腦科學十年十大突破

科學家和作家萊爾·沃森曾說過：“如果大腦簡單到我們可以理解它，那麼我們就會簡單到無法理解它。”我們頭骨中數十億個電脈衝神經元的混亂網路讓科學家們困惑了幾個世紀。然而，在過去的十年裡，我們對這個神秘器官的理解得到了爆炸式增長。診斷和分子技術的巨大進步揭示了大腦的一些複雜性，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。“我真的為五年前退休的人感到遺憾，”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週年紀念，《大眾科學 MIND》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人類基因組展上的一名女性。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、脊髓穿刺和活檢。患有遺傳性疾病的兒童的父母經常擔心是否會將相同的基因異常傳遞給他們的下一個孩子。如今，許多此類評估——包括對某些退行性疾病、癲癇和運動障礙的評估——都可以透過快速簡單的血液測試進行。這些評估是人類基因組計劃（HGP）實現的，該計劃於 2001 年對我們的基因進行了測序和定位。隨後，大量新的測序技術使科學家們能夠提高我們對導致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，但仍然為一些具有挑戰性的疾病提供了急需的見解。科學家們已經鎖定了精神分裂症、阿爾茨海默病、抑鬱症和自閉症等疾病患者血液中迴圈的遺傳物質片段。快速識別與疾病相關的基因簇很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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從多個不同皮層區域發起的皮層連線的自上而下的 3D 檢視，使用艾倫研究所大腦瀏覽器軟體視覺化為虛擬纖維束成像。圖片來源：艾倫腦科學研究所

大腦圖譜
慈善家保羅·艾倫在 2000 年代初期召集了專家，旨在瞭解人腦的工作原理。在 HGP 完成之後，他們於 2003 年成立了艾倫腦科學研究所。這家位於西雅圖的組織開始繪製小鼠大腦中基因活動區域，並將結果彙總到線上資料庫或圖譜中，現在這些圖譜還包括有關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有助於研究人員設計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活躍的位置，還要檢查這些基因迴路如何處理大量流入大腦的資訊。作為白宮 BRAIN 計劃的主要參與者，該計劃由奧巴馬總統宣佈，美國國立衛生研究院剛剛為該專案撥款 870 萬美元，用於繪製小鼠和人腦中的數萬億個神經連線。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，科學家們長期以來一直認為成年大腦是一個相對靜態的器官。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，但在那之後就很難改變了。雖然大腦在生命早期最具可塑性，但“本十年真正新的進展是對成年可塑性的廣泛讚賞、認識和利用，”斯特賴克說。諸如 Lumosity 等公司開發的腦力訓練軟體以及諸如任天堂的《大腦訓練 Wii》等熱門遊戲已經滲透到大眾文化中。《奧普拉》雜誌現在提供了有關如何“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高階研究員 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出熒光的新方法使得觀察大腦在學習新資訊時的工作方式成為可能。“能夠看到實驗動物大腦中的活腦細胞是如何工作的，正是這種能力揭示了可塑性的機制。”

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圖片來源：Flickr/CIAT

認識我們的位置
科學家們長期以來一直思考我們從一個地方導航到另一個地方的先天能力。1971 年，倫敦大學學院的約翰·奧基夫首次發現了“位置細胞”，這是一種僅在動物位於一個特定位置而不是任何其他位置時才會放電的神經元，這為破譯這種能力邁出了第一步。這些細胞位於海馬體中，海馬體是一個與記憶密切相關的大腦區域，似乎解釋了我們空間推理能力的大部分原因。

然而，在 2005 年，挪威科技大學的已婚科學家梅-布里特和埃德瓦德·莫澤又增加了一個新的發現：附近皮層中存在“網格細胞”。透過竊聽齧齒動物在盒子中移動時各個腦細胞的電活動，他們發現某些細胞以網格狀模式放電以跟蹤動物的更新位置。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單元記錄歷史上最傑出的發現之一，”德克薩斯大學休斯頓醫學院神經生物學教授詹姆斯·克尼裡姆在2007 年為《大眾科學 MIND》撰寫的一篇文章中寫道。這三位科學家於 10 月份被授予 2014 年諾貝爾生理學或醫學獎。

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圖片來源：Flickr/Joyce Kaes

記憶的奇怪之處
大腦的一大奧秘是我們仍然無法確切地確定記憶是什麼——也就是說，神經迴路如何儲存給定的回憶。然而，在過去的十年裡，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進我們的大腦。紐約大學神經科學中心的神經科學家安德烈·芬頓認為，應該把它們想象成刻在黏土上的東西。每次你訪問記憶時，資訊都會變得模糊，就像你拿起一塊黏土板並在其表面上劃過手指一樣。持續的生化過程會導致記憶隨著時間推移而發生變化。

