脑科学十年十大突破

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，那么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乱网络让科学家们困惑了几个世纪。然而，在过去的十年里，我们对这个神秘器官的理解得到了爆炸式增长。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。”为了庆祝其10周年纪念，《大众科学 MIND》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上的一名女性。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、脊髓穿刺和活检。患有遗传性疾病的儿童的父母经常担心是否会将相同的基因异常传递给他们的下一个孩子。如今，许多此类评估——包括对某些退行性疾病、癫痫和运动障碍的评估——都可以通过快速简单的血液测试进行。这些评估是人类基因组计划（HGP）实现的，该计划于 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们能够提高我们对导致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，但仍然为一些具有挑战性的疾病提供了急需的见解。科学家们已经锁定了精神分裂症、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很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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从多个不同皮层区域发起的皮层连接的自上而下的 3D 视图，使用艾伦研究所大脑浏览器软件可视化为虚拟纤维束成像。图片来源：艾伦脑科学研究所

大脑图谱
慈善家保罗·艾伦在 2000 年代初期召集了专家，旨在了解人脑的工作原理。在 HGP 完成之后，他们于 2003 年成立了艾伦脑科学研究所。这家位于西雅图的组织开始绘制小鼠大脑中基因活动区域，并将结果汇总到在线数据库或图谱中，现在这些图谱还包括有关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有助于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。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活跃的位置，还要检查这些基因回路如何处理大量流入大脑的信息。作为白宫 BRAIN 计划的主要参与者，该计划由奥巴马总统宣布，美国国立卫生研究院刚刚为该项目拨款 870 万美元，用于绘制小鼠和人脑中的数万亿个神经连接。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，科学家们长期以来一直认为成年大脑是一个相对静态的器官。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，但在那之后就很难改变了。虽然大脑在生命早期最具可塑性，但“本十年真正新的进展是对成年可塑性的广泛赞赏、认识和利用，”斯特赖克说。诸如 Lumosity 等公司开发的脑力训练软件以及诸如任天堂的《大脑训练 Wii》等热门游戏已经渗透到大众文化中。《奥普拉》杂志现在提供了有关如何“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出荧光的新方法使得观察大脑在学习新信息时的工作方式成为可能。“能够看到实验动物大脑中的活脑细胞是如何工作的，正是这种能力揭示了可塑性的机制。”

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图片来源：Flickr/CIAT

认识我们的位置
科学家们长期以来一直思考我们从一个地方导航到另一个地方的先天能力。1971 年，伦敦大学学院的约翰·奥基夫首次发现了“位置细胞”，这是一种仅在动物位于一个特定位置而不是任何其他位置时才会放电的神经元，这为破译这种能力迈出了第一步。这些细胞位于海马体中，海马体是一个与记忆密切相关的大脑区域，似乎解释了我们空间推理能力的大部分原因。

然而，在 2005 年，挪威科技大学的已婚科学家梅-布里特和埃德瓦德·莫泽又增加了一个新的发现：附近皮层中存在“网格细胞”。通过窃听啮齿动物在盒子中移动时各个脑细胞的电活动，他们发现某些细胞以网格状模式放电以跟踪动物的更新位置。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单元记录历史上最杰出的发现之一，”德克萨斯大学休斯顿医学院神经生物学教授詹姆斯·克尼里姆在2007 年为《大众科学 MIND》撰写的一篇文章中写道。这三位科学家于 10 月份被授予 2014 年诺贝尔生理学或医学奖。

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图片来源：Flickr/Joyce Kaes

记忆的奇怪之处
大脑的一大奥秘是我们仍然无法确切地确定记忆是什么——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，应该把它们想象成刻在黏土上的东西。每次你访问记忆时，信息都会变得模糊，就像你拿起一块黏土板并在其表面上划过手指一样。持续的生化过程会导致记忆随着时间推移而发生变化。

