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大腦是人體最重要的器官，也可能是宇宙間最復(fù)雜的物體——結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能復(fù)雜，比目前規(guī)模最大的超級計(jì)算機(jī)還要復(fù)雜無數(shù)倍。這個(gè)復(fù)雜的物體是怎么出現(xiàn)的呢？只能說，它是生物演化過程中的一個(gè)奇跡。
大腦外面的皺褶層叫作大腦皮層，是所有重要的腦功能的關(guān)鍵區(qū)域。理解大腦，不僅要知道大腦皮層的結(jié)構(gòu)和功能，還要知道大腦皮層里那些復(fù)雜的神經(jīng)核團(tuán)的功能。為理解這些問題，科學(xué)家至少花了200年。
在過去的一個(gè)世紀(jì)里，諾貝爾獎(jiǎng)涉及的神經(jīng)科學(xué)中的重要發(fā)現(xiàn)都跟大腦的信息編碼、儲(chǔ)存相關(guān)。現(xiàn)在，我們對大腦傳導(dǎo)機(jī)制（如大腦如何處理信息、神經(jīng)細(xì)胞怎樣編碼和傳導(dǎo)信息、信息如何從一個(gè)神經(jīng)元交互到另一個(gè)神經(jīng)元等）理解得比較清楚；對不同的神經(jīng)元的作用，及其在各種功能中會(huì)產(chǎn)生什么反應(yīng)，也很清楚。
但是，我們只對神經(jīng)細(xì)胞如何處理信息了解得很清楚，而對整個(gè)大腦復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)還知之甚少。例如：到底是什么原理使得神經(jīng)細(xì)胞在某種情況下發(fā)生某些反應(yīng)，我們并不是很清楚；對大腦中的信息處理不太了解，對各種感知覺、情緒，以及一些高等認(rèn)知功能——思維、抉擇甚至意識(shí)等，理解得比較粗淺。
2005年7月，《科學(xué)》雜志為慶祝創(chuàng)刊125周年，邀請全球幾百位科學(xué)家討論當(dāng)今世界最重要的前沿科學(xué)問題，最終歸納出“125個(gè)科學(xué)問題”，其中18個(gè)問題屬于腦科學(xué)。排在最前面的腦科學(xué)問題包括意識(shí)的生物學(xué)基礎(chǔ)、記憶的儲(chǔ)存與恢復(fù)、人類的合作行為、成癮的生物學(xué)基礎(chǔ)、精神分裂癥的原因、引發(fā)孤獨(dú)癥（自閉癥）的原因，這些都是人們關(guān)心且未被解決的重大問題。盡管這“125個(gè)科學(xué)問題”是十多年前總結(jié)的，但現(xiàn)在公認(rèn)的重大腦科學(xué)問題依舊未變。
誠如上述，雖說腦科學(xué)研究已有相當(dāng)?shù)倪M(jìn)展，但是未知的比已知的內(nèi)容還是多得多。腦科學(xué)現(xiàn)在的處境，相當(dāng)于物理學(xué)和化學(xué)在20世紀(jì)初期的處境，有很多事情已經(jīng)搞清楚，但是重大的理解和突破尚未出現(xiàn)。所以，現(xiàn)在的腦科學(xué)是生物科學(xué)里比較神秘的領(lǐng)域。從這點(diǎn)來說，腦科學(xué)將成為未來生命科學(xué)發(fā)展中很重要的一個(gè)領(lǐng)域。因而，腦科學(xué)不僅是21世紀(jì)的前沿科學(xué)，甚至到22世紀(jì)依舊是前沿科學(xué)。
目前，腦科學(xué)研究的最關(guān)鍵問題：理解大腦圖譜結(jié)構(gòu)。大腦不同皮層的部位有不同的功能。例如，大腦后方是視覺功能區(qū)，最前方的上側(cè)有運(yùn)動(dòng)功能區(qū)、感覺功能區(qū)、嗅覺功能區(qū)，前方還有語言功能區(qū)。假如大腦出現(xiàn)損傷，比如腦卒中（俗稱“中風(fēng)”）以后，受損區(qū)域?qū)?yīng)的功能就會(huì)喪失。目前，我們只是大致理解上述腦區(qū)和功能的關(guān)系，而對更多的細(xì)節(jié)就不清楚了。
大腦皮層的各個(gè)區(qū)域負(fù)責(zé)不同的腦功能
現(xiàn)在應(yīng)用非常廣泛的腦成像技術(shù)為正電子發(fā)射計(jì)算機(jī)斷層顯像（PET），各大醫(yī)院中都有PET設(shè)備。PET可以觀測到大腦里哪些區(qū)域有電活動(dòng)，而如果有電活動(dòng)就表明該區(qū)域有功能正在進(jìn)行。如果電活動(dòng)異常，表明該功能出現(xiàn)異常。例如：對大腦功能正常的人進(jìn)行測試，給他看幾個(gè)字，就會(huì)發(fā)現(xiàn)其大腦后方有電活動(dòng)；給被試者聽幾個(gè)字，其聽覺區(qū)就有電活動(dòng)；讓被試者說幾個(gè)字，其大腦左側(cè)的語言區(qū)就有反應(yīng)；但是如果讓被試者閉上眼睛不說、不講、不聽，回想剛才看到的幾個(gè)字是什么意思，其大腦里便會(huì)幾乎到處都有電活動(dòng)。這個(gè)奇怪的現(xiàn)象說明思考是一件非常復(fù)雜的活動(dòng)，它牽涉到大腦里的很多區(qū)域。
