腦科學十年十大發現

科學家和作家萊爾·沃森曾說過：“如果大腦如此簡單，我們能理解它，那我們就會如此簡單，以至於無法理解。”我們頭骨中數十億個電脈衝神經元的混沌網路，幾個世紀以來一直困擾著科學家。然而，在過去的10年中，我們對這個神秘器官的理解已經爆炸式增長。診斷和分子技術的巨大進步已經揭示了大腦的某些複雜性，科學家們才剛剛開始解析這些啟示如何轉化為日常行為，更不用說疾病了。“我真的很同情五年前退休的人，”加州大學舊金山分校的神經科學家邁克爾·斯特賴克說。“現在的神經科學與過去完全不同。”為了慶祝其10週年，《大眾科學·思想》回顧了腦研究的10個重要分支以及每個分支所做的有意義的貢獻。

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在華盛頓特區國家自然歷史博物館的人類基因組展覽上的一位女性。圖片來源：Flickr/vpickering

神經遺傳學
僅僅在二十年前，為了診斷神經系統疾病，醫生會進行昂貴或侵入性的手術，例如腦部掃描、脊椎穿刺和活檢。患有遺傳疾病的孩子的父母常常擔心他們是否會將同樣的基因異常傳給下一個孩子。如今，許多此類評估（包括對選定的退行性疾病、癲癇和運動障礙的評估）可以透過快速簡單的血液檢查來完成。這些評估之所以成為可能，歸功於人類基因組計劃（HGP），該計劃於 2001 年對我們的基因進行了測序和定位。隨之而來的是大量新的測序技術，使科學家能夠加深我們對引發神經和精神疾病的遺傳途徑的理解。

其他研究尚未產生診斷測試，但仍然為幾種具有挑戰性的疾病提供了急需的見解。科學家已經將注意力集中在精神分裂症、阿爾茨海默病、抑鬱症和自閉症等疾病患者血液中出現的微量遺傳物質。快速識別與疾病相關的基因簇可能會改變我們未來識別和治療腦部疾病的方式。

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使用艾倫研究所大腦瀏覽器軟體視覺化，從多個不同皮質區域發出的皮質連線的自上而下的 3D 檢視，以虛擬追蹤方式顯示。圖片來源：艾倫腦科學研究所

腦圖繪製
慈善家保羅·艾倫在 2000 年代初召集了專家，目標是瞭解人腦的工作原理。在人類基因組計劃完成後，他們在 2003 年成立了艾倫腦科學研究所。這家總部位於西雅圖的組織開始繪製小鼠大腦中基因活動的區域圖，並將結果彙總到線上資料庫或圖譜中，現在還包括人類和非人類靈長類動物的資料。免費、全面的基因活動圖譜幫助研究人員設計出表達特定細胞型別的小鼠，或發現與某些疾病或行為相關的基因。如今，該研究所繼續構建圖譜，並且最近啟動了一項為期 10 年的計劃，不僅要檢查特定基因在何處活躍，還要檢查這些基因迴路如何處理流入大腦的大量資訊。作為白宮 BRAIN 計劃的主要參與者，該計劃由美國總統奧巴馬宣佈，美國國立衛生研究院剛剛為該專案撥款 870 萬美元，用於繪製小鼠和人類大腦中數萬億個神經連線。最終目標是徹底改變我們處理腦部疾病的方式。

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圖片來源：Flickr/澳大利亞國家圖書館

可塑性大腦 斯特賴克說，科學家長期以來將成年人的大腦視為相對靜態的器官。早在 15 年前，他們認為大腦在嬰兒期和幼兒期具有高度可塑性，但此後難以改變。儘管大腦在生命早期最具可塑性，但“這十年真正新鮮的是對成人可塑性的廣泛讚賞、認識和利用，”斯特賴克說。由 Lumosity 等公司開發的腦力訓練軟體和任天堂的《腦力鍛鍊Wii》等流行遊戲已經滲透到流行文化中。《奧普拉雜誌》現在提供關於如何“改善”你的大腦和讓它“更聰明”的技巧。美國國立衛生研究院的資深研究員 R. 道格拉斯·菲爾茲認為，更好的成像技術和標記細胞使其發熒光的新方法的出現，使得觀察大腦學習新資訊成為可能。“觀察實驗動物大腦內部的腦細胞如何運作，揭示了可塑性的機制。”

