科學美國人：十大腦科學研究盤點，瞭解智慧之源

《科學美國人》MIND專版回顧了重要的10個腦科學研究，以及它們的重大貢獻。

一、神經遺傳學

20年前，為了診斷神經系統疾病，醫生會採用既昂貴又對大腦有侵入性的手段，比如腦掃描、脊髓穿剌和活體組織切片檢查。有些父母擔心自己攜帶的遺傳疾病會傳給孩子。如今，許多退行性疾病、癲癇和運動障礙都能通過快速簡易的血液檢查得到篩查。這得益於2001年完成的人類基因組圖譜，人類基因組計劃（HGP）掀起了一波新型測序技術的發展浪潮，科學家由此推進了對導致神經和精神異常的人類遺傳途徑的認識。

▲圖為國家自然歷史博物館裡的人類基因組展覽

其他的研究雖然還沒有能夠衍生出診斷神經疾病的方法，但卻為人們深入瞭解神經機理，從而解決諸多未解難題打開了重要的大門，科學家已經在精神分裂症、阿茲海默氏症、抑鬱症和孤獨症和其他疾病患者血液中追蹤到少量異常DNA。未來，快速識別疾病相關基因將改變診斷和治療腦部疾病的方法。

二、大腦圖譜

2000年初，為了完成認識人類大腦工作機制的偉大目標，慈善家Paul Allen召集了一群專家。2003年，在HGP完成不久後，他們組成了位於西雅圖的艾倫腦科學研究所，開始繪製小鼠大腦中的基因活性區，並將成果彙集成在線數據庫（或圖譜）。目前數據庫也包括了人類和非人類靈長類動物的數據。不受限制而且詳盡的基因活性圖譜有助於研究人員設計出各種遺傳工程小鼠，表達特定細胞類型或基因，這些基因與某些疾病或行為相關。現在，艾倫腦科學研究所繼續建立各種圖譜，它最近推出了一個10年計劃，不僅要研究特定基因被激活的位置，還要研究這些遺傳線路如何將浩瀚信息輸入大腦。作為美國總統奧巴馬倡議的大腦計劃（White House BRAIN Initiative）的主要參與者，美國國立衛生研究院（NIH）剛剛批准了870萬美元研究經費，用於繪製小鼠和人類大腦中的神經連接。研究的最終目標是要改變研究腦部疾病和障礙的方式。

▲圖為運用艾倫腦科學研究所的腦圖譜軟件虛擬跟蹤技術，得到的大腦皮層3D俯視圖

三、大腦可塑性

Stryker說，科學家長期認為成人的大腦是一個相對靜態的器官。就在15年前，他們還認為，大腦在嬰兒期和幼兒期可塑性極強，此後改變不大。雖然在生命初期大腦具有最強的可塑性，“但在這十年中，科學家真正開始認識和利用成人大腦可塑性，”Stryker指出。Lumosity等公司開發的大腦訓練軟件和任天堂公司開發的“輕鬆頭腦教室”遊戲，已經成為一種流行文化。《奧普拉雜誌》（Oprah magazine）也發表文章，探討如何“提高”你的大腦讓它更“聰明”。NIH的高級研究員R. Douglas Fields認為，更好的成像技術和熒光標記細胞新方法的出現，使科學家能夠在大腦學習新的信息之時對它進行研究，他說，“能觀察到實驗動物腦細胞的活動就能揭示了可塑性的機制”。

四、大腦導航的奧祕

長久以來，科學家們都在苦苦思索人們天生的認路能力的機理是什麼，而直到1971年，倫敦大學的John O’Keefe教授的突破性進展為這項研究邁出了跨時代的一步。他在動物的海馬體，一個和記憶息息相關的重要大腦區域，發現了所謂“定位細胞”，該細胞只有在動物處於某個特定的地點才會產生神經衝動，在其它的地點就不會。通過這個發現，John成功地揭示了人類能夠擁有空間辨別能力的神經學原理。

