脑科学

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　　脑科学有狭义和广义之分。狭义的脑科学一般指神经科学，是为了了解神经系统内分子水平、细胞水平、细胞间的变化过程，以及这些过程在中枢功能控制系统内的综合作用而进行的研究，主要包括神经发生、神经解剖学、神经生理学、神经通讯与生物物理学、神经化学与神经内分泌学、神经药理学、记忆与行为、知觉和神经障碍等九个领域。

　　广义的脑科学是研究脑结构和脑功能的科学，主要包括脑形态及结构、脑部分区及功能、脑细胞及工作原理、脑神经与网络系统、脑的进化与发育等领域的研究，以及对脑生理机能的研究，如脑是如何产生感觉、意识、动机和情绪的，如何学习和记忆的，如何传递信息的，如何控制行为的，如何进行自我修复和功能代偿的。总的来说，广义脑科学是从生物脑的角度探究大脑的物理构成、生物机理和工作机能，是一个认识脑的过程。

　　脑科学的研究范围不仅仅局限于认识脑，如绘制人脑发育图谱、探究嗅觉工作机理等，还包括如何更好地保护脑、开发脑、创造脑。保护脑主要包括促进脑发育、预防脑损伤、治疗脑疾病、延缓脑衰老等方面；开发脑是指开发脑的未知功能、提高脑的运用效率，以及通过类脑研究，模拟脑的功能和工作原理，尤其是模拟人脑的信息处理机制；创造脑是指通过构建大脑仿真系统，开发脑型计算机，打造以数值计算为基础的虚拟超级大脑。

　　目前，以新一代脑科学研究为核心，以类脑智能研究、神经性疾病与治疗、脑科学技术与方法、脑科学信息与服务为中间层，以大脑控制、脑机接口、大脑模拟、人工智能、新药研发、脑控仿生科技、新型教育教学等为应用层的脑科学发展图谱业已形成，并呈现出三大特征6：一是神经科学与计算机、微电子、化学、材料、工程学、物理、数学等学科的交叉融合为脑科学的突破提供了契机；二是人造大脑成为主要研究目标，包括以模仿计算为主的虚拟超级脑，以及虚拟大脑与生物大脑一体化的融合超级脑两个研究方向；三是利用信息技术认识脑、了解脑、开发脑、模拟脑、创造脑、融合脑。

　　脑科学的发展历程可划分为混沌阶段、萌芽阶段、开拓阶段、大发展阶段。

　　1. 混沌阶段（16 世纪之前）

　　早在古希腊时期，著名医生阿尔克迈翁（Alcmaeon）发现眼睛后部与大脑相连，从而发现了视神经，但其对脑的认识仍以主观想象为主。另一位医生希波克拉底认为，人的情绪和感觉均源自于脑，大脑是人类神智的载体。与希波克拉底相反，亚里士多德则认为神智在心而不在脑。此后，关于神智、灵魂、精神及元气的争论长达数世纪之久，人们对脑的认知一直停留在感性层面。

　　2. 萌芽阶段（16 世纪初至 19 世纪初）

　　文艺复兴时期，达·芬奇（L.da Vinci，1452~1519）通过人体解剖绘制出了大脑的 4 个脑室。1543 年，维萨留斯（A.Vesalius，1514~1564）编著出版的《人体构造》对脑室进行了完整的描述。1664 年，英国医师托马斯·威利斯（Thomas Willis，1621~1675）出版《脑的解剖学，兼述神经及其功能》，其中插图与现在神经解剖学教科书上的解剖结构图基本相同。

　　进入 18 世纪，生理学研究方法被应用到脑科学研究中。脑的兴奋性与肌肉反应之间的关系、信息传递工作原理成为研究热点。但在蒙昧、迷信的时代环境下，人们对脑的研究主要还是以零散的、偶然的发现为主，主动的、有意识的脑科学研究异常艰难，科学成果自然也寥若晨星。

