腦科學十年十大理念

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沌網路已經困擾了科學家們幾個世紀。然而，在過去的10年裡，我們對這個神秘器官的理解已經爆發式增長。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了。”為了慶祝其10週年紀念日，《大眾科學 思維》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。

關於支援科學新聞報道

如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞報道 訂閱。透過購買訂閱，您正在幫助確保有關當今塑造我們世界的發現和想法的具有影響力的故事的未來。

[分隔線]

在華盛頓特區國家自然歷史博物館人類基因組展覽上的女士。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，醫生們會進行昂貴或侵入性的手術，如腦部掃描、脊髓穿刺和活組織檢查。患有遺傳性疾病的孩子的父母經常擔心他們是否會將同樣的基因異常遺傳給下一個孩子。如今，許多此類評估——包括對特定退行性疾病、癲癇病和運動障礙的評估——都可以透過快速簡單的血液測試進行。這些評估是由人類基因組計劃（HGP）實現的，該計劃在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能夠提高我們對產生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，但儘管如此，也正在為一些具有挑戰性的疾病提供急需的見解。科學家們已經鎖定了在精神分裂症、阿爾茨海默病、抑鬱症和自閉症等疾病患者血液中迴圈的遺傳物質片段。快速識別與疾病相關的基因簇可能會改變我們在未來識別和治療腦部疾病的方式。

[分隔線]

從多個不同的皮質區域發起的皮質連線的自上而下的3D檢視，使用艾倫研究所腦探索器軟體視覺化為虛擬束狀軌跡。圖片來源：艾倫腦科學研究所

腦圖譜
慈善家保羅·艾倫在2000年代初期聚集了專家，其崇高目標是瞭解人腦如何工作。在人類基因組計劃完成之後，他們在2003年成立了艾倫腦科學研究所。這個位於西雅圖的組織開始繪製小鼠大腦中基因活動區域的圖譜，並將結果彙總到線上資料庫或圖譜中，這些資料庫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可以幫助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。今天，該研究所繼續構建圖譜，最近啟動了一項為期10年的計劃，不僅要研究特定基因的活躍位置，還要研究這些基因迴路如何處理進入大腦的大量資訊流。作為白宮大腦計劃的主要參與者，該計劃由巴拉克·奧巴馬總統宣佈，美國國立衛生研究院剛剛向該專案撥款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。

[分隔線]

圖片來源：Flickr/澳大利亞國家圖書館

可塑性大腦 斯特賴克說，科學家們長期以來都認為成年大腦是一個相對靜態的器官。早在15年前，他們還認為大腦在嬰兒期和幼兒早期具有高度可塑性，但在那之後就難以改變了。儘管大腦在生命早期最具可塑性，但“這十年真正新的認識是人們廣泛認識、理解和利用成人可塑性，”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》雜誌現在給出了關於如何“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熒光的新方法的出現，使得觀察大腦學習新資訊的過程成為可能。“在實驗動物的大腦中看到大腦細胞活著運作的能力，揭示了可塑性的機制。”

[分隔線]

圖片來源：Flickr/CIAT

瞭解我們的位置
科學家們長期以來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·奧基夫首次發現了“位置細胞”，這是一種僅在動物處於一個特定位置時才會放電，而在其他任何位置都不會放電的神經元，從而朝著破譯這一能力邁出了第一步。這些細胞位於海馬體（一個與記憶密切相關的大腦區域）中，似乎可以解釋我們的大部分空間推理能力。

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·莫澤增加了一項新發現：附近皮層中存在“網格細胞”。透過竊聽當齧齒動物在盒子周圍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。“這一發現是大腦活動單細胞記錄歷史上最非凡的發現之一，”德克薩斯大學休斯頓醫學院的神經生物學教授詹姆斯·克涅裡姆在2007年為《大眾科學 思維》撰寫的一篇文章中寫道。這三位科學家於10月被授予2014年諾貝爾生理學或醫學獎。

[分隔線]

圖片來源：Flickr/喬伊斯·凱斯

關於記憶的有趣的事
大腦的最大奧秘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回憶。然而，在過去的十年裡，我們已經瞭解了很多關於記憶侷限性的知識。記憶並不一定像墨水在紙上那樣寫進我們的大腦。紐約大學神經科學中心的神經科學家安德烈·芬頓認為，與其這樣想，不如將它們看作是刻在粘土上的。每次你訪問記憶時，資訊都會變得模糊，就像你拿起一塊粘土板並在其表面劃過手指一樣。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，我們的思維模式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，當注射這些物質時，可以干擾記憶形成蛋白質，並消除某些型別的不良情緒，例如成癮者對毒品的渴望。研究人員甚至成功地誘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、積極且可塑的過程，涉及大腦中許多不同的工作部分，而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。

