腦科學
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腦科學有狹義和廣義之分。狹義的腦科學一般指神經科學，是為了瞭解神經系統內分子水平、細胞水平、細胞間的變化過程，以及這些過程在中樞功能控制系統內的綜合作用而進行的研究，主要包括神經發生、神經解剖學、神經生理學、神經通訊與生物物理學、神經化學與神經內分泌學、神經藥理學、記憶與行為、知覺和神經障礙等九個領域。
廣義的腦科學是研究腦結構和腦功能的科學，主要包括腦形態及結構、腦部分區及功能、腦細胞及工作原理、腦神經與網路系統、腦的進化與發育等領域的研究，以及對腦生理機能的研究，如腦是如何產生感覺、意識、動機和情緒的，如何學習和記憶的，如何傳遞信息的，如何控制行為的，如何進行自我修複和功能代償的。總的來說，廣義腦科學是從生物腦的角度探究大腦的物理構成、生物機理和工作機能，是一個認識腦的過程。
腦科學的研究範圍不僅僅局限於認識腦，如繪製人腦發育圖譜、探究嗅覺工作機理等，還包括如何更好地保護腦、開發腦、創造腦。保護腦主要包括促進腦發育、預防腦損傷、治療腦疾病、延緩腦衰老等方面；開發腦是指開發腦的未知功能、提高腦的運用效率，以及通過類腦研究，模擬腦的功能和工作原理，尤其是模擬人腦的信息處理機制；創造腦是指通過構建大腦模擬系統，開發腦型電腦，打造以數值計算為基礎的虛擬超級大腦。
目前，以新一代腦科學研究為核心，以類腦智能研究、神經性疾病與治療、腦科學技術與方法、腦科學信息與服務為中間層，以大腦控制、腦機介面、大腦模擬、人工智慧、新藥研發、腦控仿生科技、新型教育教學等為應用層的腦科學發展圖譜業已形成，並呈現出三大特征6：一是神經科學與電腦、微電子、化學、材料、工程學、物理、數學等學科的交叉融合為腦科學的突破提供了契機；二是人造大腦成為主要研究目標，包括以模仿計算為主的虛擬超級腦，以及虛擬大腦與生物大腦一體化的融合超級腦兩個研究方向；三是利用信息技術認識腦、瞭解腦、開發腦、模擬腦、創造腦、融合腦。
腦科學的發展歷程可劃分為混沌階段、萌芽階段、開拓階段、大發展階段。
1. 混沌階段（16 世紀之前）
早在古希臘時期，著名醫生阿爾克邁翁（Alcmaeon）發現眼睛後部與大腦相連，從而發現了視神經，但其對腦的認識仍以主觀想象為主。另一位醫生希波克拉底認為，人的情緒和感覺均源自於腦，大腦是人類神智的載體。與希波克拉底相反，亞里士多德則認為神智在心而不在腦。此後，關於神智、靈魂、精神及元氣的爭論長達數世紀之久，人們對腦的認知一直停留在感性層面。
2. 萌芽階段（16 世紀初至 19 世紀初）
文藝復興時期，達·芬奇（L.da Vinci，1452~1519）通過人體解剖繪製出了大腦的 4 個腦室。1543 年，維薩留斯（A.Vesalius，1514~1564）編著出版的《人體構造》對腦室進行了完整的描述。1664 年，英國醫師托馬斯·威利斯（Thomas Willis，1621~1675）出版《腦的解剖學，兼述神經及其功能》，其中插圖與現在神經解剖學教科書上的解剖結構圖基本相同。
進入 18 世紀，生理學研究方法被應用到腦科學研究中。腦的興奮性與肌肉反應之間的關係、信息傳遞工作原理成為研究熱點。但在蒙昧、迷信的時代環境下，人們對腦的研究主要還是以零散的、偶然的發現為主，主動的、有意識的腦科學研究異常艱難，科學成果自然也寥若晨星。
3. 開拓階段（19 世紀初至 20 世紀 60 年代）
