大腦奧祕知多少：腦科學初探

大腦奧祕知多少:腦科學初探 大腦可以說是自然界裏最複雜的系統，探索腦的奧祕是現代自然科學麪臨的重大挑戰之一。 第一部分，大腦的結構。 科學家把哺乳動物的神經系統分爲中樞神經系統（CNS）與外周神經系統（PNS）兩個部分。 腦和脊髓組成了中樞神經系統，這兩部分都被骨骼所包被，而大腦位於顱骨腔內。 腦和脊髓以外的神經系統則被統稱爲外周神經系統，可分爲兩部分：軀體外周神經系統以及內臟外周神經系統。 軀體外周神經系統主要控制肌肉收縮，因此支配皮膚、關節和骨骼肌的脊神經均屬於這一部分，內臟外周神經系統則主要支配內臟器官、血管和身體中腺體的活動。 哺乳動物的腦具有許多共同特點：都有大腦皮層，只是大小有別；也都有丘腦和邊緣系統，而中腦普遍較小——相對於爬行類動物以中腦爲主的腦結構來說，大腦皮層和丘腦已經接管了中腦的很多功能，因而導致中腦萎縮。 大腦是神經系統的總司令部，也是脊椎動物身體中最爲複雜的一個器官。傳統解剖學定義哺乳動物的腦由三部分組成：大腦、小腦和腦幹，這三者在行使功能時各司其職、相輔相成。 人的大腦是腦中最大的部分，佔腦總重量的85%。大腦的結構嚴密而精巧，從外觀上看，它由左、右兩個大致對稱的半球構成。兩個半球的外層就是大腦皮層。 人類大腦皮層從胚胎時期就開始發育，並且不斷擴展。大腦皮層的表面有衆多隆起——稱爲回，還有一些凹槽——稱爲溝或裂。 這種獨特結構是因爲顱腔的空間有限，而大腦表層在發育過程中又不斷擴大，皮層起皺縮起來，形成溝、回。 這種由溝、回劃分的大腦皮層各部分用葉（lobe）來命名，可以將大腦分爲額葉、頂葉、枕葉和顳葉等幾個部分，分別實施不同的功能。 我們假定將腦沿着腦中線切開，此時腦被分成左右兩半大致對稱的組織，腦內部的一些腦區就能夠清晰完整地顯現出來了。 第二部分，電腦是怎麼發育的。 在胎兒期，腦中神經元的數量增加，神經元之間的聯繫也不斷增強，在出生時已形成腦的雛形，然而即使在這個時期，腦的結構也會受到外界因素的影響。 在出生後的一段時間內，腦發育存在一個所謂的關鍵期，在這個“關鍵期”，環境因素會導致腦的功能發生非常劇烈的變化。例如，學習語言的關鍵期通常爲2-8歲。 隨着人的年齡增長，腦在相當長一段時間內仍然維持着高度的可塑性。一直到成年期，腦的結構才處於穩定狀態，但是腦結構和組織仍然是可以塑造的。 到了老年期，一般來說，腦的結構和功能出現衰退，表現爲口齒不清、記憶力衰退、反應能力下降、行爲的自控能力變差等等。 但大腦的衰退程度因人而異，有些老年人即使到了80多歲高齡的時候，依然思維敏銳、語言表達清晰明瞭。 愛因斯坦的大腦裏面有一種細胞——我們把它叫作膠質細胞，比常人的比例要來得高。但是問題在於，是不是愛因斯坦比我們聰明就是因爲腦的這種結構上的差異呢？科學家們回答不了這個問題，我也回答不了。 第三部分，如何探索腦科學奧祕。 成年人大腦的重量只有1300-1400克，其中卻存在着上千億個神經細胞（神經元），在神經元之間又有着千絲萬縷的聯繫。 神經元之間的特殊連接點稱爲突觸，突觸總數多達1014-1015個。由於我們面對的是一個如此複雜的神經網絡，因此直到今天爲止，對於大腦內各種神經元突觸連接形成後產生的生理活動及其機制，我們仍然知之有限。 當然，應該說，在過去的幾十年間，腦科學的研究在宏觀和微觀尺度上均有了十分巨大的發展和進步。 在宏觀尺度上，以fMRI（功能性磁共振成像）爲核心，研究特定腦區怎樣實施特定的腦功能，而在微觀尺度上，則落實到單細胞、基因等分子水平上對大腦功能的研究。 1、研究神經細胞及突觸的形態、結構和包含物質的技術。 2、檢測神經細胞活動的電生理技術。 3、廣泛應用的分析技術——腦電圖（EEG）。 通過精密的電子儀器，用放置在腦部的電極可以獲取腦細胞羣自發的、或誘發的規律性的電活動（腦電波），相應的記錄即稱爲腦電圖。 4、腦成像技術——核磁共振成像技術（MRI）。 從物理學家發現核磁共振這一物理現象，到1984年前後核磁共振儀投入醫學使用，經歷了差不多100年的時間。迄今爲止，已有5次諾貝爾獎授予十餘位在覈磁共振及成像研究上做出貢獻的科學家，可見此項技術是多麼不同凡響。 在計算機的幫助下，能繪出所檢測的器官橫斷面、矢狀面、冠狀面的圖像，對疾病的診斷起到了重要作用。 目前，腦梗塞、腦腫瘤、炎症、腦外傷等都可用核磁共振成像術來進行判斷。 5、功能性磁共振成像（fMRI）技術。 這項技術可通過測量血液的氧含量，精確地監測大腦的活動。 6、正電子發射X射線斷層掃描術（PET）。 利用放射性示蹤劑，測量大腦神經細胞的能量消耗，通過斷層掃描，可精確地瞭解大腦各區域不同截面上的結構和活動狀況，以及其在病理情況下發生的變化。 7、腦磁圖（MEG）通過測量大腦磁場分析大腦活動。 第四部分，聚焦熱點繪製大腦圖譜。 