　　3. 开拓阶段（19 世纪初至 20 世纪 60 年代）

　　19 世纪，脑科学进入快速发展阶段，取得了一系列开拓性成就，如生物电的发现、神经元学说的创立、脑功能的定位、神经网络学说的创立等。

　　20 世纪前后，人们对脑功能的研究取得突破性进展，尤其是乙酰胆碱的发现，加快了脑信息传递机理研究的进程。英国分子生物学家查尔斯·斯科特·谢灵顿（Charles Scott Sherrington）将神经元之间的结构命名为“突触”，认为突触是神经元之间信息沟通的“桥梁”。随后，约翰·艾克尔斯（John Eccle）与理查德·克里德（Richard Stephen Creed）证实了抑制性突触的存在。

　　20 世纪 50 年代至 60 年代，科学家发现大脑皮层内和皮层下的边缘系统，组成了一个复杂的神经网络，来控制情绪的生成和表达，以及情绪记忆的形成、存贮和提取，从而建立起了相对完整的脑功能图谱。

　　4. 大发展阶段（20 世纪 60 年代至今）

　　20 世纪 60 年代，脑科学正式成为一门独立学科，其研究范围几乎涉及到生命科学的所有领域。例如，1961 年，贝克西（Békésy, Georg von）因发现耳蜗内部刺激的物理机制而获得诺贝尔生理学或医学奖；1970 年和 1977 年的诺贝尔生理学或医学奖分别颁给了脑信息传递功能与情绪产生机理的发现者和研究者，他们发现神经元之间并不直接接触，而是以电脉冲的方式进行信息传递。

　　20 世纪 80 年代至 90 年代，脑科学在微观领域的细胞分子学研究、宏观领域的大脑皮层功能研究成就卓然。1981 年，美国科学家斯佩里（Roger W.Sperry）因证明大脑左右两半球的功能存在显著差异而获得诺贝尔生理学或医学奖；1986 年，意大利科学家利瓦伊·蒙塔尔奇尼（Rita Levi Montalcini）因发现神经生长因子而获得诺贝尔生理学或医学奖；1991 年，德国科学家内尔（ErwinNeher）因发现细胞内离子通道、发明膜片钳技术而获得诺贝尔生理学或医学奖，其在神经突触传递和可塑性领域也非常权威。

　　此外，脑科学在视觉、听觉、嗅觉、脑损伤等方面的研究，以及在学习、记忆、语言、睡眠、觉醒等高级功能方面的研究，也取得较大进展。其中，瑞典科学家维瑟尔（Torsten N.Wiese）与美国科学家休伯尔（David H.Hubel）因阐明视觉系统形成的机理而共同获得 1981 年的诺贝尔生理学或医学奖。

　　进入 21 世纪，脑科学研究呈现百花齐放、百家争鸣的局面。科学家们不但揭开了五觉（视觉、嗅觉、味觉、听觉、感觉）的工作原理、脑信息传递和优化处理的机制，揭示出精神疾病（如抑郁症、帕金森症、癫痫等）的产生机理，还成功绘制出大脑的动态发育蓝图，破译了人类大脑的两个组织轴，以及脑神经元网络结构适应环境的动态机制等。

　　如今，随着基因技术、遗传学技术、光学技术、电信号检测技术、超高分辨显微成像技术、工程学技术、纳米技术等新兴技术逐渐应用于脑科学领域，生物解剖学、电生理学、生物化学、分子生物学、脑成像学已成为脑科学的主要研究方法。这些研究方法极大拓展了脑科学研究的疆界，也将脑科学研究热潮推向了前所未有的高度。

　　人类对大脑的科学认识是由解剖学开始的。古希腊著名医生阿尔克迈翁（Alcmaeon）通过解剖发现眼部后方与大脑相连，随后得出“感觉器官把感觉送往大脑，通过思考的过程，我们就在那里解释它们并从中得出概念”的结论。尽管他已经发现了视神经，但无法解释感觉是如何送往大脑的，对大脑的工作原理也是一无所知。随后，古希腊著名医生劳迪亚斯·盖伦（Claudius Galenus，129～199）通过解剖发现了脊髓，认识到神经起源于脊髓，发现肌肉运动是由脑和脊髓的神经运动控制的。解剖学在脑科学研究中最具标志性的事件是比利时学者安德列斯·维萨留斯（Andreas Vesalius，1514~1564）于 1543 年出版了《人体结构》一书，书中详细绘制出了脑室7。

