大脑奥秘知多少：脑科学初探

大脑奥秘知多少:脑科学初探 大脑可以说是自然界里最复杂的系统，探索脑的奥秘是现代自然科学面临的重大挑战之一。 第一部分，大脑的结构。 科学家把哺乳动物的神经系统分为中枢神经系统（CNS）与外周神经系统（PNS）两个部分。 脑和脊髓组成了中枢神经系统，这两部分都被骨骼所包被，而大脑位于颅骨腔内。 脑和脊髓以外的神经系统则被统称为外周神经系统，可分为两部分：躯体外周神经系统以及内脏外周神经系统。 躯体外周神经系统主要控制肌肉收缩，因此支配皮肤、关节和骨骼肌的脊神经均属于这一部分，内脏外周神经系统则主要支配内脏器官、血管和身体中腺体的活动。 哺乳动物的脑具有许多共同特点：都有大脑皮层，只是大小有别；也都有丘脑和边缘系统，而中脑普遍较小——相对于爬行类动物以中脑为主的脑结构来说，大脑皮层和丘脑已经接管了中脑的很多功能，因而导致中脑萎缩。 大脑是神经系统的总司令部，也是脊椎动物身体中最为复杂的一个器官。传统解剖学定义哺乳动物的脑由三部分组成：大脑、小脑和脑干，这三者在行使功能时各司其职、相辅相成。 人的大脑是脑中最大的部分，占脑总重量的85%。大脑的结构严密而精巧，从外观上看，它由左、右两个大致对称的半球构成。两个半球的外层就是大脑皮层。 人类大脑皮层从胚胎时期就开始发育，并且不断扩展。大脑皮层的表面有众多隆起——称为回，还有一些凹槽——称为沟或裂。 这种独特结构是因为颅腔的空间有限，而大脑表层在发育过程中又不断扩大，皮层起皱缩起来，形成沟、回。 这种由沟、回划分的大脑皮层各部分用叶（lobe）来命名，可以将大脑分为额叶、顶叶、枕叶和颞叶等几个部分，分别实施不同的功能。 我们假定将脑沿着脑中线切开，此时脑被分成左右两半大致对称的组织，脑内部的一些脑区就能够清晰完整地显现出来了。 第二部分，电脑是怎么发育的。 在胎儿期，脑中神经元的数量增加，神经元之间的联系也不断增强，在出生时已形成脑的雏形，然而即使在这个时期，脑的结构也会受到外界因素的影响。 在出生后的一段时间内，脑发育存在一个所谓的关键期，在这个“关键期”，环境因素会导致脑的功能发生非常剧烈的变化。例如，学习语言的关键期通常为2-8岁。 随着人的年龄增长，脑在相当长一段时间内仍然维持着高度的可塑性。一直到成年期，脑的结构才处于稳定状态，但是脑结构和组织仍然是可以塑造的。 到了老年期，一般来说，脑的结构和功能出现衰退，表现为口齿不清、记忆力衰退、反应能力下降、行为的自控能力变差等等。 但大脑的衰退程度因人而异，有些老年人即使到了80多岁高龄的时候，依然思维敏锐、语言表达清晰明了。 爱因斯坦的大脑里面有一种细胞——我们把它叫作胶质细胞，比常人的比例要来得高。但是问题在于，是不是爱因斯坦比我们聪明就是因为脑的这种结构上的差异呢？科学家们回答不了这个问题，我也回答不了。 第三部分，如何探索脑科学奥秘。 成年人大脑的重量只有1300-1400克，其中却存在着上千亿个神经细胞（神经元），在神经元之间又有着千丝万缕的联系。 神经元之间的特殊连接点称为突触，突触总数多达1014-1015个。由于我们面对的是一个如此复杂的神经网络，因此直到今天为止，对于大脑内各种神经元突触连接形成后产生的生理活动及其机制，我们仍然知之有限。 当然，应该说，在过去的几十年间，脑科学的研究在宏观和微观尺度上均有了十分巨大的发展和进步。 在宏观尺度上，以fMRI（功能性磁共振成像）为核心，研究特定脑区怎样实施特定的脑功能，而在微观尺度上，则落实到单细胞、基因等分子水平上对大脑功能的研究。 1、研究神经细胞及突触的形态、结构和包含物质的技术。 2、检测神经细胞活动的电生理技术。 3、广泛应用的分析技术——脑电图（EEG）。 通过精密的电子仪器，用放置在脑部的电极可以获取脑细胞群自发的、或诱发的规律性的电活动（脑电波），相应的记录即称为脑电图。 4、脑成像技术——核磁共振成像技术（MRI）。 从物理学家发现核磁共振这一物理现象，到1984年前后核磁共振仪投入医学使用，经历了差不多100年的时间。迄今为止，已有5次诺贝尔奖授予十余位在核磁共振及成像研究上做出贡献的科学家，可见此项技术是多么不同凡响。 在计算机的帮助下，能绘出所检测的器官横断面、矢状面、冠状面的图像，对疾病的诊断起到了重要作用。 目前，脑梗塞、脑肿瘤、炎症、脑外伤等都可用核磁共振成像术来进行判断。 5、功能性磁共振成像（fMRI）技术。 这项技术可通过测量血液的氧含量，精确地监测大脑的活动。 6、正电子发射X射线断层扫描术（PET）。 利用放射性示踪剂，测量大脑神经细胞的能量消耗，通过断层扫描，可精确地了解大脑各区域不同截面上的结构和活动状况，以及其在病理情况下发生的变化。 7、脑磁图（MEG）通过测量大脑磁场分析大脑活动。 第四部分，聚焦热点绘制大脑图谱。 