19 世紀，腦科學進入快速發展階段，取得了一系列開拓性成就，如生物電的發現、神經元學說的創立、腦功能的定位、神經網路學說的創立等。
20 世紀前後，人們對腦功能的研究取得突破性進展，尤其是乙酰膽鹼的發現，加快了腦信息傳遞機理研究的進程。英國分子生物學家查爾斯·斯科特·謝靈頓（Charles Scott Sherrington）將神經元之間的結構命名為“突觸”，認為突觸是神經元之間信息溝通的“橋梁”。隨後，約翰·艾克爾斯（John Eccle）與理查德·克裡德（Richard Stephen Creed）證實了抑制性突觸的存在。
20 世紀 50 年代至 60 年代，科學家發現大腦皮層內和皮層下的邊緣系統，組成了一個複雜的神經網路，來控制情緒的生成和表達，以及情緒記憶的形成、存貯和提取，從而建立起了相對完整的腦功能圖譜。
4. 大發展階段（20 世紀 60 年代至今）
20 世紀 60 年代，腦科學正式成為一門獨立學科，其研究範圍幾乎涉及到生命科學的所有領域。例如，1961 年，貝克西（Békésy, Georg von）因發現耳蝸內部刺激的物理機制而獲得諾貝爾生理學或醫學獎；1970 年和 1977 年的諾貝爾生理學或醫學獎分別頒給了腦信息傳遞功能與情緒產生機理的發現者和研究者，他們發現神經元之間並不直接接觸，而是以電脈衝的方式進行信息傳遞。
20 世紀 80 年代至 90 年代，腦科學在微觀領域的細胞分子學研究、巨集觀領域的大腦皮層功能研究成就卓然。1981 年，美國科學家斯佩里（Roger W.Sperry）因證明大腦左右兩半球的功能存在顯著差異而獲得諾貝爾生理學或醫學獎；1986 年，義大利科學家利瓦伊·蒙塔爾奇尼（Rita Levi Montalcini）因發現神經生長因數而獲得諾貝爾生理學或醫學獎；1991 年，德國科學家內爾（ErwinNeher）因發現細胞內離子通道、發明膜片鉗技術而獲得諾貝爾生理學或醫學獎，其在神經突觸傳遞和可塑性領域也非常權威。
此外，腦科學在視覺、聽覺、嗅覺、腦損傷等方面的研究，以及在學習、記憶、語言、睡眠、覺醒等高級功能方面的研究，也取得較大進展。其中，瑞典科學家維瑟爾（Torsten N.Wiese）與美國科學家休伯爾（David H.Hubel）因闡明視覺系統形成的機理而共同獲得 1981 年的諾貝爾生理學或醫學獎。
進入 21 世紀，腦科學研究呈現百花齊放、百家爭鳴的局面。科學家們不但揭開了五覺（視覺、嗅覺、味覺、聽覺、感覺）的工作原理、腦信息傳遞和優化處理的機制，揭示出精神疾病（如抑鬱症、帕金森症、癲癇等）的產生機理，還成功繪製出大腦的動態發育藍圖，破譯了人類大腦的兩個組織軸，以及腦神經元網路結構適應環境的動態機制等。
如今，隨著基因技術、遺傳學技術、光學技術、電信號檢測技術、超高分辨顯微成像技術、工程學技術、納米技術等新興技術逐漸應用於腦科學領域，生物解剖學、電生理學、生物化學、分子生物學、腦成像學已成為腦科學的主要研究方法。這些研究方法極大拓展了腦科學研究的疆界，也將腦科學研究熱潮推向了前所未有的高度。
人類對大腦的科學認識是由解剖學開始的。古希臘著名醫生阿爾克邁翁（Alcmaeon）通過解剖發現眼部後方與大腦相連，隨後得出“感覺器官把感覺送往大腦，通過思考的過程，我們就在那裡解釋它們並從中得出概念”的結論。儘管他已經發現了視神經，但無法解釋感覺是如何送往大腦的，對大腦的工作原理也是一無所知。隨後，古希臘著名醫生勞迪亞斯·蓋倫（Claudius Galenus，129～199）通過解剖發現了脊髓，認識到神經起源於脊髓，發現肌肉運動是由腦和脊髓的神經運動控制的。解剖學在腦科學研究中最具標誌性的事件是比利時學者安德列斯·維薩留斯（Andreas Vesalius，1514~1564）於 1543 年出版了《人體結構》一書，書中詳細繪製出了腦室7。
