脑科学十年十大理念

科学家和作家莱尔·沃森曾说过：“如果大脑简单到我们可以理解它，那我们就会简单到无法理解它。”我们头骨中数十亿个电脉冲神经元的混沌网络已经困扰了科学家们几个世纪。然而，在过去的10年里，我们对这个神秘器官的理解已经爆发式增长。诊断和分子技术的巨大进步揭示了大脑的一些复杂性，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。“我真的为五年前退休的人感到遗憾，”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了。”为了庆祝其10周年纪念日，《大众科学 思维》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人类基因组展览上的女士。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，医生们会进行昂贵或侵入性的手术，如脑部扫描、脊髓穿刺和活组织检查。患有遗传性疾病的孩子的父母经常担心他们是否会将同样的基因异常遗传给下一个孩子。如今，许多此类评估——包括对特定退行性疾病、癫痫病和运动障碍的评估——都可以通过快速简单的血液测试进行。这些评估是由人类基因组计划（HGP）实现的，该计划在2001年对我们的基因进行了测序和定位。随后，大量新的测序技术使科学家能够提高我们对产生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，但尽管如此，也正在为一些具有挑战性的疾病提供急需的见解。科学家们已经锁定了在精神分裂症、阿尔茨海默病、抑郁症和自闭症等疾病患者血液中循环的遗传物质片段。快速识别与疾病相关的基因簇可能会改变我们在未来识别和治疗脑部疾病的方式。

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从多个不同的皮质区域发起的皮质连接的自上而下的3D视图，使用艾伦研究所脑探索器软件可视化为虚拟束状轨迹。图片来源：艾伦脑科学研究所

脑图谱
慈善家保罗·艾伦在2000年代初期聚集了专家，其崇高目标是了解人脑如何工作。在人类基因组计划完成之后，他们在2003年成立了艾伦脑科学研究所。这个位于西雅图的组织开始绘制小鼠大脑中基因活动区域的图谱，并将结果汇总到在线数据库或图谱中，这些数据库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可以帮助研究人员设计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。今天，该研究所继续构建图谱，最近启动了一项为期10年的计划，不仅要研究特定基因的活跃位置，还要研究这些基因回路如何处理进入大脑的大量信息流。作为白宫大脑计划的主要参与者，该计划由巴拉克·奥巴马总统宣布，美国国立卫生研究院刚刚向该项目拨款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，科学家们长期以来都认为成年大脑是一个相对静态的器官。早在15年前，他们还认为大脑在婴儿期和幼儿早期具有高度可塑性，但在那之后就难以改变了。尽管大脑在生命早期最具可塑性，但“这十年真正新的认识是人们广泛认识、理解和利用成人可塑性，”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》杂志现在给出了关于如何“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高级研究员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的过程成为可能。“在实验动物的大脑中看到大脑细胞活着运作的能力，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
科学家们长期以来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·奥基夫首次发现了“位置细胞”，这是一种仅在动物处于一个特定位置时才会放电，而在其他任何位置都不会放电的神经元，从而朝着破译这一能力迈出了第一步。这些细胞位于海马体（一个与记忆密切相关的大脑区域）中，似乎可以解释我们的大部分空间推理能力。

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·莫泽增加了一项新发现：附近皮层中存在“网格细胞”。通过窃听当啮齿动物在盒子周围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。“这一发现是大脑活动单细胞记录历史上最非凡的发现之一，”德克萨斯大学休斯顿医学院的神经生物学教授詹姆斯·克涅里姆在2007年为《大众科学 思维》撰写的一篇文章中写道。这三位科学家于10月被授予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

关于记忆的有趣的事
大脑的最大奥秘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回忆。然而，在过去的十年里，我们已经了解了很多关于记忆局限性的知识。记忆并不一定像墨水在纸上那样写进我们的大脑。纽约大学神经科学中心的神经科学家安德烈·芬顿认为，与其这样想，不如将它们看作是刻在粘土上的。每次你访问记忆时，信息都会变得模糊，就像你拿起一块粘土板并在其表面划过手指一样。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，我们的思维模式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，当注射这些物质时，可以干扰记忆形成蛋白质，并消除某些类型的不良情绪，例如成瘾者对毒品的渴望。研究人员甚至成功地诱骗小鼠形成完全虚假的记忆。记忆的形成和回忆是一个不断发展、积极且可塑的过程，涉及大脑中许多不同的工作部分，而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

