奇思妙想探索新研究领域

脑科学不仅是高度综合的学科，而且是飞跃发展着的学科。在脑科学、脑疾病早期诊断与干预、类脑智能产品三个前沿领域中，新观点、新发现、新技术层出不穷。在基础性的“认识脑”领域，主要研究大脑对外界环境的感观认知、对人类以及非人灵长类自我意识的认知、对人类语言的认知等，通过探究语法以及广泛的句式结构，用以研究人工智能技术。“认识脑”技术主要体现在神经标记和神经环路示踪技术、大脑成像技术、神经调节技术、神经信息处理平台等方面；在“保护脑”的应用医疗领域，随着神经遗传学的发展，增强了对导致神经和精神异常的人类遗传途径的认识；在“创造脑”的人工智能领域，类脑科学通过类人脑神经网络模型和计算方法的建立，以及通过类脑计算、处理、存储设备技术的研究，有助于实现新一代人工智能机器，以及类脑机器人等项目的开发。

“认识脑”的前沿领域

人脑中错综复杂的神经元网络，就如同地球上密布的道路网，如今人们借助遥感卫星很容易分辨地球上的道路网，但要绘制“脑地图”，似乎远比发射几颗遥感卫星要困难得多。大脑图谱（brain mapping）有助于描绘大脑皮层的分层结构，表达特定细胞类型或基因，并明确它们与疾病的关系。2013年，美国科学家成功绘制出了人类胚胎时期的大脑图谱，《自然》刊登了相关研究成果。大脑图谱不仅在全脑范围内把基因表达剖析得一清二楚，甚至精确到大脑皮层的每个分层。大脑图谱能识别出更多与脑疾病相关的基因表达，对发育性神经系统疾病的研究具有重大意义。

大脑记忆（funny memories）则认为，记忆不一定像白纸黑字写进大脑一样，不容更改。人类不停歇的生命活动导致大脑记忆随着时间的推移而改变。此外，思维定式和情绪可以影响人的注意力和记忆。科学家们正在研究一些实验化学制剂，注射后可干扰记忆形成蛋白，消除某些不适感觉。比如吸毒者对毒品的欲望记忆的形成和回忆是一个逐步发展、激活和可塑的过程，涉及大脑许多不同部分的工作，目前对这方面的研究还没有探明完整的复杂机制。大脑可塑性（brain plasticity）则利用成像技术和荧光标记细胞方法，在大脑学习新的信息之时对它进行研究，观察脑细胞活动，从而揭示大脑可塑性的机制。神经胶质细胞（neuroglia cells）的新作用也受到重视。与神经元不同，神经胶质细胞之间没有生物电通信。数百年来，科学家认为这些细胞虽然在大脑中含量丰富，但仅起到对大脑的辅助功能。然而，新的成像方法使得科学家有了重新研究胶质细胞的机会，他们发现，在记忆和学习等重要的大脑功能中，神经胶质细胞起着关键性作用。

大脑导航（brain navigation）发现了所谓的“定位细胞”和“网格细胞”，揭示了人类能够拥有空间辨别能力的神经学原理。动物的海马体是一个与记忆息息相关的重要大脑区域，“定位细胞”只有在动物处于某个特定的地点才会产生神经冲动，在其他的地点则不会。如果把大脑中被激活细胞的位置记录下来，会出现一个网格形状。“网格细胞”使大脑能像导航仪一样实时地追踪动物的位置信息。“网格细胞”和“定位细胞”共同运作，使得动物拥有定位能力。光遗传学技术（optogenetics technology）彻底颠覆了现有的神经领域研究方式，其可以通过光纤像开关一样高精度地激活或抑制实验个体的神经元。在此之前，传统的神经操控技术使用电刺激，控制精度非常低。举例来说，当科学家们想要研究在小白鼠走迷宫时是哪一类神经元起到定位导航的关键性作用时，传统的做法是向白小鼠脑组织植入电极，一次通电会同时刺激上千个神经元，这使得精准定位变得十分困难。现在，科学家们通过光遗传技术可以大幅提升定点操控的精准度。他们将光敏分子植入某一类脑细胞，重点研究它们如何控制特定类型的神经元和神经网络。

大脑决策机制（the brain mechanism of decision making）由大脑中两个截然不同的机制共同协调做出决策，其中一个是自动的、无意识的思考，被称为“系统1”；另一个更加主观，带有强烈的个人因素，被称为“系统2”。系统1负责做出快速反应，比如面对高速驶来的汽车人们会快速地跳开；系统2则会帮助人们解决更加复杂的数学问题或者倒着背诵一长串字母。此外，大脑的决策还受到外部环境的影响。2015年网上流行的“裙子照片”几乎颠覆了人们对色彩的认知。有人说，图中的裙子是白金色，有的则说是蓝黑色。人们对色彩的认知竟然完全不同，是因为我们的大脑在不同光照条件下对色彩的感知不同。看见白金裙子的人的大脑假定光照条件十分明亮，而看见蓝黑裙子的人的大脑则认为它是在暗淡或者人造光照条件下拍摄的。

“保护脑”的前沿领域

脑科学的研究进展使得人类能够治愈许多未知的脑疾病。神经遗传学、光遗传技术、神经移植技术等领域的突破，使得人类在认识大脑的基础上，更加能够“保护脑”。神经遗传学的突破体现在人类基因组计划（Human Genome Project，HGP）掀起的新型测序技术发展浪潮，科学家由此推进了对导致神经和精神异常的人类遗传途径的认识。在精神分裂症、阿尔茨海默综合征、抑郁症、孤独症和其他疾病患者血液中追踪到少量异常DNA，为未来快速识别疾病相关基因将改变诊断和治疗脑部疾病的方法奠定了基础。如今，许多退行性疾病、癫痫和运动障碍都能通过快速简易的血液检查得到筛查。