17 世紀，英國醫師托馬斯·威利斯（Thomas Willis，1621~1675）出版《腦的解剖學，兼述神經及其功能》一書，對神經系統做了完整、精確的描述。此後不久，法國解剖學家維克達居爾等人通過實驗觀察，畫出了腦的解剖輪廓。
19 世紀，對大腦大規模的解剖研究已成為常態。1861 年，法國外科醫生保爾·布羅卡通過屍檢證明瞭大腦左前葉受損即喪失語言能力，從而發現大腦語言中樞。1874 年，德國的神經學者卡爾·威爾尼爾（Carl Wernicke，1848~1905）發現語言理解能力干擾區與語言聽覺區。
此後，大多數腦科學研究都是建立在生物解剖學的基礎上，綜合運用多種研究工具和方法開展研究。
電生理學在腦科學研究中的應用最早可追溯到 1870 年。這一年，古斯塔夫·弗里茨希（Gustav Fritsch，1838-1927）和埃多烏阿爾德·希茨希（Eduard Hitzig，1838~1907）發表了一篇具有里程碑意義的論文——《論大腦的電興奮性》，他們用電流刺激狗的大腦，通過實驗觀察證明用電刺激大腦皮層可以產生“對側腦半球”的肢体運動。
1875年，英國生理學家理查德·卡頓（Richard Caton，1842~1926）從兔腦和猴腦的皮層中記錄到微弱的電流。這是科學家第一次直接從活體動物的大腦皮層記錄下電脈衝。
1925年，澳大利亞生理學家約翰·艾克爾斯（John Carew Eccles，1903~1997）把微電極插入貓的脊髓前角細胞內記錄電活動，證實了抑制性突觸的存在，揭開神經細胞之間信息傳遞的秘密。隨後，英國生理學家霍奇金（A.L.Hodgkin）與赫胥黎（A.F.Huxley）將微電子技術應用於腦科學研究，完整地探明神經細胞軸突質膜錶面發生的電興奮，共同證明瞭神經衝動的本質是神經纖維錶面細胞膜的膜電位快速倒轉，即動作電位。
1929年，德國精神病學家漢斯·貝格爾（Hans Berger，1873~1941）首次展示了人類腦電圖（EEG）。
1938年，英國生理學家伯納德·卡茨（Bernard Katz）認為單根神經末梢自發釋放出單個囊泡中的乙酰膽鹼，可以引起一個極微小的終板電位，當神經衝動到來時，許多神經末梢同時釋放出大量乙酰膽鹼，可引起終板電位。這些研究為神經末梢的量子式釋放理論打下了基礎。
1952年，英國生理學家霍金奇（Alan Lloyd Hodgkin）和赫肯黎（AndrewFielding Huxley）利用電壓鉗技術觀察神經纖維上的電脈衝，闡明瞭神經脈衝產生和傳播的基本規律，為徹底揭開腦信號處理機制的秘密打下了基礎。
此後，電生理學逐漸與新方法相結合，在腦成像、大腦動態圖譜繪製等研究中發揮著越發重要的作用，成為腦科學最重要的研究方法之一。
生理學在 17 世紀初期成為一門獨立的科學，直到 18 世紀初期才被應用於腦科學研究領域。例如，1757 年，瑞士生理學家阿爾勃萊希特·馮·哈勒（Albrechtvon Haller，1708~1777）撰寫的《人體生理學原理》中指出，感受性是神經的特性，因為它們在腦髓中有一個共同的回合點。
