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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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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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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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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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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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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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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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仇子龙
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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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大脑传
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人脑的关键脑区
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大脑传 绪论
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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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这是一个革命性的理念。在此后的350多年里，我们研究脑的方式一直都遵循着斯丹诺的建议：窥探死亡的脑组织；切下活脑的一小块并加以研究；记录神经细胞（神经元）的电活动；甚至在最近，通过改变神经元的功能来诱发惊人的结果。尽管大多数神经科学家从未听说过斯丹诺这个人，但他的远见卓识深刻地影响了其后几个世纪的脑科学研究，并且是我们对脑这个非凡器官的认知能够取得显著进步的根源所在。
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现在，我们可以使一只小鼠记住它从未嗅过的气味，使健忘的小鼠获得良好的记忆力，甚至可以使用电流改变人类感知人脸信息的能力。我们也正在越来越详尽地描绘出人类和其他生物复杂的脑功能图谱。我们可以随意改变一些物种特有的脑部结构，进而改变其行为。我们还能使一个瘫痪的人通过意识控制机械臂，这体现了我们对脑日益深入的理解所能带来的深远影响。
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但我们也并非无所不能。至少在目前，我们无法在人脑中人为地创造精准的感官体验（致幻剂能做到这一点，不过是通过一种我们无法控制的方式），尽管我们已经可以在小鼠实验中进行这种精准的操作。在最近的一组实验中，两个科学家团队训练小鼠在看到一组线条后舔食瓶子中的水，并用仪器记录下小鼠脑中视觉中枢的少量细胞对这些图像的反应。这些研究者随后使用复杂的光遗传学技术，在小鼠相关的脑细胞中人为地重现了这种神经元活动的模式[2] 。这时，尽管小鼠处于完全黑暗的环境中，它们却表现得仿佛看到了这些线条一样。对于这种现象，一种解释是对于小鼠而言，这种神经元活动的模式与“看见”在本质上是相同的。我们需要更多巧妙的实验来验证这种猜想，但现在，对于神经元网络的活动模式是如何创生出知觉的这个问题，我们距离答案已经不远了。
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本书讲述了几个世纪以来有关脑的发现，向读者展示那些超凡脱俗的智者（尽管他们中的一部分人已被世人遗忘）是如何发现脑是产生思想的器官并探索脑的运作机制的。本书还描述了我们在试图理解脑的功能时所取得的一些非凡发现。这些深刻的见解源自一些设计巧妙的实验，这些实验天才般的设计本身就令人惊叹。
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但这个令人惊叹的发现过程中存在一个明显的缺陷，而许多声称解释了脑如何运作的书籍都鲜少承认这个缺陷。尽管我们对脑已经有了相当程度的基本认知，但对于数十亿个、数百万个、数千个甚至仅仅数十个神经元是如何协同工作，从而产生脑活动的，我们仍然没有清楚的认识。
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对于脑是如何工作的，我们已经有了一些宽泛的了解：脑与世界互动，然后和我们身体的其余部分一起，用先天和后天形成的神经网络来表征有关外界刺激的信息。脑会预测这些信息可能发生何种变化，以便准备随时做出反应。作为身体的一部分，脑还负责组织各项身体活动。这一切都靠神经元及其复杂的相互连接以及浸淫神经元的化学信号共同完成。事实上，在你的脑中并不存在一个超脱于肉体的人在注视着这些活动，无论这与你内心深处的感受多么背道而驰。脑中只有神经元、神经元之间的连接以及在这些神经网络间传递的化学物质。