大脑具有惊人的可塑性，过去10年，一些以连接心身为日的的治疗技术获得了发展。如果脑的某个功能受损，就可以通过其他器官来执行相同功能。例如，科学家研发了一款舌头“触觉一视觉”替代装置，通过头戴摄像机采集视觉信号，通过舌头触觉传感器将视觉信号传递到大脑，获得了基本的视觉图像和视觉轮廓。特别值得注意的是，认知行为疗法（Cognitive Behavior Therapy，CBT），这种谈话疗法用于研究人的思想和情感如何影响行为。通过对100个病例的综合研究发现，CBT不仅是科学合理的焦虑症疗法，而且也适用于贪食症、愤怒、紧张和引起疼痛的精神疾病。(www.xing528.com)

神经移植技术（neural transplantation technology）将成为修复大脑损伤的唯一手段。人们因为受伤、疾病或者中风，导致大脑某处十分关键的部位受到损伤时，恢复治疗变得相当困难。人工神经元植入大脑能够修复由于脊柱受伤或疾病（例如帕金森）所带来的损伤。人工耳蜗已经让全球超过25万人恢复了听觉，投入医疗使用的人工视网膜将会得到同样广泛的应用。大脑深部刺激法和迷走神经刺激法为帕金森和癫痫患者带来了前所未有的希望，这些新技术还可用于抑郁症、强迫症、成瘾等的研究。现在的神经移植技术已经改变了利用电流对大脑特定区域刺激的传统方式，未来可能利用释放化学物质来修复造成大脑疾病的神经紊乱。

“创造脑”的前沿领域

人脑工程的产业前景十分广阔。20世纪90年代初实施的“信息高速公路计划”刺激了美国整整十多年的经济繁荣，经济学界一直希冀通过一场以科技带动的产业革命促使全球经济摆脱衰退，重新走入一个相对繁荣期，人脑计划正被视为这样的发动引擎之一。当我们采用产业化和工程化的思维理解大脑，首要的问题就是大脑采用什么样的工作模式？

人类大脑的工作采用何种算法？著名的数学家贝叶斯为了证明上帝的存在，从而发明了概率统计学原理。近日，贝叶斯的应用又催生了一个看一眼就会写字的智能计算机系统的诞生。贝叶斯计算机能够模仿写字并能“以假乱真”，通过“视觉图灵测试”。贝叶斯计算机“可与人类能力匹敌”，证明了机器学习可以做出很多惊人之举。贝叶斯式机器学习似乎具备了识别概念的能力，“内置于我们的大脑中”的东西是否就是贝叶斯算法？由于近年来人工智能方面贝叶斯算法的成功运用，让一些科学家开始推测我们自己的大脑是否也使用了贝叶斯算法。如果贝叶斯算法能帮助计算机感知、认识、推理和决策，也许它们也能帮助我们的大脑完成类似的任务。当然，并不一定所有的人工智能设备都得采用贝叶斯算法，谷歌围棋机器人就采用了“蒙特卡洛”算法。“蒙特卡洛”算法的基本原理是通过大量随机样本，去了解一个系统，进而得到所要计算的值。这种算法非常强大和灵活，又相当简单易懂，很容易实现。

人工神经网络也是一个描述生物神经网络运行机理和工作过程的数学——物理模型。2015年6月，科学家将蛋白质生物传感器与电子离子泵连接在一起，创造出了一个“神经元”。这是第一个功能齐全的人脑神经元，能够模拟人脑细胞的功能，包括将化学信号转变成电信号以及与其他细胞交流。大脑可以通过“经验”来建立它自己的规则，而神经网络也具有一定的结构，并可以通过历史数据训练从而具有一定的功能。人工神经网络的研究工作不断深入，已经取得了很大的进展，其在模式识别、智能机器人、自动控制、预测估计、生物、医学、经济等领域已成功地解决了许多现代计算机难以解决的实际问题，表现出了良好的智能特性。

人类在“创造脑”方面的进步使得心灵融合成为可能。以人工神经网络为基础，杜克大学的神经科学家创造出了一个“脑网”（Brainet），用电记录和电刺激，将4只老鼠大脑的电信号连接起来。这些动物学会了共同解决一些问题，例如预测天气或者移动机械手臂，表现得比单只动物好。这项成果发表在2015年7月的Scientific Reports《科学报告》杂志上。当然，我们离真正的心灵融合还有很长的路要走，因为该研究中传输的脑信号还非常初级，并且只做了动物实验。

随着脑科学研究的深入，基于基础性研究而诞生的新学科和新产业将大量涌现，并将产生众多的就业机会。脑科学研究属于具有高科技附加值的项目，以此为基础的产业必将产生可观的经济效益。有研究报告显示，人脑工程领域的产业规模持续增长，2012年相关产业规模约为10亿美元，2020年有望增长至60亿美元。可以认为，脑的发育和衰老、学习与记忆、高级认知功能与人类密切相关，了解脑的结构和功能是对人类认识世界、认识自我的最终挑战。总之，脑科学研究被认为是当今最令人兴奋的研究领域、制高点和最活跃的前沿科学之一，不仅具有重大理论意义，而且对提高国民的健康水平、生活质量、创新能力、心理和精神状态都具有重要的现实意义。