而在2005年，來自挪威科技大學的May-Britt和Edvard Moser夫婦在“定位細胞”附近的大腦皮層發現了一種全新的空間位置細胞――“網格細胞”。這兩位科學家在研究小白鼠在盒子裡運動的神經電活動時，意外地發現如果把大腦中被激活細胞的位置記錄下來，會出現一個網格形狀。這種“網格細胞”使大腦能像導航儀一樣實時地追蹤動物的位置信息。“網格細胞”和“定位細胞”共同運作，使得動物擁有定位能力。“這項發現是有史以來人類在大腦領域最引人注目的發現之一，”華盛頓得克薩斯州醫學院地神經生物學博士James Knierim在2007年環球科學雜誌MIND板塊這樣評價。在今年10月，這三位科學家被共同授予了2014年度諾貝爾醫藥學獎。

五、有趣的記憶

大腦的一大神祕之處是，人們仍然無法準確說明記憶是什麼，神經迴路如何儲藏特定的回憶。然而，在過去的十年中，關於記憶的限制，科學家收穫頗豐。紐約大學神經科學中心學者AndréFenton認為，記憶不一定像白紙黑字寫進我們的大腦，不容更改，而像刻在粘土板上，每一次回憶，就像用手指在粘土板劃過，原有的字跡慢慢模糊。正在進行的生命活動導致記憶隨著時間推移而改變。

此外，思維定式和情緒可以影響人的注意力和記憶。科學家們正在研究一些實驗化學制劑，注射後可干擾記憶形成蛋白，消除某些不適感覺，比如吸毒者對毒品的慾望。研究人員甚至設法誘騙小鼠形成完全虛假的記憶。記憶的形成和回憶是一個逐步發展、激活和可塑的過程，涉及大腦許多不同部分的工作，目前對這方面的研究還沒有探明完整的複雜機制。

六、診斷進展

在過去的十年，一些以連接心身為目的的治療技術獲得了發展。特別值得注意的是認知行為療法（CBT），這種談話療法用於研究人的思想和情感如何影響行為，提出對策，阻止不良信念。美國馬里蘭州一名臨床心理學家Mary Alvord介紹，CBT在20世紀60~70年代首次出現，主要用來治療恐懼症和焦慮症。然而，幾十年來，CBT的適應症已大大擴展。2012年，對100個病例的綜合研究發現，CBT不僅是科學合理的焦慮症療法，而且也適用於貪食症、憤怒、緊張和引起疼痛的精神疾病。

如今，其他行為技術已經越來越流行，包括：鼓勵參與者適應現實的正念禪修，還有辯證行為治療。後者主要是基於CBT，但增加了新的方法，強調以情緒調節解決嚴重的心理健康問題，如自殺的想法。Alvord希望，這些療法今後可能與藥物同樣有效。他說：“藥物不改變你的生活方式，也不能教你如何更好地與他人相處，而這些療法更像能力的提升，給人以希望。”

七、光遺傳學技術

2005年，斯坦福大學的科學家們公佈了一項令全世界研究者都十分震驚的技術――光遺傳學技術。他們通過光線像開關一樣高精度地激活或抑制實驗個體的神經元。在這之前，傳統的神經操控技術使用電刺激，精度是非常低的。因此，美國加州大學的Stryker教授這樣評價：“這項技術徹底顛覆了現有的神經領域研究方式。以前的研究中我們完全不知道電刺激的是那個細胞，然而現在這些問題全部迎刃而解了。”舉一個實際的例子，當科學家們想要研究在小白鼠走迷宮時是哪一類神經元起到定位導航的關鍵性作用時，傳統的做法是向白小鼠腦組織植入電極，一次通電會同時刺激上千個神經元，這使得精準定位變得十分困難。而現在，科學家們通過光遺傳技術可以大幅提升定點操控的精準度。他們將光敏分子植入某一類腦細胞，它們只能控制特定類型的神經元和神經網絡。通過光照，使這些腦細胞激活或抑制特定神經元，從而闡明它們與行為和精神疾病的關係。

▲通過植入纖維或在大腦中產生光敏分子等光遺傳學手段改造的小鼠，這是斯坦福大學發明的技術

鑑於光遺傳學的諸多好處，全世界範圍內的很多神經科學實驗室都已經採用了這項技術。“在過去的十年裡，已經有數百個研究團體使用光遺傳學技術來研究各種神經網絡在行為、感知和認識過程中的作用。”光遺傳學的發明人之一，Ed Boyden教授在2014年科學美國人》雜誌MIND版上這樣寫道。在未來的研究中，光遺傳學技術將向人們揭示大腦細胞如何產生感情、思想和運動，以及它們的功能紊亂如何導致精神疾病。