　　17 世纪，英国医师托马斯·威利斯（Thomas Willis，1621~1675）出版《脑的解剖学，兼述神经及其功能》一书，对神经系统做了完整、精确的描述。此后不久，法国解剖学家维克达居尔等人通过实验观察，画出了脑的解剖轮廓。

　　19 世纪，对大脑大规模的解剖研究已成为常态。1861 年，法国外科医生保尔·布罗卡通过尸检证明了大脑左前叶受损即丧失语言能力，从而发现大脑语言中枢。1874 年，德国的神经学者卡尔·威尔尼尔（Carl Wernicke，1848~1905）发现语言理解能力干扰区与语言听觉区。

　　此后，大多数脑科学研究都是建立在生物解剖学的基础上，综合运用多种研究工具和方法开展研究。

　　电生理学在脑科学研究中的应用最早可追溯到 1870 年。这一年，古斯塔夫·弗里茨希（Gustav Fritsch，1838-1927）和埃多乌阿尔德·希茨希（Eduard Hitzig，1838~1907）发表了一篇具有里程碑意义的论文——《论大脑的电兴奋性》，他们用电流刺激狗的大脑，通过实验观察证明用电刺激大脑皮层可以产生“对侧脑半球”的肢体运动。

　　1875年，英国生理学家理查德·卡顿（Richard Caton，1842~1926）从兔脑和猴脑的皮层中记录到微弱的电流。这是科学家第一次直接从活体动物的大脑皮层记录下电脉冲。

　　1925年，澳大利亚生理学家约翰·艾克尔斯（John Carew Eccles，1903~1997）把微电极插入猫的脊髓前角细胞内记录电活动，证实了抑制性突触的存在，揭开神经细胞之间信息传递的秘密。随后，英国生理学家霍奇金（A.L.Hodgkin）与赫胥黎（A.F.Huxley）将微电子技术应用于脑科学研究，完整地探明神经细胞轴突质膜表面发生的电兴奋，共同证明了神经冲动的本质是神经纤维表面细胞膜的膜电位快速倒转，即动作电位。

　　1929年，德国精神病学家汉斯·贝格尔（Hans Berger，1873~1941）首次展示了人类脑电图（EEG）。

　　1938年，英国生理学家伯纳德·卡茨（Bernard Katz）认为单根神经末梢自发释放出单个囊泡中的乙酰胆碱，可以引起一个极微小的终板电位，当神经冲动到来时，许多神经末梢同时释放出大量乙酰胆碱，可引起终板电位。这些研究为神经末梢的量子式释放理论打下了基础。

　　1952年，英国生理学家霍金奇（Alan Lloyd Hodgkin）和赫肯黎（AndrewFielding Huxley）利用电压钳技术观察神经纤维上的电脉冲，阐明了神经脉冲产生和传播的基本规律，为彻底揭开脑信号处理机制的秘密打下了基础。

　　此后，电生理学逐渐与新方法相结合，在脑成像、大脑动态图谱绘制等研究中发挥着越发重要的作用，成为脑科学最重要的研究方法之一。

　　生理学在 17 世纪初期成为一门独立的科学，直到 18 世纪初期才被应用于脑科学研究领域。例如，1757 年，瑞士生理学家阿尔勃莱希特·冯·哈勒（Albrechtvon Haller，1708~1777）撰写的《人体生理学原理》中指出，感受性是神经的特性，因为它们在脑髓中有一个共同的回合点。

