脑科学十年十大发现

科学家和作家莱尔·沃森曾说过：“如果大脑如此简单，我们能理解它，那我们就会如此简单，以至于无法理解。”我们头骨中数十亿个电脉冲神经元的混沌网络，几个世纪以来一直困扰着科学家。然而，在过去的10年中，我们对这个神秘器官的理解已经爆炸式增长。诊断和分子技术的巨大进步已经揭示了大脑的某些复杂性，科学家们才刚刚开始解析这些启示如何转化为日常行为，更不用说疾病了。“我真的很同情五年前退休的人，”加州大学旧金山分校的神经科学家迈克尔·斯特赖克说。“现在的神经科学与过去完全不同。”为了庆祝其10周年，《大众科学·思想》回顾了脑研究的10个重要分支以及每个分支所做的有意义的贡献。

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在华盛顿特区国家自然历史博物馆的人类基因组展览上的一位女性。图片来源：Flickr/vpickering

神经遗传学
仅仅在二十年前，为了诊断神经系统疾病，医生会进行昂贵或侵入性的手术，例如脑部扫描、脊椎穿刺和活检。患有遗传疾病的孩子的父母常常担心他们是否会将同样的基因异常传给下一个孩子。如今，许多此类评估（包括对选定的退行性疾病、癫痫和运动障碍的评估）可以通过快速简单的血液检查来完成。这些评估之所以成为可能，归功于人类基因组计划（HGP），该计划于 2001 年对我们的基因进行了测序和定位。随之而来的是大量新的测序技术，使科学家能够加深我们对引发神经和精神疾病的遗传途径的理解。

其他研究尚未产生诊断测试，但仍然为几种具有挑战性的疾病提供了急需的见解。科学家已经将注意力集中在精神分裂症、阿尔茨海默病、抑郁症和自闭症等疾病患者血液中出现的微量遗传物质。快速识别与疾病相关的基因簇可能会改变我们未来识别和治疗脑部疾病的方式。

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使用艾伦研究所大脑浏览器软件可视化，从多个不同皮质区域发出的皮质连接的自上而下的 3D 视图，以虚拟追踪方式显示。图片来源：艾伦脑科学研究所

脑图绘制
慈善家保罗·艾伦在 2000 年代初召集了专家，目标是了解人脑的工作原理。在人类基因组计划完成后，他们在 2003 年成立了艾伦脑科学研究所。这家总部位于西雅图的组织开始绘制小鼠大脑中基因活动的区域图，并将结果汇总到在线数据库或图谱中，现在还包括人类和非人类灵长类动物的数据。免费、全面的基因活动图谱帮助研究人员设计出表达特定细胞类型的小鼠，或发现与某些疾病或行为相关的基因。如今，该研究所继续构建图谱，并且最近启动了一项为期 10 年的计划，不仅要检查特定基因在何处活跃，还要检查这些基因回路如何处理流入大脑的大量信息。作为白宫 BRAIN 计划的主要参与者，该计划由美国总统奥巴马宣布，美国国立卫生研究院刚刚为该项目拨款 870 万美元，用于绘制小鼠和人类大脑中数万亿个神经连接。最终目标是彻底改变我们处理脑部疾病的方式。

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图片来源：Flickr/澳大利亚国家图书馆

可塑性大脑 斯特赖克说，科学家长期以来将成年人的大脑视为相对静态的器官。早在 15 年前，他们认为大脑在婴儿期和幼儿期具有高度可塑性，但此后难以改变。尽管大脑在生命早期最具可塑性，但“这十年真正新鲜的是对成人可塑性的广泛赞赏、认识和利用，”斯特赖克说。由 Lumosity 等公司开发的脑力训练软件和任天堂的《脑力锻炼Wii》等流行游戏已经渗透到流行文化中。《奥普拉杂志》现在提供关于如何“改善”你的大脑和让它“更聪明”的技巧。美国国立卫生研究院的资深研究员 R. 道格拉斯·菲尔兹认为，更好的成像技术和标记细胞使其发荧光的新方法的出现，使得观察大脑学习新信息成为可能。“观察实验动物大脑内部的脑细胞如何运作，揭示了可塑性的机制。”