大腦是一個由海量神經細胞通過突觸連接起來的極複雜的網絡，這是大腦之所以能實現形形色色的功能的結構基礎。爲了瞭解一個網絡的功能，我們必須要知道組成網絡的單元，以及各單元之間的相互連接。因此，繪製大腦的衆多神經元之間連接的圖譜是一項意義重大的任務。另一方面，大腦的不同區域實施着不同的功能，例如枕葉是管視覺的，顳葉是管聽覺的，這些區域如何劃分也至關重要。 繪製大腦圖譜的傳統技術之一是，把大腦組織切成薄片，並用特殊的熒光染料使神經元發出熒光，之後應用電子顯微鏡對這些切片進行觀測，並拍攝照片。電子顯微鏡配有極複雜的計算機系統，將通過掃描每張切片，得到各種神經細胞的形態、特性等數據，收集起來，並加以合成。同學們可以想象，用這樣的方法繪製大腦圖譜，既費時，又費力，且費用昂貴。 如果把一個特定的神經元中的所有條形碼拼接成單條DNA，再用基因測序技術分析這個拼成的DNA，就能得到每一個神經元所形成的全部連接。這實在是一種極聰明的奇思妙想。 人類腦左右兩個半球的腦皮層被劃分爲180個獨立的腦區模型（Nature, July 26,2016） 目前，神經科學家們已經詳細地繪製出腦中負責高級腦功能（例如認知、語言和記憶）相應腦區的腦圖譜。 第五部分，腦和記憶的關係，說不清也道不盡。 有些魚類的記憶只有短暫的幾秒鐘，而人類的記憶有時候可以保持幾十年，是否是記憶存儲能力的差異造就了智慧的人類？記憶是“刻骨銘心”還是在我們大腦中刻下深深的“烙印”？是什麼決定了我們記憶的長短？有關大腦和記憶的奧祕說不清也道不盡。面對接踵而來的問題，腦科學家是怎樣回答的呢？ 記憶究竟是什麼？我們的記憶有哪些類型？記憶是如何形成的？大腦中如何將記憶編碼、鞏固、存儲和提取？ 按儲存時間的長短，科學家們通常把記憶分爲瞬時記憶、短時記憶和長時記憶。 瞬時記憶我們的大腦接收到外界的刺激，在極短的時間內（不到1秒）做出反應，但如果不是特別注意，這類記憶轉瞬即逝。我們把這類記憶稱爲瞬時記憶。 短時記憶有一類信息會引起大腦短暫的注意，大腦關注這類信息，可能是因爲這類信息跟你隨後的思維活動有關。 長時記憶短時記憶所處理的一部分信息，因反覆複述、重複使用而存儲的時間更爲長久，有的甚至是終身。 我們的大腦就好比一座圖書館，記憶內容就好比圖書。記憶進入大腦後，大腦會給記憶編碼，就像圖書館工作人員給圖書貼上分類標籤一樣。然後，大腦把記憶存放在一定區域裏，就好像分類編碼的圖書分放到不同的書架上，方便需要時找回。在大腦工作的時候，存儲起來的記憶進入工作區，參與意識活動，這就是大腦“取回”存儲的記憶。 腦科學家們普遍認同：記憶這個過程涉及到很多複雜的機制，大腦各部分的通力合作，才最終實現記憶的所有環節。 第六部分，腦科學挑戰。 最近有一種新的技術手段叫作經顱磁刺激治療技術（TMS），警方開始嘗試用這種技術對酗酒成癮、吸毒人員進行干預治療。 “成癮”是非常頑固的。即使我們意識到煙癮、酒癮，以及藥物成癮嚴重危害生命健康，也很難擺脫“癮”。 腦科學改變人類的未來腦機接口——讓意念控制行爲成爲真實。 就像機體的其他器官一樣，人的大腦也會生病。癲癇、自閉症（或稱孤獨症）、中風、帕金森病、老年癡呆症等都是大家耳熟能詳的。 1873年高爾基報道了自己首創的專門用於神經細胞染色的鉻酸鹽-硝酸銀染色法，這就是所謂的高爾基染色法，該方法一直被沿用至今。 另一派學說支持神經元理論，認爲神經元包含胞體、樹突及軸突，神經元之間通過突觸彼此連接。 卡哈爾堅持神經系統中最小的功能單位應當是神經元，他是神經元學說的重要代表人物。由於當時的技術限制，兩位科學家誰也說服不了誰。直到20世紀50年代，隨着技術的進步，這個爭論了許久的問題才塵埃落定。在電子顯微鏡下，我們清晰地觀察到神經元的結構，看到神經細胞（神經元）之間並非連續的，而是相互分離的，神經元之間通過 “突觸”相互連接。 AlphaGo借鑑了腦的工作原理，而腦由於是長期進化的結果，它有其特別出彩之處。1962年諾貝爾獎得主克里克（Francis Crick）曾提醒腦科學家：對於他們來說，須記住，“進化要比他自己高明得多”。這種借鑑腦的工作原理而研發的人工智能通常稱爲類腦智能，由此也可看到人的大腦有多麼厲害！ 腦的高級功能（即精神活動，心智）無疑是由大腦神經系統的活動（表現爲各類神經細胞活動的變化）所產生的，但是當大腦的活動昇華爲精神活動時，會產生許多與物質世界運動不同的現象、不同的特點、不同的規律，需要運用不同的技術、不同的觀點、不同的理論去進行研究。 以闡明腦和神經系統工作原理和運行機制爲目標的腦科學（神經科學）在近些年掀起新的高潮。美國、歐盟、日本等相繼推出了各自的腦計劃。

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