　　光学显微镜发明以后，在综合运用解剖学、生理学及生物化学研究方法的基础上，人们第一次观察到了神经元细胞。1873 年，米洛·高尔基（Camillo Golgi，1844~1926）在光学显微镜下观察一块偶然放进硝酸银溶液中浸泡了几个星期的脑切片时，清晰地看到网状结节中悬浮着黑色斑点，这便是脑组织最基本的构成单元——神经元细胞。随后，西班牙神经解剖学家圣地亚哥·拉蒙·卡哈尔（Santiago Ramóny Cajal，1852~1934）证实了“神经元是整个神经活动的最基本单位”这一论断。

　　1897年，英国生理学家查尔斯·斯科特·谢灵顿（Charles Scott Sherrington，1857~1952）观察到了神经元之间的接触部位，并命名为“突触”，信息传递的关键部位被发现。

　　1914年，英国生理学家亨利·哈利特·戴尔（Henry Hallett Dale，1875~1968），发现了神经系统中的化学传递物质，特别是神经末端可释放乙酰胆碱，并从制备的生物材料中分离出乙酰胆碱。

　　19 世纪末，反射实验方法成为生理学最主要的研究方法之一，被大量应用于脑科学研究中，而生物化学则逐渐在脑科学研究的微观领域——细胞分子学中大放异彩。

　　细胞分子学主要研究神经元细胞的形态和功能，以及神经细胞的生物构成及作用。在神经元细胞的形态和功能性研究方面，主要运用神经化学的研究方法，通过观察并记录分子活动，证实了神经元是由细胞体、树突和轴突组成的。其中，细胞体是神经元的代谢活动中心，树突是神经元信号传入的主要部位，轴突是神经元信号传出的主要部位，突触是实现神经元间或神经元与效应器间信息传递的部位。

　　在神经细胞的生物构成及作用研究方面，1970 年，美国生物化学家朱利叶斯·阿克塞尔罗德（Julius Axelrod）在奥塞勒发现去甲肾上腺素的基础上，分离出能灭活去甲肾上腺素的酶，为新型抗抑郁药物的研发做出了巨大贡献。

　　1977 年，美国医学物理学家罗歇·吉耶曼（Roger Charles Louis Guillemin）、安德鲁·沙利（Andrew V. Schally）和罗莎琳·萨斯曼·耶洛（Rosalyn Sussman Yalow）因发现了大脑分泌的肽类激素，并开发出肽类激素的放射免疫分析法，而获得诺贝尔生理学或医学奖。

　　但脑科学在细胞分子学领域的突飞猛进是在 20 世纪末期，这得益于激光显微镜、现代神经化学、药理学等研究方法的进步。1991 年，德国科学家内尔（Erwin Neher）发明了膜片钳技术。该技术主要用于记录单个或多个离子通道的电流，以此来研究神经元细胞的功能。

　　这也是当今在神经元细胞研究领域最常用的一种方法，尤其是在突触的信号传递研究方面，可以通过突触前剌激，记录引起突触后神经元的反应，结合药理学方法，调控所记录细胞的内外液成分，准确而有效地进行突触传递功能的分析。

　　2000 年，科学家发现了人类脑神经细胞间信号传递的介质“多巴胺”及神经系统中的信号传导原理，使人们认识到帕金森症和精神分裂症的起因是由于病人脑部缺乏多巴胺，并据此可以为研制新型靶向治疗药物提供新的途径。

　　2014 年，三位欧洲科学家因发现了构成大脑定位系统的细胞而获得诺贝尔生理学或医学奖。

　　由此可见，近代以来细胞分子学的突飞猛进，不但翻开了脑科学研究进程中最光辉灿烂的一页，也为攻克困扰人类已久的脑疾病和精神疾病提供了可能。

　　早期的脑成像研究方法主要是通过光学显微技术结合化学染色来检测和观察脑的形态与功能。尤其是荧光染料、荧光蛋白和荧光显微成像技术的出现，使脑科学研究在细胞和分子水平上迈上了一个新台阶。

　　20 世纪 80 年代，在荧光显微成像技术的基础上，激光共聚焦及双光子激光扫描显微镜成像技术开始应用到脑科学研究中来，实现了对活体大脑深层组织的高分辨率动态观察。