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圖片來源：Flickr/CIAT

瞭解我們的位置
長期以來，科學家們一直在思考我們從一個地方導航到另一個地方的內在能力。1971 年，倫敦大學學院的約翰·奧基夫首次開始破譯它，他發現了“位置細胞”，這是一種僅在動物位於特定位置時才放電，而在任何其他位置都不放電的神經元。這些細胞位於海馬體（一個與記憶密切相關的大腦區域），似乎解釋了我們大部分的空間推理能力。

然而，在 2005 年，挪威科技大學的已婚科學家 梅-布里特和愛德華·莫澤又進行了一項新發現：附近皮質中存在“網格細胞”。透過竊聽齧齒動物在盒子中移動時單個腦細胞的電活動，他們發現某些細胞以網格狀模式放電，以跟蹤動物更新後的位置。它們與位置細胞協同工作，告訴動物它在哪裡。“這一發現是腦活動單細胞記錄史上最引人注目的發現之一，”德克薩斯大學休斯頓醫學院的神經生物學教授詹姆斯·克尼裡姆在《大眾科學·思想》雜誌 2007 年的一篇文章中寫道。這三位科學家在 10 月獲得了 2014 年諾貝爾生理學或醫學獎。

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圖片來源：Flickr/喬伊斯·凱斯

關於記憶的趣事
大腦的最大謎團之一是，我們仍然無法準確地確定記憶是什麼——也就是說，神經迴路如何儲存給定的記憶。然而，在過去的十年中，我們對記憶的侷限性瞭解了很多。記憶不一定像紙上的墨水一樣寫在大腦中。紐約大學神經科學中心的神經科學家安德烈·芬頓認為，把它們想象成刻在黏土中的東西。每次訪問記憶時，資訊都會變得模糊，就像你拿起一塊泥板並用手指在其表面摩擦時可能會發生的情況一樣。持續的生化過程會導致記憶隨著時間的推移而發生變化。

此外，我們的心態和情緒會影響我們關注的內容，從而影響我們的記憶。科學家們正在研究實驗性化學物質，當注射時，它們會干擾記憶形成蛋白質並消除某些型別的不良情緒，例如吸毒者對毒品的渴望。研究人員甚至成功地誘使小鼠形成了完全錯誤的記憶。記憶的形成和回憶是一個不斷發展、積極主動和可塑的過程，涉及大腦的許多不同工作部分，科學家們才剛剛開始拼湊出它們如何組合成如此複雜的機器。

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圖片來源：Flickr/A&M-Commerce

治療進展 過去十年中，針對身心聯絡的一系列治療技術廣受歡迎。其中特別值得一提的是認知行為療法（CBT），這是一種談話療法，用於檢查一個人的想法和感受如何影響行為，然後引入策略來消除那些不適當的信念。據馬里蘭州的臨床心理學家瑪麗·阿爾沃德稱，當 CBT 在 1960 年代和 1970 年代首次出現時，主要用於治療恐懼症和焦慮症。然而，自那以來的幾十年裡，CBT 已擴充套件到涵蓋各種疾病。對 100 多項研究進行的一項 2012 年薈萃分析發現，CBT 是一種科學有效的策略，不僅可以對抗焦慮症，還可以對抗貪食症、憤怒、壓力和導致疼痛的精神疾病。

其他日益流行的行為療法包括正念冥想，它鼓勵練習者與當下時刻保持同步，以及辯證行為療法。後者以認知行為療法為基礎，但增加了新的策略來解決嚴重的心理健康問題，例如自殺念頭，透過強調情緒調節。阿爾沃德希望這些療法有一天能像藥物一樣有效。“藥物不會改變你的生活方式，也不會教你如何更好地與他人相處，”阿爾沃德說。“[這些療法]有點像一場賦權運動。它們給人們帶來希望。”

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正在進行光遺傳學操作的小鼠，包括植入的光纖和大腦中產生的光敏分子，所有這些都代表了斯坦福大學Deisseroth實驗室的研究生Raag Airan、馮張、Ed Boyden和Lief Fenno開發的技術。圖片來源：Raag Airan、馮張、Ed Boyden和Lief Fenno

