觸上，使它們消失?，F(xiàn)在，突觸的產(chǎn)生和消除是人類發(fā)展和學(xué)習(xí)的正常部分。我們的大腦一直在創(chuàng)造和消除突觸。但是我們的遺傳結(jié)果表明，在**分裂癥中，消除過(guò)程可能會(huì)進(jìn)入超速狀態(tài)。

許多醫(yī)藥公司的科學(xué)家告訴我，他們對(duì)這一發(fā)現(xiàn)感到興奮，因?yàn)樗麄兌嗄陙?lái)一直在免疫系統(tǒng)中研究補(bǔ)體蛋白，已經(jīng)學(xué)到了很多關(guān)于它們?nèi)绾伟l(fā)揮作用的知識(shí)。他們甚至開發(fā)了干擾補(bǔ)體蛋白的分子，已經(jīng)開始在大腦和免疫系統(tǒng)中測(cè)試它們。它是一種可能解決根本原因而不是個(gè)體癥狀的藥物通路，我們非常希望許多科學(xué)家的這項(xiàng)長(zhǎng)期工作能夠取得成功。

但C4只是數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的科學(xué)方法在數(shù)百年悠久的醫(yī)學(xué)問(wèn)題上開辟新潛力的一個(gè)例子。我們的基因組中有數(shù)百個(gè)基因可以導(dǎo)致腦部疾病的風(fēng)險(xiǎn)，其中任何一個(gè)基因都可能指引我們發(fā)現(xiàn)下一個(gè)重要的藥物分子。并且有數(shù)百種細(xì)胞類型含有不同的基因組合。當(dāng)我們和其他科學(xué)家努力生成數(shù)據(jù)，并從這些數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)我們所能做的一切時(shí)，我們希望開辟更多的新戰(zhàn)線。遺傳學(xué)和單細(xì)胞分析只是試圖將大腦變成大數(shù)據(jù)問(wèn)題的兩種方法。

我們還有很多工作要做。我們實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家正在創(chuàng)建一種技術(shù)，用于快速繪制大腦中的突觸連接，以確定哪些神經(jīng)元之間正在進(jìn)行對(duì)話，以及這種對(duì)話在整個(gè)生命過(guò)程中和疾病期間的變化。我們正在開發(fā)一種方法，在一個(gè)單獨(dú)的試管中測(cè)試具有數(shù)百個(gè)不同人類基因組的細(xì)胞對(duì)同一刺激的反應(yīng)。這些項(xiàng)目匯集了具有不同教育背景和興趣的人才——生物學(xué)，計(jì)算機(jī)，化學(xué)，數(shù)學(xué)，統(tǒng)計(jì)學(xué)，工程學(xué)。但是，科學(xué)的可能性將不同興趣的人們團(tuán)結(jié)在一起。

我們希望創(chuàng)造的未來(lái)是什么？想想癌癥。我們已經(jīng)從一開始對(duì)癌癥起因的無(wú)知（癌癥通常歸因于個(gè)人心理特征），發(fā)展到對(duì)癌癥真正生物學(xué)原因的現(xiàn)代分子學(xué)理解。這種理解在今天導(dǎo)致了一個(gè)個(gè)創(chuàng)新醫(yī)學(xué)發(fā)現(xiàn)，盡管還有很多工作要做，但我們周圍已經(jīng)有很多被治愈的、在幾十年前被認(rèn)為是無(wú)法治愈的癌癥患者。像我妹妹這樣的數(shù)百萬(wàn)癌癥幸存者發(fā)現(xiàn)自己還可能活很多年，擁有新的工作，快樂(lè)和人際關(guān)系的機(jī)會(huì)。這就是我們希望在**疾病領(lǐng)域創(chuàng)造的未來(lái)——一種真正的理解，同情和無(wú)限的可能性。