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其实从科学的角度看，颅相学也并非一无是处。大脑的某种功能由特别的区域来控制，这一观点后来被发现其实是能找到证据支持的。1865年，通过对一系列语言障碍病人的研究，法国医生保罗·布罗卡发现，一旦大脑左额叶的一个区域受损，人的语言功能就会被严重破坏。这个区域后来被以布罗卡的名字命名，称为布罗卡区（Broca’s area），并被证明是大脑中分管语言的区域。
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在启蒙时代的两三百年时间里，科学家建立起了包括生物电、功能分区等在内的一系列关于大脑的基本知识框架。而大脑研究真正成为科学的一个分支要等到19世纪末了，至此脑科学研究也进入了近现代的阶段。
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某个学科成为真正的科学分支的标志，是这个学科拥有了一系列可以被广泛使用并推广的研究手段，这样一个科学家的发现就很容易被其他科学家重复验证并推进。当然，研究技术的成熟只是一个必要条件，科学的真正进步常常是我们所说的“范式革命”。在其著作《科学革命的结构》中，科学家、哲学家托马斯·库恩阐述了范式革命的过程。用通俗的话说，就是看待问题的角度改变了。再通俗一点就是，真正革命性的科学发现不可以被旧的范式“预测”出来。比如，从牛顿的经典物理学无法预测出爱因斯坦的相对论，从爱因斯坦的相对论也无法推测出量子物理学理论。让我们来看看脑科学的范式革命是如何发生的。
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现代脑科学第一个革命性的发现，是20世纪初西班牙神经解剖学家圣地亚哥·拉蒙·卡哈尔提出的神经元学说。大脑的结构究竟是怎么样的？虽然细胞学说已经被广为接受，但大脑中是否也有细胞？发明了一种神奇染色方法的意大利科学家卡米洛·高尔基在对大脑做了一番染色后指出，大脑里没有单个的细胞，而是无数细胞连接起来的群体。但卡哈尔用这种以高尔基的名字命名的“高尔基染色法”对动物大脑染色后却惊奇地发现，大脑里的每一个细胞都是独立存在的。对无数生物的大脑做了难以计数的染色后，他系统性的阐释了大脑内的细胞不仅独立存在，相互之间的连接枢纽还是一个非常特化的结构，也就是后来被发现的突触（synapse）。
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谢天谢地全世界的科学家没有被高尔基误导，卡哈尔的神经元学说让脑科学的研究真正进入了快车道。尽管从细胞学说出发，好像也能“推测”出大脑中应该有细胞，但由于纠正了大脑里的细胞是连通的这一错误学说，并绘制出令今人仍然叹为观止的大脑细胞染色图，卡哈尔一直被现代脑科学工作者奉为祖师爷。
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AI”>大脑的结构基础差不多搞明白了，那这如梦似幻的“精气”——生物电究竟是如何在大脑细胞（神经元）中产生并传输信号的呢？至今难忘当我在学生时代读到神经生物学教科书的这一部分，也就是著名的霍奇金–赫胥黎传导模型（Hodgkin-Huxley model）时，那种震撼的感觉。
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尽管自第二次工业革命起人类就已经可以成功生产并使用电能，但一直到20世纪中叶，科学家对神经元之间的电传导规律仍然一无所知。主要的原因可能是，生物电本身就非常微弱，必须用精密的仪器才能够检测。研究对象的选择也很重要，哺乳类动物的大脑被包裹在坚硬的头骨内，如果要对神经元进行电记录，必须先通过脑外科手术去除头骨，在这之后纤细的电极还需要充分接触到很细的神经纤维。20世纪上半叶的技术还很难完成后者这样的操作。那怎么办呢？
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两位英国的科学家艾伦·霍奇金和安德鲁·赫胥黎巧妙地使用一种乌贼发现了电传导的规律。他们选择枪乌贼的巨轴突系统作为研究对象，这样电极可以轻松地接触到神经纤维进行记录。在对枪乌贼细胞的放电情况进行仔细测量后，霍奇金和赫胥黎发现细胞放电的规律可以用一个简洁优美的方程式来解释，这就是著名的霍奇金-赫胥黎方程。这个方程式解释了神经元放电的基本规律。这个真正革命性的发现揭示了神经元放电的原理，基本上就是钠、钾离子的跨膜流动。这个发现同时也表明，生物学过程的底层规律仍然是物理学原理。自这个发现起，神经生理学作为一门新兴的学科，正式走进了科学的殿堂。