大脑是一个由海量神经细胞通过突触连接起来的极复杂的网络，这是大脑之所以能实现形形色色的功能的结构基础。为了了解一个网络的功能，我们必须要知道组成网络的单元，以及各单元之间的相互连接。因此，绘制大脑的众多神经元之间连接的图谱是一项意义重大的任务。另一方面，大脑的不同区域实施着不同的功能，例如枕叶是管视觉的，颞叶是管听觉的，这些区域如何划分也至关重要。 绘制大脑图谱的传统技术之一是，把大脑组织切成薄片，并用特殊的荧光染料使神经元发出荧光，之后应用电子显微镜对这些切片进行观测，并拍摄照片。电子显微镜配有极复杂的计算机系统，将通过扫描每张切片，得到各种神经细胞的形态、特性等数据，收集起来，并加以合成。同学们可以想象，用这样的方法绘制大脑图谱，既费时，又费力，且费用昂贵。 如果把一个特定的神经元中的所有条形码拼接成单条DNA，再用基因测序技术分析这个拼成的DNA，就能得到每一个神经元所形成的全部连接。这实在是一种极聪明的奇思妙想。 人类脑左右两个半球的脑皮层被划分为180个独立的脑区模型（Nature, July 26,2016） 目前，神经科学家们已经详细地绘制出脑中负责高级脑功能（例如认知、语言和记忆）相应脑区的脑图谱。 第五部分，脑和记忆的关系，说不清也道不尽。 有些鱼类的记忆只有短暂的几秒钟，而人类的记忆有时候可以保持几十年，是否是记忆存储能力的差异造就了智慧的人类？记忆是“刻骨铭心”还是在我们大脑中刻下深深的“烙印”？是什么决定了我们记忆的长短？有关大脑和记忆的奥秘说不清也道不尽。面对接踵而来的问题，脑科学家是怎样回答的呢？ 记忆究竟是什么？我们的记忆有哪些类型？记忆是如何形成的？大脑中如何将记忆编码、巩固、存储和提取？ 按储存时间的长短，科学家们通常把记忆分为瞬时记忆、短时记忆和长时记忆。 瞬时记忆我们的大脑接收到外界的刺激，在极短的时间内（不到1秒）做出反应，但如果不是特别注意，这类记忆转瞬即逝。我们把这类记忆称为瞬时记忆。 短时记忆有一类信息会引起大脑短暂的注意，大脑关注这类信息，可能是因为这类信息跟你随后的思维活动有关。 长时记忆短时记忆所处理的一部分信息，因反复复述、重复使用而存储的时间更为长久，有的甚至是终身。 我们的大脑就好比一座图书馆，记忆内容就好比图书。记忆进入大脑后，大脑会给记忆编码，就像图书馆工作人员给图书贴上分类标签一样。然后，大脑把记忆存放在一定区域里，就好像分类编码的图书分放到不同的书架上，方便需要时找回。在大脑工作的时候，存储起来的记忆进入工作区，参与意识活动，这就是大脑“取回”存储的记忆。 脑科学家们普遍认同：记忆这个过程涉及到很多复杂的机制，大脑各部分的通力合作，才最终实现记忆的所有环节。 第六部分，脑科学挑战。 最近有一种新的技术手段叫作经颅磁刺激治疗技术（TMS），警方开始尝试用这种技术对酗酒成瘾、吸毒人员进行干预治疗。 “成瘾”是非常顽固的。即使我们意识到烟瘾、酒瘾，以及药物成瘾严重危害生命健康，也很难摆脱“瘾”。 脑科学改变人类的未来脑机接口——让意念控制行为成为真实。 就像机体的其他器官一样，人的大脑也会生病。癫痫、自闭症（或称孤独症）、中风、帕金森病、老年痴呆症等都是大家耳熟能详的。 1873年高尔基报道了自己首创的专门用于神经细胞染色的铬酸盐-硝酸银染色法，这就是所谓的高尔基染色法，该方法一直被沿用至今。 另一派学说支持神经元理论，认为神经元包含胞体、树突及轴突，神经元之间通过突触彼此连接。 卡哈尔坚持神经系统中最小的功能单位应当是神经元，他是神经元学说的重要代表人物。由于当时的技术限制，两位科学家谁也说服不了谁。直到20世纪50年代，随着技术的进步，这个争论了许久的问题才尘埃落定。在电子显微镜下，我们清晰地观察到神经元的结构，看到神经细胞（神经元）之间并非连续的，而是相互分离的，神经元之间通过 “突触”相互连接。 AlphaGo借鉴了脑的工作原理，而脑由于是长期进化的结果，它有其特别出彩之处。1962年诺贝尔奖得主克里克（Francis Crick）曾提醒脑科学家：对于他们来说，须记住，“进化要比他自己高明得多”。这种借鉴脑的工作原理而研发的人工智能通常称为类脑智能，由此也可看到人的大脑有多么厉害！ 脑的高级功能（即精神活动，心智）无疑是由大脑神经系统的活动（表现为各类神经细胞活动的变化）所产生的，但是当大脑的活动升华为精神活动时，会产生许多与物质世界运动不同的现象、不同的特点、不同的规律，需要运用不同的技术、不同的观点、不同的理论去进行研究。 以阐明脑和神经系统工作原理和运行机制为目标的脑科学（神经科学）在近些年掀起新的高潮。美国、欧盟、日本等相继推出了各自的脑计划。

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