光遺傳學
當斯坦福大學的科學家在2005年提出一種用光開關單個神經元的技術時，研究人員非常興奮。“這完全改變了一切，”加州大學舊金山分校的斯特賴克說。在光遺傳學出現之前，啟用和沉默神經網路的標準方法很粗糙。“你不知道你在刺激哪些細胞，”他解釋說。例如，為了探究某一類神經元如何幫助小鼠在迷宮中導航，科學家會將電極插入腦組織，一次刺激數千個神經元。現在，科學家可以將光敏分子插入特定的腦細胞，僅操縱那些選定的神經元型別或網路。照射光線會使這些神經元或多或少地活躍，並可以闡明它們在行為或疾病中的作用。

世界各地的神經科學實驗室現在都採用了這項技術。“在過去的十年中，數百個研究小組使用光遺傳學來了解各種神經元網路如何促進行為、知覺和認知，”光遺傳學的共同發明人之一Ed Boyden在《大眾科學》雜誌2014年11月/12月刊上的一篇文章中寫道。未來，光遺傳學將使我們能夠解讀各種腦細胞如何引發感覺、思想和運動，以及它們如何出錯導致精神疾病。

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來自大鼠大腦的染色星形膠質細胞。圖片來源：維基共享資源/GerryShaw

神經膠質細胞的新作用 神經膠質細胞的名聲一直不好。與神經元不同，它們不進行電通訊，幾個世紀以來，科學家們將這些豐富的腦細胞視為僅僅是執行大腦家務工作的包裝材料。“人們認為它們與令人興奮的神經元相比不重要且乏味，”美國國立衛生研究院的菲爾茲說。然而，新的成像方法最終為科學家創造了研究這些腦細胞的機會，並且他們發現神經膠質細胞對於許多關鍵的大腦功能至關重要，包括記憶和學習。“這真是一個新的領域。它們與神經元完全不同，它們更復雜和多樣化，”他說。“它們正在做著與神經元不同的事情，這意味著我們必須瞭解它們。”

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定位在視網膜上的電極陣列。圖片來源：Second Sight

神經植入
當損傷、疾病或中風導致大腦的某個重要組成部分癱瘓時，神經植入可能是恢復喪失功能的唯一選擇。第一個被廣泛採用的植入式腦裝置是人工耳蝸，這是一種耳內裝置，於20世紀80年代上市。勞倫斯利弗莫爾國家實驗室生物工程中心主任Satinderpall Pannu說，在過去的十年中，由於半導體制造的進步，它們的聲音質量得到了顯著提高。現在，視網膜植入有望為視力做人工耳蝸為全球超過25萬人的聽力所做的事情。第一個視網膜植入在2011年通過了臨床試驗，並於2013年上市，用於患有退行性眼病的患者。

其他可植入療法，如深部腦刺激和迷走神經刺激，為患有其他難治性腦疾病（最明顯的是帕金森病和癲癇）的患者帶來了緩解。最近，研究人員一直在探索在重度抑鬱症、強迫症、成癮和疼痛等疾病中使用這些技術。目前，神經植入會改變大腦目標區域的電活動，但Pannu預測，未來的版本還將釋放化學物質，以糾正導致抑鬱症等疾病的失衡。

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圖片來源：Flickr/Julia Manzerova

決策
做出選擇可能是一件令人焦慮的事情。有時，像弄清楚早上穿什麼這樣簡單的行為就能使一個人陷入混亂。在過去的十年裡，幾十本書和數百篇研究文章試圖梳理影響我們決策的心理因素，但沒有一本書像心理學家和諾貝爾獎得主丹尼爾·卡尼曼的2011年出版的《思考，快與慢》那樣產生如此廣泛的影響。他的敘述總結了數十年來對認知偏差的研究，普及了大腦具有兩種不同的機制來決定行動方針的概念：一種是自動的、無意識的思維方式，稱為“系統1”；另一種是更深思熟慮和有分寸的方法，稱為“系統2”。系統1驅動快速反應，例如躲避飛馳的摩托車；而系統2則幫助我們解決複雜的數學問題或倒背一串字母。透過提請注意我們大腦的優勢和劣勢，卡尼曼幫助讀者避免常見錯誤並做出更好的選擇。正如評論家格倫達·庫珀在《每日電訊報》上撰寫關於這本書的評論時所說，“這本書銷量超過一百萬冊，被譽為“傑作”和“社會思想領域的里程碑”，而卡尼曼本人則被稱為“在世最重要的心理學家”。”