[分隔線]

圖片來源：Flickr/A&M-Commerce

療法進展 一系列針對身心連線的治療技術在過去十年中獲得了發展。尤其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那些不良的信念。根據馬里蘭州的臨床心理學家瑪麗·阿爾沃德的說法，當認知行為療法在 1960 年代和 1970 年代首次出現時，它主要用於治療恐懼症和焦慮症。然而，在之後的幾十年裡，認知行為療法已擴充套件到涵蓋各種疾病。一項對 100 多項研究進行的 2012 年薈萃分析發現，認知行為療法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、壓力和引起疼痛的精神疾病。

其他越來越流行的行為技術包括正念冥想，它鼓勵練習者與當下保持一致，以及辯證行為療法。後一種療法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，例如透過強調情緒調節來解決自殺念頭。阿爾沃德希望這些療法有朝一日能像藥物一樣有效。“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]有點像一種賦權運動。它們正在給人們帶來希望。”

[分隔線]

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 實驗室由研究生 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們在2005 年提出一種用光開啟或關閉單個神經元的技術時，研究人員欣喜若狂。“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是粗糙的。“你不知道你在刺激哪些細胞，”他解釋說。為了探索某類神經元如何幫助小鼠在迷宮中導航，例如，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，只操控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，並能闡明它們在行為或疾病中的作用。

現在，世界各地的神經科學實驗室都採用了這項技術。“在過去十年中，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成行為、感知和認知，”光遺傳學的共同發明人 Ed Boyden 在2014 年 11 月/12 月的《大眾科學 MIND》雜誌上寫道。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，以及它們如何出錯並導致精神疾病。

[分隔線]

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執行大腦管家職能的包裝材料。“與令人興奮的神經元相比，它們被認為是不重要和遲鈍的，”美國國立衛生研究院的菲爾茲說。然而，新的成像方法終於為科學家們創造了機會來詢問這些腦細胞，並且他們發現神經膠質對許多關鍵的大腦功能至關重要，包括記憶和學習。“這確實是一個新的領域。它們與神經元完全不同，它們要複雜和多樣得多，”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。”

[分隔線]

放置在視網膜上的電極陣列。圖片來源：Second Sight

神經植入物
當損傷、疾病或中風使大腦的重要組成部分癱瘓時，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 1980 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丁德帕爾·潘努說，在過去十年中，其聲音質量大幅提高，這在很大程度上歸功於半導體制造技術的進步。現在，視網膜植入物有望在視覺方面做到人工耳蝸為全球超過 25 萬人聽力所做的事情。首個視網膜植入物在 2011 年通過了臨床試驗，並於 2013 年面向患有退行性眼病的患者上市。

其他植入療法，例如深部腦刺激和迷走神經刺激，為患有其他頑固性腦疾病（最值得注意的是帕金森病和癲癇病）的個體帶來了緩解。最近，研究人員一直在探索在重度抑鬱症、強迫症、成癮和疼痛等其他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來修復導致抑鬱症等疾病的失衡。

[分隔線]

圖片來源：Flickr/Julia Manzerova

決策
做出選擇可能是一項令人焦慮的努力。有時，像早上弄清楚穿什麼衣服這樣簡單的行為，都會讓一個人陷入混亂。過去 10 年，數十本書籍和數百篇研究文章試圖梳理影響我們決策的心理因素，但沒有一本像心理學家和諾貝爾獎獲得者丹尼爾·卡尼曼的2011 年出版的《思考，快與慢》那樣產生廣泛的影響。他的描述總結了數十年來對認知偏差的研究，普及了這樣一種觀點，即大腦有兩種截然不同的機制來決定行動方針：一種被稱為“系統 1”的自動、無意識的思維方式，以及一種被稱為“系統 2”的更為謹慎和深思熟慮的方法。系統 1 驅動快速反應，例如跳開一輛疾馳的摩托車；而系統 2 幫助我們解決複雜的數學問題或倒背一串字母。透過關注我們大腦的優勢和劣勢，卡尼曼幫助讀者避免常見的錯誤並做出更好的選擇。正如評論員格倫達·庫珀在《每日電訊報》上對這本書的評價一樣，“這本書已售出 100 多萬冊，被描述為‘傑作’和‘社會思想領域的里程碑’，而卡尼曼本人則被譽為‘當今最重要的心理學家’。”