对脑科学前景的思考

对脑科学前景的思考
杨雄里
我们能感知，有思维；能学习，有情绪；能言语，有意识，所有这一切全是因为我们有一个无与伦比的大脑。

当航天器早已搏击长空，潜水器早已漫游深海；当DNA的双螺旋结构已经揭示，人类基因组图谱已经绘制，人们自然会问，我们对创造了这些伟大发明、杰出成就的人类的大脑究竟有多少了解呢？
在科学界，探索脑的奥秘通常被认为是人类认识自然的“最后的疆域（last frontier）”。

现代脑的科学的奠基人之一，西班牙科学家卡赫（Cajal）说：“只要大脑的奥秘尚未大白于天下，宇宙将仍是一个谜”。

这实际上是希腊Delphi 岛上阿波罗神庙入口处的铭文：“认识自身”（Know Thyself）的思想的延伸。

当实证科学进入脑研究的领域，人们发现，脑实在是一个极复杂的系统，它由上千亿（1011）个神经细胞（神经元）组成，而这些细胞又通过百万亿（1014）个特殊的连接点（专业术语“突触”）成群地聚集在一起，形成众多的神经环路或网络，这是脑实施各项功能的基本单元，行使着感知、运动控制、学习记忆、情绪等各种功能，而在这些神经网络之间又有千丝万缕的联系，由此产生认知、思维、推理、归纳等各种更复杂的功能。

更为甚者，这些环路的特性，彼此间的联系，随着神经系统的发育不断发生变化，甚至在神经系统发育成熟后，其特性还可进一步为各种因素所修饰、调制（脑的可塑性）。

与这样一个庞大无比、极其复杂、又不断变化的系统打交道的艰巨性可想而知！
应该说，这个领域（神经科学或脑科学）的科学家们干得非常出色。

通过形态学研究和对神经细胞生物电活动的记录和分析，也由于细胞生物学、分子生物学的理论和技术所提供的有力的工具，我们在最基本的层次，即在细胞和分子层次上，对神经细胞产生神经冲动（电脉冲，或称锋电位）的机理，神经细胞间信号传递的规律，以及对神经系统活动的基本原理的认识，对神经系统疾病的发病机制的了解，在近30年间的进展可谓是革命性的。

另一方面，由于无创伤脑成像技术（正电子发射断层扫描术——PET,功能性磁共振成像术——fMRI）的迅速发展，科学家有可能检测活体脑内各分区的大群神经细胞总体活动的状态及其变
化。

这两方面的研究都取得了巨大的成功，并继续迅猛地向前推进。

对于脑科学的发展，我们能期待什么呢？
我们可以期待，对脑的工作原理将会有更深入的了解。

在为取得巨大成功欢欣鼓舞的同时，脑科学家们清醒地意识到，他们正共同面临“巨大的鸿沟”。

何为“巨大的鸿沟”？那就是，要么是单个神经细胞或少数细胞组成的网络的研究，要么是应用活体成像技术对一大群细胞总体活动的分析，这种分析由于眼下成像技术空间分辨力和时间分辨力的低下，对集群细胞中每一个单元的活动毫无所知。

以数码成像相类比，将焦点集中于少数神经元就像近距离观看低像素的照片，失去了整张的画面；而PET和fMRI由于缺乏对细节的描绘，产生的是画面模糊的图像。

实际上，脑实施高级功能（如感知、认知、思维）的是涉及少则数千，多则上百万神经元集群，这些群体中每个细胞产生的锋电位就像一个个“音符”不断地跳跃，而群体中所有神经元产生的各种“音符”和谐、有规律的此起彼伏，便形成一首恢宏的交响曲——这正是脑实施各种功能的基础。

但是对神经元集群中各单元活动的同时监测，至今缺少有效的技术手段。

正是这“巨大的鸿沟”促使最近为科学界热议的美国“脑计划”提出要“记录一个神经环路中每一个神经元的每一个锋电位”（“脑活动图谱”）。

科学家们将努力开发新技术来标记大范围神经环路各神经元，并对大群神经元各单元活动进行同步检测，这要求新型的成像技术具有高时间、空间分辨力，并与电子探针、纳米技术等的密切结合。

这些技术将使科学家能探索大范围的神经元集群的功能状态及动态变化，并与行为的分析相关起来，更进一步逐渐从对动物模型的研究推进到对人的研究，从而在揭示脑的奥秘的征程中跨越沟壑，走得更远。

