1700673280
1700673281
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。
1700673282
1700673283
《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。
1700673284
1700673285
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。
1700673286
1700673287
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？
1700673288
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。
1700673290
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）。
1700673292
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。
1700673294
1700673295
二、未来脑科学的挑战：结构和功能
1700673296
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。
1700673298
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。
1700673300
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。
1700673302
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。
1700673304
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。
1700673306
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。
1700673308
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。
1700673310
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。
1700673312
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。
1700673314
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。
1700673316
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！
1700673318
1700673319
仇子龙
1700673320
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
1700673322
1700673323
1700673324
1700673325
1700673326
1700673327
大脑传
1700673328
1700673329
人脑的关键脑区