八、神經膠質細胞的新作用

神經膠質細胞一向不太受人重視。與神經元不同，它們之間沒有生物電通訊，數百年來，科學家認為這些細胞雖然在大腦中含量豐富，但僅僅作為包裝材料進行大腦的輔助功能。“科學家認為比起令人興奮的神經元來，它們是無關緊要的遲鈍細胞，”NIH的Fields說。然而，新的成像方法終於給了科學家研究膠質細胞的機會，他們發現，在記憶和學習等重要的大腦功能中，神經膠質細胞起著關鍵作用。“這是個全新的領域。神經膠質細胞更為複雜和多樣，並不像神經元，“他指出，“膠質細胞的作用不同於神經元，這意味著，我們必須瞭解它們。”

▲圖為染色的大鼠星形膠質細胞

九、神經移植技術

當人們因為受傷、疾病或者中風的原因，導致大腦某處十分關鍵的部位收到損傷時，恢復治療會變得相當困難。此時，神經移植技術也許將成為修復大腦損傷的唯一手段。歷史上第一個被廣泛使用的可移植神經裝置是人造耳蝸，一個在上世紀八十年代開始推廣的內耳裝置。勞倫斯-利弗莫爾國家實驗室中心生物工程科主任SatinderpallPannu這樣評價到：“在過去的十年裡，由於半導體制造業的飛速發展，人造耳蝸的音質得到了大幅度的提升。”人工耳蝸已經讓全球超過25萬人恢復了聽覺，而剛剛投入醫療使用的人工視網膜將有同樣廣泛的應用。2011年，第一個人工視網膜移植手術獲得了臨床實驗成功。該技術在2013年正式投入市場，為廣大退化性眼部疾病患者帶來福音。

▲圖為放置在視網膜上的電極

其他的神經移植治療技術，比如大腦深度刺激法和迷走神經刺激法，為深受腦部頑疾困擾的患者，比如帕金森病患和癲癇患者，帶來了前所未有的希望。近來，研究者們正在探索這些新技術在最常見的精神疾病中的應用，比如抑鬱症、強迫症、成癮和疼痛等。現在的神經移植技術已經改變了利用電流對大腦特定區域刺激的傳統方式。Pannu還大膽地預測了未來的神經治療圖景――利用釋放化學物質來修復造成大腦疾病的神經紊亂，這樣就可以治療很多棘手的疾病，比如抑鬱症。

十、決策的大腦機制

對人們來說，做決定總是一種煎熬。有時候僅僅是決定早上穿什麼的簡單選擇都會讓人無比糾結。在過去的十年裡，有數十本書籍和幾百篇科研論文都試圖尋找影響人們決策的心理學因素。然而還沒有一項研究能有著名心理學家，諾貝爾獎得主Kahneman在2011年的著作《思考，快與慢》那樣廣泛的影響。

在他的書中，Kahneman總結了科學家們對認知偏差數十年的研究成果，並提出了一個被人們廣為接受的觀點：人們的大腦有兩個截然不同的機制共同協調做出決策，其中一個是自動的，無意識的思考，被稱為“系統1”，另一個更加的主觀，帶有強烈的個人因素，被稱為“系統2”。系統1負責做出快速反應，比如面對高速駛來的摩托車人們會快速的跳開。而系統2則會幫助人們解決更加複雜的數學問題或者倒著背誦一長串字母。

通過將讀者的注意力集中於深刻理解大腦決策的優缺點上，Kahneman幫助讀者避免一些常見的錯誤，從而能夠做出更好的選擇。如同評論家Glenda Cooper所評論的那樣，“這部發行量超出一百萬冊的著作已經獲得了‘大師傑作’，‘人類思想的里程碑’的讚譽”。而這部著作的作者本人則被冠以“當世最舉足輕重的心理學家”之美稱。

注：此資訊源于網路收集，如有健康問題請及時咨詢專業醫生。

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