疗法进展 一系列针对身心连接的治疗技术在过去十年中获得了发展。尤其值得注意的是认知行为疗法 (CBT)，这是一种谈话疗法，它会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良的信念。根据马里兰州的临床心理学家玛丽·阿尔沃德的说法，当认知行为疗法在 1960 年代和 1970 年代首次出现时，它主要用于治疗恐惧症和焦虑症。然而，在之后的几十年里，认知行为疗法已扩展到涵盖各种疾病。一项对 100 多项研究进行的 2012 年荟萃分析发现，认知行为疗法是一种科学可靠的策略，不仅可以对抗焦虑症，还可以对抗贪食症、愤怒、压力和引起疼痛的精神疾病。

其他越来越流行的行为技术包括正念冥想，它鼓励练习者与当下保持一致，以及辩证行为疗法。后一种疗法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，例如通过强调情绪调节来解决自杀念头。阿尔沃德希望这些疗法有朝一日能像药物一样有效。“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]有点像一种赋权运动。它们正在给人们带来希望。”

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带有光遗传学工具的小鼠正在运行，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 实验室由研究生 Raag Airan、Feng Zhang、Ed Boyden 和 Lief Fenno 开发的技术。图片来源：Raag Airan、Feng Zhang、Ed Boyden 和 Lief Fenno

光遗传学
当斯坦福大学的科学家们在2005 年提出一种用光打开或关闭单个神经元的技术时，研究人员欣喜若狂。“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是粗糙的。“你不知道你在刺激哪些细胞，”他解释说。为了探索某类神经元如何帮助小鼠在迷宫中导航，例如，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塞入特定的脑细胞，只操控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，并能阐明它们在行为或疾病中的作用。

现在，世界各地的神经科学实验室都采用了这项技术。“在过去十年中，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成行为、感知和认知，”光遗传学的共同发明人 Ed Boyden 在2014 年 11 月/12 月的《大众科学 MIND》杂志上写道。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，以及它们如何出错并导致精神疾病。

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来自大鼠大脑的染色星形胶质细胞。图片来源：Wikimedia Commons/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执行大脑管家职能的包装材料。“与令人兴奋的神经元相比，它们被认为是不重要和迟钝的，”美国国立卫生研究院的菲尔兹说。然而，新的成像方法终于为科学家们创造了机会来询问这些脑细胞，并且他们发现神经胶质对许多关键的大脑功能至关重要，包括记忆和学习。“这确实是一个新的领域。它们与神经元完全不同，它们要复杂和多样得多，”他说。“它们所做的事情与神经元不同，这意味着我们必须了解它们。”

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放置在视网膜上的电极阵列。图片来源：Second Sight

神经植入物
当损伤、疾病或中风使大脑的重要组成部分瘫痪时，神经植入物可能是恢复丧失功能的唯一选择。第一个获得广泛采用的可植入大脑装置是人工耳蜗，这是一种耳内装置，于 1980 年代上市。劳伦斯利弗莫尔国家实验室生物工程中心主任萨丁德帕尔·潘努说，在过去十年中，其声音质量大幅提高，这在很大程度上归功于半导体制造技术的进步。现在，视网膜植入物有望在视觉方面做到人工耳蜗为全球超过 25 万人听力所做的事情。首个视网膜植入物在 2011 年通过了临床试验，并于 2013 年面向患有退行性眼病的患者上市。

其他植入疗法，例如深部脑刺激和迷走神经刺激，为患有其他顽固性脑疾病（最值得注意的是帕金森病和癫痫病）的个体带来了缓解。最近，研究人员一直在探索在重度抑郁症、强迫症、成瘾和疼痛等其他疾病中使用这些技术。目前，神经植入物会改变大脑目标区域的电活动，但潘努预测，未来的版本还将释放化学物质来修复导致抑郁症等疾病的失衡。

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图片来源：Flickr/Julia Manzerova

决策
做出选择可能是一项令人焦虑的努力。有时，像早上弄清楚穿什么衣服这样简单的行为，都会让一个人陷入混乱。过去 10 年，数十本书籍和数百篇研究文章试图梳理影响我们决策的心理因素，但没有一本像心理学家和诺贝尔奖获得者丹尼尔·卡尼曼的2011 年出版的《思考，快与慢》那样产生广泛的影响。他的描述总结了数十年来对认知偏差的研究，普及了这样一种观点，即大脑有两种截然不同的机制来决定行动方针：一种被称为“系统 1”的自动、无意识的思维方式，以及一种被称为“系统 2”的更为谨慎和深思熟虑的方法。系统 1 驱动快速反应，例如跳开一辆疾驰的摩托车；而系统 2 帮助我们解决复杂的数学问题或倒背一串字母。通过关注我们大脑的优势和劣势，卡尼曼帮助读者避免常见的错误并做出更好的选择。正如评论员格伦达·库珀在《每日电讯报》上对这本书的评价一样，“这本书已售出 100 多万册，被描述为‘杰作’和‘社会思想领域的里程碑’，而卡尼曼本人则被誉为‘当今最重要的心理学家’。”