我们可以期待，科学家们对脑重大疾患（如老年性痴呆、帕金森病、神经分裂症、抑郁症等）的病因，发病机制有更清楚的了解，在此基础上开发出更有效的治疗方案。

中枢神经系统损伤后的修复一直是脑科学的大问题，几十年来，科学家们殚精竭虑，步履维艰，但不断有令人鼓舞的好消息传来。

最近奥地利科学家的一项重大研究成果特别使人振奋：他们应用人类胚胎干细胞或成人皮肤细胞，经过一系列精细的操作，居然在实验室中培养出包含大脑皮层、视网膜、海马区的微型大脑，其生长水平约与9周胎儿大脑相当。

尽管这种微型大脑，从许多方面来看，离真正的大脑还相距甚远，但其成功自然会令人联想到（除了重大
的理论意义外），如果把这种微型脑移植至损伤区域，不是能更有效地促进中枢神经系统功能的修复呢？
我们可以期待，在脑科学与信息科学、计算科学及其它工程科学之间的联系会更加紧密，彼此间的互动将会更活跃。

脑本质上是一个庞大且复杂的信息处理系统，据估计，人脑中每秒完成的动态链接高达千万次量级，可储存的信息量相当于美国国会图书馆藏书总量所包含信息的50倍。

不仅如此，脑科学已在若干组构层次上揭示大脑信息处理与传统计算机迥然不同的特点：平行信息处理，神经元间信息的交互性传递，信息处理的高度可塑性等。

借鉴这些特点，有可能研发新的信息系统（如面容识别系统），模拟大脑的某些特点，从而实现真正的人工智能。

最近瑞士研究人员研发的“神经形态芯片”，直接在微芯片上模拟神经元和突触的生物学属性，实时处理输入信息并作出回应。

这些芯片具有短时记忆和决策分析机制，能够实时执行复杂的感觉运动任务，令人印象十分深刻。

另一方面，脑研究的进展在相当大程度上依赖于工程技术的发展。

上述为研究神经元集群必须研发的新技术的成功应用，无疑将大大推进对脑工作原理的认识。

除此之外，为盲人的人工视觉假体的研制，人工耳蜗的进一步完善，几乎完全仰仗技术上的创新。

例如，将上述“神经形态芯片”与视觉、听觉等传感性神经形态元件相结合，制造出能与周围环境实时交换信息的复杂认知系统，可能会使失明、失聪者重获视听觉。

我们可以期待，脑科学在其他领域，甚至在军事领域中广泛的应用。

例如，对大脑和自主神经系统间相互作用及其机理的了解，有可能提出有效的措施，使战斗人员在面对严酷的作战条件时，通过体力和情绪、认知活动间的协调，显示良好的作战表现。

应用无创伤脑成像技术，则可能为作出军事决策过程中的具体操作提供启示。

脑科学的蓬勃发展撩拨着人们的好奇心。

科幻影片、小说所渲染的“读心术”、“读梦”、“盗梦”是否不久将成为可能？不久，人们真的就能像电脑“拷贝”文件一样快速而不费力地学习吗？在我看来，这是对现代脑科学进展的一种误读。

我并非说这一定就不可能，但我可以有把握地说，在可以预见的将来，这些都还是科学上的幻想。

对于大脑复杂的高级功能（如学习、思维、认知）的研究有其特殊的困难性：在同样的外在条件下存在不可预测的易变性。

以人们熟知的
做梦为例，科学家们已经知道，以脑电图中快速眼动（REM）波出现为标志的睡眠表示了梦境的出现，但除了睡眠者的梦呓和觉醒后的主诉外，我们迄今并无客观的方法来探知梦境的内容；而即使在严格控制的环境条件下梦境也会具有明显的不可重复性。

与此同时，我们必须充分意识到，脑的高级复杂功能（即精神活动）的研究有其固有的复杂性，它们当然有其物质基础（大脑神经细胞的活动），但当物质运动一旦升华成精神活动，就会凸显不同于物质世界的一些特殊规律，这就决定了对其本质的了解，需要某些与探索物质世界迥然不同的手段和方法。

这对科学家的思维是重大的挑战，也意味着探索其奥秘是一个漫长的过程。

探索脑的奥秘的征程缘着的是一条绝对真理的长河，我们不断揭示着相对真理，但我们只可能逼近，而永远不可能穷尽脑的奥秘这个绝对真理，我们需要对此有清醒的认识。

“路漫漫其修远兮”，科学家们将继续“上下求索”。

令人欣慰的是，在已经奠定的基石上，我们可以充满信心预期脑科学将展现的精彩纷呈的前景。