　　20 世纪 90 年代初，功能性磁共振成像技术诞生并被广泛应用于神经科学领域。该技术可以帮助科学家们在不用外加造影剂的情况下，依据大脑工作时的血氧依赖性，无损伤地对活体大脑的神经元活动区域进行成像，从而成为活体无创性脑成像研究的重要手段。功能性磁共振成像技术加深了人们对脑感知等初级脑功能的认识，并为运动、学习、记忆等高级脑功能的深入研究提供了强有力的工具。

　　同期诞生的脑磁图技术是一种无创伤探测大脑电磁生理信号的检测方法，集低温超导、生物工程、电子工程、医学工程等技术于一体，使人们研究大脑功能、治疗脑部疾病的能力达到了前所未有的高度。因神经元的活动是以电活动的形式体现的，同时也伴随着局部电场和磁场的改变，这就为在头皮检测和记录脑电与脑磁信号提供了条件，也为脑机接口技术的研发和应用提供了可能。

　　随后，在脑磁图技术的基础上，穿颅磁刺激技术在脑科学研究的实验模拟中应用开来。该技术通过多个电容同时放电，电流流过被试者头皮上的线圈使感应磁场进入头皮和颅内，干扰特定的皮质功能。脑磁图技术虽然不会给被试者带来伤害，但社会上依然对此心存疑虑。

　　总体而言，光学显微成像、功能性磁共振成像和脑磁图技术仍具有一定的局限性。它们对脑结构的功能定位是很有效的，但对更为复杂的交互功能却作用有限。要想探究复杂脑功能的奥秘，就需要相关技术手段的发展和创新了。

　　脑机接口是指在人或动物大脑与外部设备之间创建的直接连接，从而实现脑与设备的信息交换。脑机接口技术主要应用于人机交互、革命性假肢（神经控制假肢）、神经预测与新兴疗法、恢复主动记忆和 RAM 重播、神经工程系统设计、下一代非侵入性神经技术等领域。

　　在人机交互领域，主要应用包括语音交互、智能操控、真人与虚拟影像互动等。神经科学家菲尔·肯尼迪（Phil Kennedy）曾研发“侵入式”脑机接口，让一位严重瘫痪的病人用大脑控制电脑光标以打字“发声”，通过回答“是”或“否”实现人机交流沟通。

　　在革命性假肢（神经控制假肢）领域，美国国防部高级研究计划署（DARPA） “革命性假肢”计划已经改造多款世界上最先进的假肢。这些假肢可以通过线路对手指和脚趾的动作产生反应。下一步，这些假肢将会与佩戴者的神经系统整合在一起，完全能够对各种神经信号作出反应。

　　在神经预测与新兴疗法领域，研究人员把个体大脑信息与其他数据融合，进行大数据分析，并实现个性化的神经预测，主要包括智力测验、认知障碍分析、脑疾病诊断等，甚至包括犯罪倾向预测等。通过对眼窝前额皮质进行开环的神经刺激，来调节与抑郁相关的大脑子网，从而缓解中度和重度抑郁。

　　在恢复主动记忆和RAM 重播领域，主要是开发和测试用于人类临床的无线、完全可植入的闭环神经接口系统。该接口能够感知由损伤引起的记忆缺陷，并提供针对性的神经刺激以恢复正常的记忆功能，从而帮助因疾病或创伤导致记忆力减退的患者恢复记忆。

　　在神经工程系统设计领域，通过开发一款可植入的神经接口，能够在大脑和计算机之间建立超过 100 万个神经元级别的双向通信系统，并提供空前的信号分辨率和数据传输带宽。在下一代非侵入性神经技术领域，通过开发新一代的高分辨率非侵入式双向脑机接口，可同时写入和读取多个脑位点的信息，提高士兵与武器装备的高水平交互能力，以及士兵的超级认知、快速决策和脑控武器装备等超脑和脑控能力。