光學顯微鏡發明以後，在綜合運用解剖學、生理學及生物化學研究方法的基礎上，人們第一次觀察到了神經元細胞。1873 年，米洛·高爾基（Camillo Golgi，1844~1926）在光學顯微鏡下觀察一塊偶然放進硝酸銀溶液中浸泡了幾個星期的腦切片時，清晰地看到網狀結節中懸浮著黑色斑點，這便是腦組織最基本的構成單元——神經元細胞。隨後，西班牙神經解剖學家聖地亞哥·拉蒙·卡哈爾（Santiago Ramóny Cajal，1852~1934）證實了“神經元是整個神經活動的最基本單位”這一論斷。
1897年，英國生理學家查爾斯·斯科特·謝靈頓（Charles Scott Sherrington，1857~1952）觀察到了神經元之間的接觸部位，並命名為“突觸”，信息傳遞的關鍵部位被髮現。
1914年，英國生理學家亨利·哈利特·戴爾（Henry Hallett Dale，1875~1968），發現了神經系統中的化學傳遞物質，特別是神經末端可釋放乙酰膽鹼，並從製備的生物材料中分離出乙酰膽鹼。
19 世紀末，反射實驗方法成為生理學最主要的研究方法之一，被大量應用於腦科學研究中，而生物化學則逐漸在腦科學研究的微觀領域——細胞分子學中大放異彩。
細胞分子學主要研究神經元細胞的形態和功能，以及神經細胞的生物構成及作用。在神經元細胞的形態和功能性研究方面，主要運用神經化學的研究方法，通過觀察並記錄分子活動，證實了神經元是由細胞體、樹突和軸突組成的。其中，細胞體是神經元的代謝活動中心，樹突是神經元信號傳入的主要部位，軸突是神經元信號傳出的主要部位，突觸是實現神經元間或神經元與效應器間信息傳遞的部位。
在神經細胞的生物構成及作用研究方面，1970 年，美國生物化學家朱利葉斯·阿克塞爾羅德（Julius Axelrod）在奧塞勒發現去甲腎上腺素的基礎上，分離出能滅活去甲腎上腺素的酶，為新型抗抑鬱藥物的研發做出了巨大貢獻。
1977 年，美國醫學物理學家羅歇·吉耶曼（Roger Charles Louis Guillemin）、安德魯·沙利（Andrew V. Schally）和羅莎琳·薩斯曼·耶洛（Rosalyn Sussman Yalow）因發現了大腦分泌的肽類激素，並開發出肽類激素的放射免疫分析法，而獲得諾貝爾生理學或醫學獎。
但腦科學在細胞分子學領域的突飛猛進是在 20 世紀末期，這得益於激光顯微鏡、現代神經化學、藥理學等研究方法的進步。1991 年，德國科學家內爾（Erwin Neher）發明瞭膜片鉗技術。該技術主要用於記錄單個或多個離子通道的電流，以此來研究神經元細胞的功能。
這也是當今在神經元細胞研究領域最常用的一種方法，尤其是在突觸的信號傳遞研究方面，可以通過突觸前剌激，記錄引起突觸後神經元的反應，結合藥理學方法，調控所記錄細胞的內外液成分，準確而有效地進行突觸傳遞功能的分析。
2000 年，科學家發現了人類腦神經細胞間信號傳遞的介質“多巴胺”及神經系統中的信號傳導原理，使人們認識到帕金森症和精神分裂症的起因是由於病人腦部缺乏多巴胺，並據此可以為研製新型靶向治療藥物提供新的途徑。
2014 年，三位歐洲科學家因發現了構成大腦定位系統的細胞而獲得諾貝爾生理學或醫學獎。
由此可見，近代以來細胞分子學的突飛猛進，不但翻開了腦科學研究進程中最光輝燦爛的一頁，也為攻剋困擾人類已久的腦疾病和精神疾病提供了可能。
早期的腦成像研究方法主要是通過光學顯微技術結合化學染色來檢測和觀察腦的形態與功能。尤其是熒光染料、熒光蛋白和熒光顯微成像技術的出現，使腦科學研究在細胞和分子水平上邁上了一個新臺階。
