腦科學十年十大發現

科學家兼作家萊爾·沃森曾說過：“如果大腦簡單到我們能理解它，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已經爆炸式增長。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。”為了慶祝其十週年，《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。

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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，醫生們會執行昂貴或侵入性的手術，例如腦部掃描、脊髓穿刺和活檢。患有遺傳性疾病的孩子的父母經常擔心他們是否會將相同的基因異常遺傳給他們的下一個孩子。如今，許多此類評估——包括對特定退行性疾病、癲癇和運動障礙的評估——可以透過快速簡單的血液測試進行。這些評估是透過 2001 年完成基因測序和繪製的人類基因組計劃 (HGP) 實現的。此後，大量新的測序技術使科學家能夠提高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，但同樣正在為幾種具有挑戰性的疾病提供急需的見解。科學家們已經鎖定了精神分裂症、阿爾茨海默病、抑鬱症和自閉症以及其他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將多個不同皮質區域的皮質連線自上而下以虛擬軌跡視覺化。圖片來源：艾倫腦科學研究所

大腦繪圖
慈善家保羅·艾倫在 2000 年代初召集了專家，他們的崇高目標是瞭解人腦如何工作。在完成人類基因組計劃後，他們於 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的區域，並將結果彙總到線上資料庫或圖集中，這些圖集現在還包括人類和非人類靈長類動物的資料。免費的綜合基因活動圖譜可以幫助研究人員設計出表達特定細胞型別或發現與某些疾病或行為相關的基因的小鼠。如今，該研究所繼續構建圖集，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。作為由巴拉克·奧巴馬總統宣佈的白宮腦計劃的主要參與者，美國國立衛生研究院剛剛授予該專案 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和障礙的方式。

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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，科學家們長期以來都認為成年人的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期具有高度可塑性，但此後就難以改變。儘管大腦在生命早期最易彎曲，“這十年真正新鮮的是人們對成人可塑性的廣泛認可、認識和利用，”斯特賴克說。由諸如Lumosity之類的公司開發的腦訓練軟體和諸如任天堂的《大腦鍛鍊Wii》之類的流行遊戲已經滲透到大眾文化中。《奧普拉》雜誌現在提供有關如何“改善”你的大腦和使其“更聰明”的技巧。美國國立衛生研究院高階研究員 R. Douglas Fields 將更好的成像技術和標記細胞以使其發出熒光的新方法歸功於能夠觀察大腦在學習新資訊時的活動。“在實驗動物的大腦內部看到腦細胞的活體運作的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”，即僅當動物在某個特定位置而不是任何其他位置時才會啟用的神經元，從而朝著破譯這一謎團邁出了第一步。這些位於海馬體（一個與記憶密切相關的大腦區域）的細胞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·莫澤增加了一項新發現：附近皮質中存在“網格細胞”。透過監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啟用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。“這一發現是大腦活動單細胞記錄歷史上最顯著的發現之一，”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 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。

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圖片來源：Flickr/喬伊斯·凱斯

有趣的記憶
大腦的偉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的侷限性。記憶不一定像紙上的墨水一樣寫入我們的大腦。紐約大學神經科學中心神經科學家安德烈·芬頓認為，應該將它們看作刻在粘土上的東西。每次訪問記憶時，訊息都可能會被弄髒，就像您拿起一個粘土板並用手指在其表面滑動一樣。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，我們的思想和情緒會影響我們注意的內容，從而影響我們的記憶。科學家們正在嘗試使用實驗性化學物質，當注射這些化學物質時，會干擾記憶形成的蛋白質，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欺騙小鼠形成了完全虛假的記憶。記憶的形成和回憶是一個不斷發展、活躍和可塑的過程，其中涉及大腦的許多不同工作部分，而科學家們才剛剛開始將它們如何結合成如此複雜的機器拼接在一起。

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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廣泛關注。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，旨在研究一個人的思想和感受如何影響行為，然後引入策略來消除那些適應不良的信念。馬里蘭州的臨床心理學家瑪麗·阿爾沃德表示，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，自那以來的幾十年裡，CBT 已經擴充套件到涵蓋廣泛的疾病。一項 2012 年對 100 多項研究進行的薈萃分析發現，CBT 不僅是應對焦慮症，還是應對貪食症、憤怒、壓力和導致疼痛的精神疾病的科學有效策略。

其他日益流行的行為技術包括 正念冥想，它鼓勵練習者專注於當下，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心理健康問題，例如自殺念頭，強調情緒調節。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]有點像一場賦權運動。它們給人們帶來了希望。”

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使用光遺傳學工具的小鼠正在進行實驗，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 實驗室研究生 Raag Airan、Feng Zhang、Ed Boyden 和 Lief Fenno 開發的技術。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 年提出一種用光開關單個神經元的技巧時，研究人員感到非常興奮。“這完全改變了一切，”U.C.S.F. 的斯特賴克說。在光遺傳學之前，啟用和沉默神經網路的標準方法都很粗糙。“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 光敏分子嵌入特定的腦細胞中，只操控那些選定的神經元型別或網路。照射光線可以使這些神經元更加活躍或不那麼活躍，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影響行為、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 《大眾科學思維》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，以及它們如何出現異常從而導致精神疾病。

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

神經膠質細胞的新作用 神經膠質細胞一直名聲不佳。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功能的包裝材料。“它們被認為不如令人興奮的神經元重要和枯燥，”NIH 的菲爾茲說。然而，新的成像方法終於為科學家們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腦功能至關重要，包括 記憶和學習。“這真的是一個新的領域。它們與神經元完全不同，它們更加複雜和多樣化，”他說。“它們正在做與神經元不同的事情這一事實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。來源：Second Sight

神經植入
當損傷、疾病或中風損害大腦的必要組成部分時，神經植入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耳蝸植入，這是一種 在 20 世紀 80 年代上市的入耳裝置。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·潘努表示，在過去的十年中，它們的聲音質量得到了顯著提高，這在很大程度上歸功於半導體制造技術的進步。現在，視網膜植入有望在視覺方面取得耳蝸植入為全球超過 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，並在 2013 年針對患有退行性眼病的患者上市。

其他可植入的療法，例如 深部腦刺激 和迷走神經刺激，已為患有其他難以治癒的腦部疾病（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這些技術在 重度抑鬱症、強迫症、成癮和疼痛等其他疾病中的應用。目前，神經植入 會改變大腦特定區域的電活動，但潘努預測，未來的版本還將釋放化學物質，以糾正導致抑鬱症等疾病的失衡。

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來源：Flickr/Julia Manzerova

決策
做出選擇可能會讓人感到焦慮。有時，像弄清楚早上穿什麼這樣簡單的行為都可能讓人陷入混亂。在過去的 10 年裡，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，但沒有一本書籍產生像心理學家和諾貝爾獎獲得者丹尼爾·卡尼曼的 2011 年著作《思考，快與慢》那樣廣泛的影響。他的敘述總結了數十年來對認知偏差的研究，普及了這樣一種觀念，即大腦有 兩種不同的機制來決定行動方案：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”的更為深思熟慮和衡量的方法。“系統 1”驅動快速反應，例如跳開一輛飛馳的摩托車；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。透過關注我們大腦的優勢和劣勢，卡尼曼幫助讀者避免了常見的錯誤並做出了更好的選擇。正如評論家格倫達·庫珀在《每日電訊報》中 評論這本書時所寫，“這本書已售出超過一百萬冊，被譽為‘傑作’和‘社會思想領域的里程碑式著作’，而卡尼曼本人也被稱為‘在世最重要的心理學家’。”