　　仿生学就是在工程上实现并有效地应用生物功能的一门学科，例如信息接受（感觉功能）、信息传递（神经功能）、自动控制系统等。仿生学与神经科学交叉融合，诞生了许多新兴科研领域和科技成果，如疏通血栓的微型机器人即将进入临床应用，能够杀死癌细胞的微型机器人也已研发成功等。

　　脑科学与类脑科学（智能）是人工智能发展的基础。目前，全球人工智能研究正向机器智能进化，但仍有很多技术难题需要克服，如机器人还不够灵活，仿真模拟仍没有达到人类那样的协调性和灵活性，还需要大规模的高质量数据样本进行更加精确的计算。人工智能仍缺乏高级认知能力和深度学习能力，尤其在可解释性、推理、举一反三等方面，与人脑的学习能力相比还有巨大的差距。现有算法与期望结果之间的差距，迫切需要对脑科学进行更加深入和精准的研究。

　　目前，包括各种神经类和精神类疾病在内的脑相关疾病，已经超过心血管病和癌症成为人类健康最大的威胁。例如，婴幼儿脑发育障碍所导致的癫痫、中风、自闭症，青壮年人群中的抑郁症、躁狂症，老年人神经退行性疾病，颅脑创伤后的应激综合征、植物人状态、神经损伤修复等。

　　脑科学的快速发展，为科学家研制新的治疗药物和治疗策略提供了可能。例 如，依据抑郁症病理机制，研发出抗抑郁有效药物——谷氨酸受体（NMDAR）抑制剂氯胺酮；通过靶向大脑中的小胶质细胞，实现神经保护和再生，帮助修复和减轻因脑损伤引起的认知缺陷；通过运动诱导 AHN、提高脑源性神经营养因子（BDNF）水平，可以预防阿尔茨海默病；使用神经营养因子或结合辅助药物治疗帕金森病。

　　脑科学领域的大脑神经突触生长呈倒 U 状模型学说、智力可塑性学说、多元智能理论和“情感智力”理论等，激发了人们对传统教育的反思。一方面，脑科学的发展推动着教育观、教育方式和教育体系的转变12。

　　教学过程就是学生脑智力开发的过程。教育必须适应学生身心特点和规律，教学活动必须根据青少年智力发展情况来开展。科学地进行早期教育和学校教育，才能更好地促进学生脑发育，达到更好的教学效果。另一方面，脑科学的研究成果也推动着教育评价体系的转变。

　　不同类型的脑智能是学生个性化发展的基础，不能用单一的标准对学生进行评价。新型教育评价方式和评价体系的创建，既有助于学生素质的全面发展，又能使学生的特长得到充分挖掘和发展，并使学生保持良好的心态和进取精神，最大限度地预防、减少和精准干预学生的心理障碍和心理疾病。

　　脑科学在军事领域的应用直接关系到国家安全。其在军事领域的应用主要包括四个方面13：研制类脑军用机器人，以提升军事实力，并有效降低军事投入中的人员损耗；研发脑控武器装备，以更加智能的方式操控武器；云控制敌方大脑，扰乱敌方大脑功能，甚至反指导敌方的军事行动；开发军事智联网和脑联网，通过脑机接口技术实现大脑与外界的信息交流和控制，开启人机、人人、物物、人物互通有无的智联时代。

　　美国国防部在以杜克大学神经工程中心为代表的全美 6 个实验室中开展了“思维控制机器人”研究，美国国防部高级研究计划局（DARPA）则开展了名 为“阿凡达”的尖端军事科研项目，旨在扩展人类机能，控制进攻性武器。此外， “仿脑”技术的问世将大幅提高无人系统的智能化水平，为包括“作战云”服务、军用机器人在内的多个领域带来颠覆性变革。

　　未来，人们或可开发出基于脑联网的脑脑协同作战平台，实现战场感知、后勤保障、武器装备与指挥系统的高度优化与集成。从而使各作战环节和指挥效能得以最大限度地发挥，在瞬息万变的战场态势中捕获稍纵即逝的先机，实现出奇制胜。

• 《2021全球脑科学发展报告》.中国电子学会;众诚智库;伏羲九针智能科技.2021-6