20 世紀 80 年代，在熒光顯微成像技術的基礎上，激光共聚焦及雙光子激光掃描顯微鏡成像技術開始應用到腦科學研究中來，實現了對活體大腦深層組織的高解析度動態觀察。
20 世紀 90 年代初，功能性磁共振成像技術誕生並被廣泛應用於神經科學領域。該技術可以幫助科學家們在不用外加造影劑的情況下，依據大腦工作時的血氧依賴性，無損傷地對活體大腦的神經元活動區域進行成像，從而成為活體無創性腦成像研究的重要手段。功能性磁共振成像技術加深了人們對腦感知等初級腦功能的認識，併為運動、學習、記憶等高級腦功能的深入研究提供了強有力的工具。
同期誕生的腦磁圖技術是一種無創傷探測大腦電磁生理信號的檢測方法，集低溫超導、生物工程、電子工程、醫學工程等技術於一體，使人們研究大腦功能、治療腦部疾病的能力達到了前所未有的高度。因神經元的活動是以電活動的形式體現的，同時也伴隨著局部電場和磁場的改變，這就為在頭皮檢測和記錄腦電與腦磁信號提供了條件，也為腦機介面技術的研發和應用提供了可能。
隨後，在腦磁圖技術的基礎上，穿顱磁刺激技術在腦科學研究的實驗模擬中應用開來。該技術通過多個電容同時放電，電流流過被試者頭皮上的線圈使感應磁場進入頭皮和顱內，干擾特定的皮質功能。腦磁圖技術雖然不會給被試者帶來傷害，但社會上依然對此心存疑慮。
總體而言，光學顯微成像、功能性磁共振成像和腦磁圖技術仍具有一定的局限性。它們對腦結構的功能定位是很有效的，但對更為複雜的交互功能卻作用有限。要想探究複雜腦功能的奧秘，就需要相關技術手段的發展和創新了。
腦機介面是指在人或動物大腦與外部設備之間創建的直接連接，從而實現腦與設備的信息交換。腦機介面技術主要應用於人機交互、革命性假肢（神經控制假肢）、神經預測與新興療法、恢復主動記憶和 RAM 重播、神經工程系統設計、下一代非侵入性神經技術等領域。
在人機交互領域，主要應用包括語音交互、智能操控、真人與虛擬影像互動等。神經科學家菲爾·肯尼迪（Phil Kennedy）曾研發“侵入式”腦機介面，讓一位嚴重癱瘓的病人用大腦控制電腦游標以打字“發聲”，通過回答“是”或“否”實現人機交流溝通。
在革命性假肢（神經控制假肢）領域，美國國防部高級研究計劃署（DARPA） “革命性假肢”計劃已經改造多款世界上最先進的假肢。這些假肢可以通過線路對手指和腳趾的動作產生反應。下一步，這些假肢將會與佩戴者的神經系統整合在一起，完全能夠對各種神經信號作出反應。
在神經預測與新興療法領域，研究人員把個體大腦信息與其他數據融合，進行大數據分析，並實現個性化的神經預測，主要包括智力測驗、認知障礙分析、腦疾病診斷等，甚至包括犯罪傾向預測等。通過對眼窩前額皮質進行開環的神經刺激，來調節與抑鬱相關的大腦子網，從而緩解中度和重度抑鬱。
在恢復主動記憶和RAM 重播領域，主要是開發和測試用於人類臨床的無線、完全可植入的閉環神經介面系統。該介面能夠感知由損傷引起的記憶缺陷，並提供針對性的神經刺激以恢復正常的記憶功能，從而幫助因疾病或創傷導致記憶力減退的患者恢復記憶。
在神經工程系統設計領域，通過開發一款可植入的神經介面，能夠在大腦和電腦之間建立超過 100 萬個神經元級別的雙向通信系統，並提供空前的信號解析度和數據傳輸帶寬。在下一代非侵入性神經技術領域，通過開發新一代的高解析度非侵入式雙向腦機介面，可同時寫入和讀取多個腦位點的信息，提高士兵與武器裝備的高水平交互能力，以及士兵的超級認知、快速決策和腦控武器裝備等超腦和腦控能力。