此外，我们的心态和情绪会影响我们注意什么，从而影响我们的记忆。科学家们正在研究实验性化学物质，当注射后，这些物质可以干扰记忆形成蛋白，并消除某些类型的适应不良情绪，例如吸毒者对毒品的渴望。研究人员甚至设法欺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、活跃且可塑的过程，涉及大脑许多不同的工作部分，科学家们才刚刚开始拼凑出它们如何结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 一系列针对身心联系的治疗技术在过去十年中获得了发展。特别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这些适应不良的信念。根据马里兰州的临床心理学家玛丽·阿尔沃德的说法，当CBT在 20 世纪 60 年代和 70 年代首次出现时，它主要用于治疗恐惧症和焦虑症。然而，在过去的几十年里，CBT已经扩展到包括各种疾病。对 100 多项研究进行的 2012 年荟萃分析发现，CBT 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、压力和导致疼痛的精神疾病。

其他日益流行的行为技术包括正念冥想，它鼓励练习者关注当下，以及辩证行为疗法。后一种疗法以CBT为基础，但增加了新的策略来解决严重的精神健康问题，如自杀念头，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 实验室的研究生 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在 2005 年展示了用光来打开或关闭单个神经元的技术时，研究人员感到非常兴奋。“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，为了探究特定类型的神经元如何帮助小鼠导航迷宫，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，只操作那些选定的神经元类型或网络。照射光线会使这些神经元更活跃或更不活跃，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。“在过去的十年里，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影响行为、感知和认知，”光遗传学的共同发明人埃德·博伊登在2014 年 11 月/12 月《大众科学》杂志上写道。未来，光遗传学将使我们能够破译各种脑细胞如何引发感觉、想法和运动，以及它们如何出错从而产生精神疾病。

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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执行大脑内务处理功能的包装材料。“人们认为它们与令人兴奋的神经元相比，无关紧要且迟钝，”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提供了研究这些脑细胞的机会，并且他们发现神经胶质细胞对许多关键的大脑功能至关重要，包括记忆和学习。“这真的是一个新的前沿领域。它们一点也不像神经元，它们要复杂得多，也更具多样性，”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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定位在视网膜上的电极阵列。图片来源：Second Sight

神经植入物
当损伤、疾病或中风损害大脑的必需成分时，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萨蒂恩德帕尔·潘努说，在过去的十年里，由于半导体制造技术的进步，它们的音质得到了显著改善。现在，视网膜植入物有望在视觉方面取得与人工耳蜗在全球超过 25 万人听力方面所取得的成就。第一个视网膜植入物于 2011 年通过了临床试验，并于 2013 年上市，用于治疗患有退行性眼病的患者。

其他植入式疗法，如深部脑刺激和迷走神经刺激，为患有其他难以治疗的大脑疾病（最明显的是帕金森病和癫痫病）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，以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
做出选择可能是一件令人焦虑的事情。有时，像弄清楚早上穿什么这样简单的事情都可能让人陷入混乱。在过去的 10 年里，有数十本书籍和数百篇研究文章试图剖析影响我们决策的心理因素，但没有一本能像心理学家兼诺贝尔奖得主丹尼尔·卡尼曼的2011 年著作《思考，快与慢》那样产生广泛的影响。他的叙述总结了数十年来对认知偏差的研究，普及了大脑在采取行动时具有两种不同的机制的观点：一种是自动的、无意识的思维方式，称为“系统 1”；另一种是更加深思熟虑的方式，称为“系统 2”。系统 1 驱动快速反应，例如跳开快速行驶的摩托车；而系统 2 帮助我们解决复杂的数学问题或倒背一串字母。通过引起人们对大脑优势和劣势的关注，卡尼曼帮助读者避开常见错误，做出更好的选择。正如评论员格伦达·库珀在《每日电讯报》上写到这本书时所说的那样，“该书销量超过一百万册，被描述为“杰作”和“社会思想的里程碑式书籍”，而卡尼曼本人则被誉为“在世最重要的心理学家”。