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图片来源：Flickr/CIAT

了解我们的位置
长期以来，科学家们一直在思考我们从一个地方导航到另一个地方的内在能力。1971 年，伦敦大学学院的约翰·奥基夫首次开始破译它，他发现了“位置细胞”，这是一种仅在动物位于特定位置时才放电，而在任何其他位置都不放电的神经元。这些细胞位于海马体（一个与记忆密切相关的大脑区域），似乎解释了我们大部分的空间推理能力。

然而，在 2005 年，挪威科技大学的已婚科学家 梅-布里特和爱德华·莫泽又进行了一项新发现：附近皮质中存在“网格细胞”。通过窃听啮齿动物在盒子中移动时单个脑细胞的电活动，他们发现某些细胞以网格状模式放电，以跟踪动物更新后的位置。它们与位置细胞协同工作，告诉动物它在哪里。“这一发现是脑活动单细胞记录史上最引人注目的发现之一，”德克萨斯大学休斯顿医学院的神经生物学教授詹姆斯·克尼里姆在《大众科学·思想》杂志 2007 年的一篇文章中写道。这三位科学家在 10 月获得了 2014 年诺贝尔生理学或医学奖。

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图片来源：Flickr/乔伊斯·凯斯

关于记忆的趣事
大脑的最大谜团之一是，我们仍然无法准确地确定记忆是什么——也就是说，神经回路如何存储给定的记忆。然而，在过去的十年中，我们对记忆的局限性了解了很多。记忆不一定像纸上的墨水一样写在大脑中。纽约大学神经科学中心的神经科学家安德烈·芬顿认为，把它们想象成刻在黏土中的东西。每次访问记忆时，信息都会变得模糊，就像你拿起一块泥板并用手指在其表面摩擦时可能会发生的情况一样。持续的生化过程会导致记忆随着时间的推移而发生变化。

此外，我们的心态和情绪会影响我们关注的内容，从而影响我们的记忆。科学家们正在研究实验性化学物质，当注射时，它们会干扰记忆形成蛋白质并消除某些类型的不良情绪，例如吸毒者对毒品的渴望。研究人员甚至成功地诱使小鼠形成了完全错误的记忆。记忆的形成和回忆是一个不断发展、积极主动和可塑的过程，涉及大脑的许多不同工作部分，科学家们才刚刚开始拼凑出它们如何组合成如此复杂的机器。

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图片来源：Flickr/A&M-Commerce

治疗进展 过去十年中，针对身心联系的一系列治疗技术广受欢迎。其中特别值得一提的是认知行为疗法（CBT），这是一种谈话疗法，用于检查一个人的想法和感受如何影响行为，然后引入策略来消除那些不适当的信念。据马里兰州的临床心理学家玛丽·阿尔沃德称，当 CBT 在 1960 年代和 1970 年代首次出现时，主要用于治疗恐惧症和焦虑症。然而，自那以来的几十年里，CBT 已扩展到涵盖各种疾病。对 100 多项研究进行的一项 2012 年荟萃分析发现，CBT 是一种科学有效的策略，不仅可以对抗焦虑症，还可以对抗贪食症、愤怒、压力和导致疼痛的精神疾病。

其他日益流行的行为疗法包括正念冥想，它鼓励练习者与当下时刻保持同步，以及辩证行为疗法。后者以认知行为疗法为基础，但增加了新的策略来解决严重的心理健康问题，例如自杀念头，通过强调情绪调节。阿尔沃德希望这些疗法有一天能像药物一样有效。“药物不会改变你的生活方式，也不会教你如何更好地与他人相处，”阿尔沃德说。“[这些疗法]有点像一场赋权运动。它们给人们带来希望。”

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正在进行光遗传学操作的小鼠，包括植入的光纤和大脑中产生的光敏分子，所有这些都代表了斯坦福大学Deisseroth实验室的研究生Raag Airan、冯张、Ed Boyden和Lief Fenno开发的技术。图片来源：Raag Airan、冯张、Ed Boyden和Lief Fenno