此外，我們的心態和情緒會影響我們注意什麼，從而影響我們的記憶。科學家們正在研究實驗性化學物質，當注射後，這些物質可以干擾記憶形成蛋白，並消除某些型別的適應不良情緒，例如吸毒者對毒品的渴望。研究人員甚至設法欺騙小鼠形成完全虛假的記憶。記憶的形成和回憶是一個不斷發展、活躍且可塑的過程，涉及大腦許多不同的工作部分，科學家們才剛剛開始拼湊出它們如何結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 一系列針對身心聯絡的治療技術在過去十年中獲得了發展。特別值得注意的是認知行為療法（CBT），這是一種談話療法，它會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這些適應不良的信念。根據馬里蘭州的臨床心理學家瑪麗·阿爾沃德的說法，當CBT在 20 世紀 60 年代和 70 年代首次出現時，它主要用於治療恐懼症和焦慮症。然而，在過去的幾十年裡，CBT已經擴充套件到包括各種疾病。對 100 多項研究進行的 2012 年薈萃分析發現，CBT 是一種科學可靠的策略，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技術包括正念冥想，它鼓勵練習者關注當下，以及辯證行為療法。後一種療法以CBT為基礎，但增加了新的策略來解決嚴重的精神健康問題，如自殺念頭，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。它們正在給人們帶來希望。”

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帶有光遺傳學工具的小鼠正在執行，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、Feng Zhang、Ed Boyden 和 Lief Fenno 開發的技術。圖片來源：Raag Airan、Feng Zhang、Ed Boyden 和 Lief Fenno

光遺傳學
當斯坦福大學的科學家在 2005 年展示了用光來開啟或關閉單個神經元的技術時，研究人員感到非常興奮。“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，為了探究特定型別的神經元如何幫助小鼠導航迷宮，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塞入特定的腦細胞，只操作那些選定的神經元型別或網路。照射光線會使這些神經元更活躍或更不活躍，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。“在過去的十年裡，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影響行為、感知和認知，”光遺傳學的共同發明人埃德·博伊登在2014 年 11 月/12 月《大眾科學》雜誌上寫道。未來，光遺傳學將使我們能夠破譯各種腦細胞如何引發感覺、想法和運動，以及它們如何出錯從而產生精神疾病。

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來自大鼠大腦的染色星形膠質細胞。圖片來源：Wikimedia Commons/GerryShaw

神經膠質細胞的新作用 神經膠質細胞的名聲不好。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執行大腦內務處理功能的包裝材料。“人們認為它們與令人興奮的神經元相比，無關緊要且遲鈍，”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提供了研究這些腦細胞的機會，並且他們發現神經膠質細胞對許多關鍵的大腦功能至關重要，包括記憶和學習。“這真的是一個新的前沿領域。它們一點也不像神經元，它們要複雜得多，也更具多樣性，”他說。“它們所做的事情與神經元不同，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

神經植入物
當損傷、疾病或中風損害大腦的必需成分時，神經植入物可能是恢復喪失功能的唯一選擇。第一個獲得廣泛採用的可植入大腦裝置是人工耳蝸，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薩蒂恩德帕爾·潘努說，在過去的十年裡，由於半導體制造技術的進步，它們的音質得到了顯著改善。現在，視網膜植入物有望在視覺方面取得與人工耳蝸在全球超過 25 萬人聽力方面所取得的成就。第一個視網膜植入物於 2011 年通過了臨床試驗，並於 2013 年上市，用於治療患有退行性眼病的患者。

其他植入式療法，如深部腦刺激和迷走神經刺激，為患有其他難以治療的大腦疾病（最明顯的是帕金森病和癲癇病）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，神經植入物會改變大腦目標區域的電活動，但潘努預測，未來的版本還將釋放化學物質，以修復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事情都可能讓人陷入混亂。在過去的 10 年裡，有數十本書籍和數百篇研究文章試圖剖析影響我們決策的心理因素，但沒有一本能像心理學家兼諾貝爾獎得主丹尼爾·卡尼曼的2011 年著作《思考，快與慢》那樣產生廣泛的影響。他的敘述總結了數十年來對認知偏差的研究，普及了大腦在採取行動時具有兩種不同的機制的觀點：一種是自動的、無意識的思維方式，稱為“系統 1”；另一種是更加深思熟慮的方式，稱為“系統 2”。系統 1 驅動快速反應，例如跳開快速行駛的摩托車；而系統 2 幫助我們解決複雜的數學問題或倒背一串字母。透過引起人們對大腦優勢和劣勢的關注，卡尼曼幫助讀者避開常見錯誤，做出更好的選擇。正如評論員格倫達·庫珀在《每日電訊報》上寫到這本書時所說的那樣，“該書銷量超過一百萬冊，被描述為“傑作”和“社會思想的里程碑式書籍”，而卡尼曼本人則被譽為“在世最重要的心理學家”。