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除了以上内容外，20世纪一系列有关脑的重大发现——如查尔斯·谢灵顿提出的突触概念、大脑中的神经化学概念等——《大脑传》都一一做了精彩的描述。大脑中细胞间通过化学物质（也就是所谓的神经递质）来传导信息的发现，开辟了一个新的领域——神经化学。其中最为人所知的是有关成瘾的一系列神经化学发现，比如对多巴胺、阿片受体等的研究。但随着脑科学研究的深入，科学家逐渐认识到，大脑中的化学物质只是细胞间通讯的媒介，更重要的是细胞之间的通讯网络是如何工作的，这些都属于当代脑科学研究中的神经环路研究。
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在20世纪的脑科学研究中，还有一个非常重要的分支，《大脑传》中的描写也很有趣，那就是试图运用机器来模拟并接近人类的智能。这个领域的先驱的思考推动了电子计算机的诞生。科学家一直希望用计算机来模拟大脑的工作过程，然而模拟脑的一系列努力在半个多世纪的时间里一直雷声大雨点小，进展缓慢。一直到21世纪发端，机器学习算法的横空出世，以及不断增长的计算机算力在某些领域开始与人类的智能相匹敌，人工智能时代终于到来了。
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在了解了大脑的基本结构、细胞组成、电活动的工作原理并拥有不断增强的计算机算力后，接下来要做的就是展开探索大脑最重要奥秘的攻坚战了。当代脑科学研究（21世纪）的很大一部分，就在致力于探索这些问题。
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即使你不是专业人士，如果问你脑研究领域最重要的研究有哪些，估计你也能答个八九不离十：记忆是怎么形成并存储的？情感是怎么产生的？意识是怎么让我们与众不同的？等等。
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确实，大脑研究皇冠上最耀眼的明珠就是这些高级认知功能的原理。坦白地说，对于这些问题，我们目前还没有令所有人满意的答案。我们都在期待真正“革命性”发现的到来。
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《大脑传》的第三部分触及到了一部分这些内容，但可能因为这方面的进展太过迅猛，我个人认为书对这部分的描述略有缺憾，我在此处略做补充。
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真正第一次揭示认知功能原理的革命性脑科学研究，我认为是西摩·本泽（Seymour Benzer）在20世纪后半叶开展的果蝇遗传学实验。他在果蝇这种易于繁殖与观察的实验动物中诱导随机的基因突变，再观察果蝇的哪些行为被基因突变所改变，进而一下子追溯到了行为的最底层——基因的层面。使用这种方法，本泽找到了控制生物节律的基因以及学习记忆的基因。我认为这些研究是真正革命性的，尽管距现在已经有超过半个世纪的时间，但仍然可以被称为当代的脑科学研究成果，因为迄今许多研究仍然没有走出本泽的研究范式。
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但要研究清楚某一个基因具体是如何影响某种复杂行为的，基因和行为之间显然还有巨大的鸿沟和空白。在试图填补这些空白的当代脑科学研究中，最热门的领域之一就是研究大脑的某个脑区或者神经元之间的连接会怎样影响某种特定的行为（例如学习与记忆、成瘾、恐惧、开心与愉悦）。虽然研究进行得热火朝天，但这个领域里不断涌现的最新发现并没有带来“范式革命”级的突破。科学家们打趣地说，现在的研究基本上都有“套路”，无非是脑区甲的细胞A与脑区乙的细胞B形成连接，一起调节了行为C，如此种种。汗牛充栋的研究绝大部分都可以被这样“预测”出来，那么真正“革命性”的发现在哪儿呢？