光遗传学
当斯坦福大学的科学家在2005年提出一种用光开关单个神经元的技术时，研究人员非常兴奋。“这完全改变了一切，”加州大学旧金山分校的斯特赖克说。在光遗传学出现之前，激活和沉默神经网络的标准方法很粗糙。“你不知道你在刺激哪些细胞，”他解释说。例如，为了探究某一类神经元如何帮助小鼠在迷宫中导航，科学家会将电极插入脑组织，一次刺激数千个神经元。现在，科学家可以将光敏分子插入特定的脑细胞，仅操纵那些选定的神经元类型或网络。照射光线会使这些神经元或多或少地活跃，并可以阐明它们在行为或疾病中的作用。

世界各地的神经科学实验室现在都采用了这项技术。“在过去的十年中，数百个研究小组使用光遗传学来了解各种神经元网络如何促进行为、知觉和认知，”光遗传学的共同发明人之一Ed Boyden在《大众科学》杂志2014年11月/12月刊上的一篇文章中写道。未来，光遗传学将使我们能够解读各种脑细胞如何引发感觉、思想和运动，以及它们如何出错导致精神疾病。

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来自大鼠大脑的染色星形胶质细胞。图片来源：维基共享资源/GerryShaw

神经胶质细胞的新作用 神经胶质细胞的名声一直不好。与神经元不同，它们不进行电通信，几个世纪以来，科学家们将这些丰富的脑细胞视为仅仅是执行大脑家务工作的包装材料。“人们认为它们与令人兴奋的神经元相比不重要且乏味，”美国国立卫生研究院的菲尔兹说。然而，新的成像方法最终为科学家创造了研究这些脑细胞的机会，并且他们发现神经胶质细胞对于许多关键的大脑功能至关重要，包括记忆和学习。“这真是一个新的领域。它们与神经元完全不同，它们更复杂和多样化，”他说。“它们正在做着与神经元不同的事情，这意味着我们必须了解它们。”

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定位在视网膜上的电极阵列。图片来源：Second Sight

神经植入
当损伤、疾病或中风导致大脑的某个重要组成部分瘫痪时，神经植入可能是恢复丧失功能的唯一选择。第一个被广泛采用的植入式脑设备是人工耳蜗，这是一种耳内设备，于20世纪80年代上市。劳伦斯利弗莫尔国家实验室生物工程中心主任Satinderpall Pannu说，在过去的十年中，由于半导体制造的进步，它们的声音质量得到了显著提高。现在，视网膜植入有望为视力做人工耳蜗为全球超过25万人的听力所做的事情。第一个视网膜植入在2011年通过了临床试验，并于2013年上市，用于患有退行性眼病的患者。

其他可植入疗法，如深部脑刺激和迷走神经刺激，为患有其他难治性脑疾病（最明显的是帕金森病和癫痫）的患者带来了缓解。最近，研究人员一直在探索在重度抑郁症、强迫症、成瘾和疼痛等疾病中使用这些技术。目前，神经植入会改变大脑目标区域的电活动，但Pannu预测，未来的版本还将释放化学物质，以纠正导致抑郁症等疾病的失衡。

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图片来源：Flickr/Julia Manzerova

决策
做出选择可能是一件令人焦虑的事情。有时，像弄清楚早上穿什么这样简单的行为就能使一个人陷入混乱。在过去的十年里，几十本书和数百篇研究文章试图梳理影响我们决策的心理因素，但没有一本书像心理学家和诺贝尔奖得主丹尼尔·卡尼曼的2011年出版的《思考，快与慢》那样产生如此广泛的影响。他的叙述总结了数十年来对认知偏差的研究，普及了大脑具有两种不同的机制来决定行动方针的概念：一种是自动的、无意识的思维方式，称为“系统1”；另一种是更深思熟虑和有分寸的方法，称为“系统2”。系统1驱动快速反应，例如躲避飞驰的摩托车；而系统2则帮助我们解决复杂的数学问题或倒背一串字母。通过提请注意我们大脑的优势和劣势，卡尼曼帮助读者避免常见错误并做出更好的选择。正如评论家格伦达·库珀在《每日电讯报》上撰写关于这本书的评论时所说，“这本书销量超过一百万册，被誉为“杰作”和“社会思想领域的里程碑”，而卡尼曼本人则被称为“在世最重要的心理学家”。”