為什么只是“想幾個(gè)字的意義”，大腦網(wǎng)絡(luò)就會(huì)幾乎全部開始活動(dòng)？要理解這點(diǎn)，目前還相當(dāng)困難，想要知道大腦全部的未知奧秘，首先要理解的就是大腦的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。
PET掃描顯示出不同情況下的腦活動(dòng)，a：看幾個(gè)字，b：聽幾個(gè)字，c：說幾個(gè)字，d：想幾個(gè)字。 來源：Principles of Neural Science（5th Edition），美國麥格勞教育出版社2014年出版。
在人腦中，上千億的細(xì)胞連在一起，送出很多“導(dǎo)線”——神經(jīng)科學(xué)中稱為軸突，以跟其他細(xì)胞連接，最終形成了大腦的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。大腦共有1000億個(gè)神經(jīng)元，而且每個(gè)神經(jīng)元的放電模式不同，編碼模式不同，信息處理方式也不同。
大腦如此復(fù)雜！所以，要理解這個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)如何工作，是很大的挑戰(zhàn)。但我們?nèi)钥梢詮?個(gè)層面更好地理解這個(gè)網(wǎng)絡(luò)。
宏觀：PET、磁共振成像（MRI）等功能成像手段，提供的是分辨度在厘米或毫米層面的宏觀視野。在這個(gè)范圍內(nèi)，大致可以看到神經(jīng)束在腦區(qū)之間的走向。每個(gè)神經(jīng)束都由成千上萬的神經(jīng)細(xì)胞纖維構(gòu)成。
介觀：要進(jìn)一步知道細(xì)節(jié)，必須在介觀（介于微觀和宏觀之間的狀態(tài)）層面對神經(jīng)環(huán)路進(jìn)行研究，了解每一個(gè)神經(jīng)細(xì)胞如何跟其他不同種類的神經(jīng)細(xì)胞進(jìn)行連接，如何輸送信息，以及在實(shí)現(xiàn)各種功能時(shí)有什么活動(dòng)。
微觀：在電子顯微鏡下對細(xì)胞進(jìn)行觀察，從微米到納米層面，這樣的微觀尺度會(huì)讓人看得更精細(xì)。
3個(gè)層面的神經(jīng)連接圖譜
目前，神經(jīng)科學(xué)最關(guān)鍵的一點(diǎn)，就是從已知的宏觀層面進(jìn)入介觀層面，進(jìn)而理解大腦網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的形成與功能。例如，把小鼠大腦皮層的52個(gè)神經(jīng)細(xì)胞用熒光標(biāo)記后切片，重構(gòu)其三維結(jié)構(gòu)，其中每一種顏色代表一個(gè)神經(jīng)細(xì)胞。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，大腦的復(fù)雜性難以想象！即便是這52個(gè)細(xì)胞，也還有不同的種類，它們在大腦中分布的規(guī)則也不一樣。這還僅僅是小鼠的52個(gè)細(xì)胞，而人腦有上千億個(gè)細(xì)胞。所以，要真正分析人腦，困難該有多大！這正是目前神經(jīng)科學(xué)面臨的一個(gè)重大挑戰(zhàn)。因此，未來腦科學(xué)的第一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)就是在介觀層面上弄清大腦的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，即圖譜結(jié)構(gòu)。
大腦的信息傳導(dǎo)靠的是電，電活動(dòng)像電波一樣在神經(jīng)細(xì)胞里傳導(dǎo)。它跟電子在電線中的傳導(dǎo)不同，因?yàn)檫@種橫波是跨過細(xì)胞膜的離子流動(dòng)造成的——陽離子從外面流入細(xì)胞內(nèi)，造成了膜電位的波動(dòng)，波動(dòng)不斷向前推，其推動(dòng)速度只有幾百米/秒，比電子流的速度慢很多。當(dāng)這種電波傳到神經(jīng)軸突終端的時(shí)候，會(huì)把信息傳遞給下一個(gè)細(xì)胞。一個(gè)神經(jīng)細(xì)胞之所以能夠把電信息傳給下一個(gè)細(xì)胞，借助的是釋放一種叫做神經(jīng)介質(zhì)的化學(xué)物質(zhì)。當(dāng)神經(jīng)介質(zhì)傳到下一個(gè)神經(jīng)細(xì)胞后，就會(huì)觸發(fā)下一個(gè)細(xì)胞的電活動(dòng)，這就是電信號的傳導(dǎo)模式。如何觀測電信號以及理解電信號在網(wǎng)絡(luò)中的處理模式等問題，是我們現(xiàn)今要了解的關(guān)鍵問題。
作者系中國科學(xué)院院士，中國科學(xué)院上海生命科學(xué)院神經(jīng)科學(xué)研究所所長、研究員，中國科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心主任。在神經(jīng)生長和軸突導(dǎo)向、神經(jīng)元極性建立和神經(jīng)元遷移、神經(jīng)環(huán)路功能及可塑性等領(lǐng)域取得了一系列重要研究成果。
責(zé)任編輯：胡惠雯