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其实科学家们自己也很清楚，目前对于单个脑区的研究非常有局限性。我们在进行某个复杂行为的时候，大脑中不可能只有一个脑区的某些细胞在放电，一定是许多脑区中的许多细胞在配合默契地放电。因此，只盯着一个地方研究，只会是管中窥豹。面对这样的问题，脑科学研究领域已经发展出了一系列最新的技术，其中一种叫作神经像素（neuropixel），这是一种用无数的纤细电极同时对小鼠大脑的多个脑区进行电记录的神奇方法。有了这种方法，我们也许就可以对产生复杂行为的大脑电活动情况有更全面的认识。
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当然，最大的问题可能还不是实验方法的革命。目前绝大多数脑科学研究都依赖于某种实验动物，最常用的哺乳类动物是实验小鼠。科学家能够用遗传学手段对小鼠的基因进行定点剔除和标记，甚至可以准确地跟踪某一类神经元。但我们始终不能忘记，早在7500万年前，啮齿类动物在进化树上就已经与人类的祖先分道扬镳了。我们很难在小鼠身上再现人类的复杂情感与高等的认知行为（比如意识）。
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不仅如此，在小鼠中也很难建立人类脑疾病的模型。当在小鼠大脑中尝试诱导人类的脑疾病时，很多情况下都不会产生与人类病患类似的病理症状。那么我们在小鼠研究中得到的脑科学知识，能够真正反映人脑中发生的情况吗？可能还不够。因此脑科学研究还需要人类的近亲——非人灵长类的参与。要想真正揭开人脑的奥秘，科学家需要将不断涌现的新技术应用到超越啮齿类的动物模型上。
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二、未来脑科学的挑战：结构和功能
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当我们回顾脑研究数千年的发展史时，首先感叹的是科学的发展非常依赖于研究技术的进步。如果没有生物电的研究和显微技术的发明和优化，人类对大脑的认识或许只能停留在蒙昧时代。
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脑研究的发展史还让我们看到，与其他生命科学领域相比，脑科学领域具有很有趣的特点。这些独特性决定了科学家在接下来的一百年里将面临的主要挑战。
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一个挑战是剖析大脑的结构。相比于循环系统的心脏、消化系统的肠胃等器官，神经系统的大脑的结构显然是最复杂的。深入到分子和细胞水平去剖析如此复杂的构造，是科学家尚未解决，在未来的一个世纪中将会面临的最大挑战。
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面对这个挑战，科学家们先后提出了几种解决方案，比如其实已经失败的第一代大脑连接组计划。科学家们在十多年前提出了这个计划，希望用电子显微镜来重构大脑，结果用了超过5年的时间才将小鼠大脑中一块体积为0.013立方毫米的区域搞明白。这显然是一个不可能完成的任务。
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脑中神经元之间的连接就像一座大城市里的千千万万条大街小巷，因此研究神经元间连接的工程非常浩大，很了不起。但这仍然不够。要弄清大脑的结构，还需要搞明白不同细胞的性质和连接的关系。因此，剖析大脑结构的这整个工程就像是需要搞清楚这座大城市的每幢建筑物里有多少住户，每个住户会跟哪些住户经常交往，以及每幢建筑物是做什么用途的等一系列问题一样。如果将小鼠的大脑和人类社会的大城市做一个类比，你就能体会到认识大脑——哪怕是小鼠的大脑——的难度究竟有多大了。大城市上海有2600万人口，而小鼠大脑中的神经元多达7000万个！目前最全面的小鼠神经元连接图谱也仅仅重建了不到2000个小鼠神经元的连接。这就相当于一群科学家去一个陌生的大城市探险，在经过数年努力后只搞明白了一两幢建筑物里的住户情况。
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