脑科学十年十大发现

科学家兼作家莱尔·沃森曾说过：“如果大脑简单到我们能理解它，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已经爆炸式增长。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。”为了庆祝其十周年，《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的人类基因组展览上的女性。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，医生们会执行昂贵或侵入性的手术，例如脑部扫描、脊髓穿刺和活检。患有遗传性疾病的孩子的父母经常担心他们是否会将相同的基因异常遗传给他们的下一个孩子。如今，许多此类评估——包括对特定退行性疾病、癫痫和运动障碍的评估——可以通过快速简单的血液测试进行。这些评估是通过 2001 年完成基因测序和绘制的人类基因组计划 (HGP) 实现的。此后，大量新的测序技术使科学家能够提高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，但同样正在为几种具有挑战性的疾病提供急需的见解。科学家们已经锁定了精神分裂症、阿尔茨海默病、抑郁症和自闭症以及其他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将多个不同皮质区域的皮质连接自上而下以虚拟轨迹可视化。图片来源：艾伦脑科学研究所

大脑绘图
慈善家保罗·艾伦在 2000 年代初召集了专家，他们的崇高目标是了解人脑如何工作。在完成人类基因组计划后，他们于 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的区域，并将结果汇总到在线数据库或图集中，这些图集现在还包括人类和非人类灵长类动物的数据。免费的综合基因活动图谱可以帮助研究人员设计出表达特定细胞类型或发现与某些疾病或行为相关的基因的小鼠。如今，该研究所继续构建图集，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。作为由巴拉克·奥巴马总统宣布的白宫脑计划的主要参与者，美国国立卫生研究院刚刚授予该项目 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和障碍的方式。

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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人的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期具有高度可塑性，但此后就难以改变。尽管大脑在生命早期最易弯曲，“这十年真正新鲜的是人们对成人可塑性的广泛认可、认识和利用，”斯特赖克说。由诸如Lumosity之类的公司开发的脑训练软件和诸如任天堂的《大脑锻炼Wii》之类的流行游戏已经渗透到大众文化中。《奥普拉》杂志现在提供有关如何“改善”你的大脑和使其“更聪明”的技巧。美国国立卫生研究院高级研究员 R. Douglas Fields 将更好的成像技术和标记细胞以使其发出荧光的新方法归功于能够观察大脑在学习新信息时的活动。“在实验动物的大脑内部看到脑细胞的活体运作的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”，即仅当动物在某个特定位置而不是任何其他位置时才会激活的神经元，从而朝着破译这一谜团迈出了第一步。这些位于海马体（一个与记忆密切相关的大脑区域）的细胞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·莫泽增加了一项新发现：附近皮质中存在“网格细胞”。通过监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激活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。“这一发现是大脑活动单细胞记录历史上最显着的发现之一，”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 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

有趣的记忆
大脑的伟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的局限性。记忆不一定像纸上的墨水一样写入我们的大脑。纽约大学神经科学中心神经科学家安德烈·芬顿认为，应该将它们看作刻在粘土上的东西。每次访问记忆时，消息都可能会被弄脏，就像您拿起一个粘土板并用手指在其表面滑动一样。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，我们的思想和情绪会影响我们注意的内容，从而影响我们的记忆。科学家们正在尝试使用实验性化学物质，当注射这些化学物质时，会干扰记忆形成的蛋白质，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欺骗小鼠形成了完全虚假的记忆。记忆的形成和回忆是一个不断发展、活跃和可塑的过程，其中涉及大脑的许多不同工作部分，而科学家们才刚刚开始将它们如何结合成如此复杂的机器拼接在一起。

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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广泛关注。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，旨在研究一个人的思想和感受如何影响行为，然后引入策略来消除那些适应不良的信念。马里兰州的临床心理学家玛丽·阿尔沃德表示，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，自那以来的几十年里，CBT 已经扩展到涵盖广泛的疾病。一项 2012 年对 100 多项研究进行的荟萃分析发现，CBT 不仅是应对焦虑症，还是应对贪食症、愤怒、压力和导致疼痛的精神疾病的科学有效策略。

其他日益流行的行为技术包括 正念冥想，它鼓励练习者专注于当下，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心理健康问题，例如自杀念头，强调情绪调节。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]有点像一场赋权运动。它们给人们带来了希望。”

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使用光遗传学工具的小鼠正在进行实验，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 实验室研究生 Raag Airan、Feng Zhang、Ed Boyden 和 Lief Fenno 开发的技术。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 年提出一种用光开关单个神经元的技巧时，研究人员感到非常兴奋。“这完全改变了一切，”U.C.S.F. 的斯特赖克说。在光遗传学之前，激活和沉默神经网络的标准方法都很粗糙。“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 光敏分子嵌入特定的脑细胞中，只操控那些选定的神经元类型或网络。照射光线可以使这些神经元更加活跃或不那么活跃，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影响行为、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 《大众科学思维》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，以及它们如何出现异常从而导致精神疾病。

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来自大鼠大脑的染色星形胶质细胞。来源：Wikimedia Commons/GerryShaw

神经胶质细胞的新作用 神经胶质细胞一直名声不佳。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功能的包装材料。“它们被认为不如令人兴奋的神经元重要和枯燥，”NIH 的菲尔兹说。然而，新的成像方法终于为科学家们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脑功能至关重要，包括 记忆和学习。“这真的是一个新的领域。它们与神经元完全不同，它们更加复杂和多样化，”他说。“它们正在做与神经元不同的事情这一事实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。来源：Second Sight

神经植入
当损伤、疾病或中风损害大脑的必要组成部分时，神经植入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耳蜗植入，这是一种 在 20 世纪 80 年代上市的入耳设备。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·潘努表示，在过去的十年中，它们的声音质量得到了显著提高，这在很大程度上归功于半导体制造技术的进步。现在，视网膜植入有望在视觉方面取得耳蜗植入为全球超过 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，并在 2013 年针对患有退行性眼病的患者上市。

其他可植入的疗法，例如 深部脑刺激 和迷走神经刺激，已为患有其他难以治愈的脑部疾病（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这些技术在 重度抑郁症、强迫症、成瘾和疼痛等其他疾病中的应用。目前，神经植入 会改变大脑特定区域的电活动，但潘努预测，未来的版本还将释放化学物质，以纠正导致抑郁症等疾病的失衡。

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来源：Flickr/Julia Manzerova

决策
做出选择可能会让人感到焦虑。有时，像弄清楚早上穿什么这样简单的行为都可能让人陷入混乱。在过去的 10 年里，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，但没有一本书籍产生像心理学家和诺贝尔奖获得者丹尼尔·卡尼曼的 2011 年著作《思考，快与慢》那样广泛的影响。他的叙述总结了数十年来对认知偏差的研究，普及了这样一种观念，即大脑有 两种不同的机制来决定行动方案：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”的更为深思熟虑和衡量的方法。“系统 1”驱动快速反应，例如跳开一辆飞驰的摩托车；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。通过关注我们大脑的优势和劣势，卡尼曼帮助读者避免了常见的错误并做出了更好的选择。正如评论家格伦达·库珀在《每日电讯报》中 评论这本书时所写，“这本书已售出超过一百万册，被誉为‘杰作’和‘社会思想领域的里程碑式著作’，而卡尼曼本人也被称为‘在世最重要的心理学家’。”