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1700673289 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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1700673291 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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1700673293 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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1700673295 二、未来脑科学的挑战:结构和功能
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1700673297 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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1700673299 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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1700673301 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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1700673303 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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1700673305 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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1700673307 面对这类似愚公移山的任务,科学家们接下来该怎么办?继续一幢建筑物接着一幢地勘察?还是先想出一个更聪明的工作计划?在这里,我显然没法给出一个明确的方案。在我们身处的21世纪,人工智能、量子计算,或者其他什么先进的研究技术可以助力脑科学研究,攻克大脑的奥秘?目前还没有人能给出一个满意的答案。
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1700673309 脑研究面临的另一个挑战是解析大脑的工作原理。大脑的结构虽然极其复杂,但剖析脑的结构毕竟还只是一个工程问题,哪怕可能要花上人类几百年的时间,至少看上去还是能实现的。科学家们面临的真正严峻考验,是搞清楚大脑的工作原理具体是怎么样的。比如,前文中提到过的那些重要问题:记忆是如何产生并存储的?人类的意识与其他动物有何不同,让人类具有人之为人的独特性?此外,人类的复杂行为甚至精神状态是如何被控制的?更别说目前让医生和科学家都束手无策的众多脑疾病——阿尔茨海默病、精神分裂症、自闭症等等——的具体机制了。
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1700673311 我相信真正革命性的脑科学发现必然需要研究数据的大量积累。从牛顿物理学到爱因斯坦的相对论历经了两百多年的积累,脑科学作为自然科学里最年轻的分支之一,在下一个革命性发现到来之前,必然需要在从基因到细胞,再到神经元间的连接等不同层面上建立起扎实的知识积累。
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1700673313 通过脑科学当下一个非常热门的应用领域——脑机接口,我们已经能够看到解析大脑控制运动的细胞机理,结合最新的电子技术与材料科学,有可能怎样拓展大脑的疆界,从而让瘫痪的病人支配肢体重新站起来,甚至可能读取大脑的奥秘,实现科幻电影中上传意识与记忆的场景。
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1700673315 大脑让人类成为万物之灵,而人类对大脑的深层次认识才刚刚开始。在科幻小说《三体》中,当人类面对更高级文明的威胁时,他们选择了将一个人类的大脑作为使节送给三体人,而恰恰是这个人类大脑窥探到了三体人文明的秘密。当我读到书中的这一段时,不禁为大脑的神奇感到震撼。
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1700673317 数千年来,大脑这个“已知宇宙中最复杂的物体”吸引了人类历史上最聪颖的头脑去破解它的奥秘。《大脑传》详实地记录了这些曲折的探索历程。相信一百年后的《大脑传》必将记录当今的无数科学家是怎样不畏艰险,探索大脑的奥秘的。向着未来,让我们出发!
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1700673319 仇子龙
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1700673321 中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心高级研究员
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1700673327 大脑传
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1700673329 人脑的关键脑区
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1700673334 大脑传 [:1700672979]
1700673335 大脑传 绪论
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1700673337 1665年,一小群思想家在法国巴黎南部郊区的伊西齐聚一堂。丹麦解剖学家尼古拉斯·斯丹诺向他们做了一次演讲。这次非正式会谈是催生法国科学院的原因之一,现代对脑[1] 的认知方式也是从这一刻开始的。斯丹诺在他的演讲中大胆地指出,如果我们想要理解脑的功能以及脑的运作方式,而不单单是描述其组成部分,那么我们就应该将脑视为一台机器,并拆解开来观察其如何运转。
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