仿生學就是在工程上實現並有效地應用生物功能的一門學科，例如信息接受（感覺功能）、信息傳遞（神經功能）、自動控制系統等。仿生學與神經科學交叉融合，誕生了許多新興科研領域和科技成果，如疏通血栓的微型機器人即將進入臨床應用，能夠殺死癌細胞的微型機器人也已研發成功等。
腦科學與類腦科學（智能）是人工智慧發展的基礎。目前，全球人工智慧研究正向機器智能進化，但仍有很多技術難題需要剋服，如機器人還不夠靈活，模擬模擬仍沒有達到人類那樣的協調性和靈活性，還需要大規模的高質量數據樣本進行更加精確的計算。人工智慧仍缺乏高級認知能力和深度學習能力，尤其在可解釋性、推理、舉一反三等方面，與人腦的學習能力相比還有巨大的差距。現有演算法與期望結果之間的差距，迫切需要對腦科學進行更加深入和精準的研究。
目前，包括各種神經類和精神類疾病在內的腦相關疾病，已經超過心血管病和癌症成為人類健康最大的威脅。例如，嬰幼兒腦發育障礙所導致的癲癇、中風、自閉症，青壯年人群中的抑鬱症、躁狂症，老年人神經退行性疾病，顱腦創傷後的應激綜合徵、植物人狀態、神經損傷修複等。
腦科學的快速發展，為科學家研製新的治療藥物和治療策略提供了可能。例 如，依據抑鬱症病理機制，研發出抗抑鬱有效藥物——谷氨酸受體（NMDAR）抑製劑氯胺酮；通過靶向大腦中的小膠質細胞，實現神經保護和再生，幫助修複和減輕因腦損傷引起的認知缺陷；通過運動誘導 AHN、提高腦源性神經營養因數（BDNF）水平，可以預防阿爾茨海默病；使用神經營養因數或結合輔助藥物治療帕金森病。
腦科學領域的大腦神經突觸生長呈倒 U 狀模型學說、智力可塑性學說、多元智能理論和“情感智力”理論等，激發了人們對傳統教育的反思。一方面，腦科學的發展推動著教育觀、教育方式和教育體系的轉變12。
教學過程就是學生腦智力開發的過程。教育必須適應學生身心特點和規律，教學活動必鬚根據青少年智力發展情況來開展。科學地進行早期教育和學校教育，才能更好地促進學生腦發育，達到更好的教學效果。另一方面，腦科學的研究成果也推動著教育評價體系的轉變。
不同類型的腦智能是學生個性化發展的基礎，不能用單一的標準對學生進行評價。新型教育評價方式和評價體系的創建，既有助於學生素質的全面發展，又能使學生的特長得到充分挖掘和發展，並使學生保持良好的心態和進取精神，最大限度地預防、減少和精準干預學生的心理障礙和心理疾病。
腦科學在軍事領域的應用直接關係到國家安全。其在軍事領域的應用主要包括四個方面13：研製類腦軍用機器人，以提升軍事實力，並有效降低軍事投入中的人員損耗；研發腦控武器裝備，以更加智能的方式操控武器；雲控制敵方大腦，擾亂敵方大腦功能，甚至反指導敵方的軍事行動；開發軍事智聯網和腦聯網，通過腦機介面技術實現大腦與外界的信息交流和控制，開啟人機、人人、物物、人物互通有無的智聯時代。
美國國防部在以杜克大學神經工程中心為代表的全美 6 個實驗室中開展了“思維控制機器人”研究，美國國防部高級研究計劃局（DARPA）則開展了名 為“阿凡達”的尖端軍事科研項目，旨在擴展人類機能，控制進攻性武器。此外， “仿腦”技術的問世將大幅提高無人系統的智能化水平，為包括“作戰雲”服務、軍用機器人在內的多個領域帶來顛覆性變革。
未來，人們或可開發出基於腦聯網的腦腦協同作戰平臺，實現戰場感知、後勤保障、武器裝備與指揮系統的高度優化與集成。從而使各作戰環節和指揮效能得以最大限度地發揮，在瞬息萬變的戰場態勢中捕獲稍縱即逝的先機，實現出奇制勝。
- 《2021全球腦科學發展報告》.中國電子學會;眾誠智庫;伏羲九針智能科技.2021-6
