大腦被譽(yù)為宇宙間最復(fù)雜的物體，是思想、情感、感知、行為、學(xué)習(xí)和記憶的源泉，也被認(rèn)為是人類(lèi)探索自然科學(xué)的“終極疆域”。
作為自然科學(xué)塔頂?shù)拿髦?，腦科學(xué)也因此成為一門(mén)極富魅力的學(xué)科——
在高科技領(lǐng)域，腦科學(xué)是當(dāng)前火熱的人工智能、腦機(jī)接口、類(lèi)腦計(jì)算背后的知識(shí)基礎(chǔ)；
(資料圖)
在文學(xué)創(chuàng)作領(lǐng)域，腦科學(xué)是小說(shuō)、電影中意識(shí)上傳、共享大腦、記憶互通的現(xiàn)實(shí)寫(xiě)照；
在生命健康領(lǐng)域，腦科學(xué)正不斷破解著被稱(chēng)為“生命禁區(qū)”的大腦謎團(tuán)；
…………
那么，究竟何為腦科學(xué)？《2021全球腦科學(xué)發(fā)展報(bào)告》指出，廣義上的腦科學(xué)研究的是腦結(jié)構(gòu)和腦功能，主要包括腦形態(tài)及結(jié)構(gòu)、腦部分區(qū)及功能、腦細(xì)胞及工作原理、腦神經(jīng)與網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、腦的進(jìn)化與發(fā)育、腦生理機(jī)能等領(lǐng)域。如此看來(lái)，腦科學(xué)的探索，或可破解大腦健康謎團(tuán)。
腦科學(xué)與臨床醫(yī)學(xué)緊密關(guān)聯(lián)
據(jù)世界衛(wèi)生組織統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，目前人類(lèi)已知疾病超過(guò)2萬(wàn)種，其中與大腦相關(guān)的疾病不到1.5%。這一數(shù)字看上去很樂(lè)觀(guān)，但實(shí)際上腦疾病帶來(lái)的危害不容小視?！霸谑澜绶秶?，腦疾病造成的負(fù)擔(dān)占疾病總負(fù)擔(dān)的23%。在我國(guó)，腦重大疾病已成為中、老年人致死致殘的主要原因?！敝袊?guó)科學(xué)院院士、北京天壇醫(yī)院神經(jīng)外科主任醫(yī)師趙繼宗特別提醒。
腦疾病產(chǎn)生的社會(huì)成本和不斷增長(zhǎng)的治療需求呼喚腦科學(xué)的發(fā)展。
“從阿爾茨海默病、帕金森病等神經(jīng)退行性疾病，到多發(fā)性硬化癥等神經(jīng)免疫性疾病，再到抑郁、強(qiáng)迫癥等精神類(lèi)疾病，還有腦血管疾病、腦腫瘤等非神經(jīng)細(xì)胞相關(guān)疾病，科研人員已經(jīng)做了大量研究，不少成果也已在臨床應(yīng)用，但與腦認(rèn)知障礙性疾病相關(guān)的神經(jīng)環(huán)路、功能區(qū)及網(wǎng)絡(luò)連接機(jī)制等依然是尚未解決的科學(xué)問(wèn)題。”北京腦科學(xué)與類(lèi)腦研究中心主任、清華大學(xué)教授羅敏敏說(shuō)。
可喜的是，近年來(lái)，伴隨著腦科學(xué)研究的深入，我們對(duì)大腦健康的認(rèn)知正不斷拓展。在抑郁研究方面，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院薛天課題組首次詮釋了光在白晝和夜晚截然相反的情緒作用及其內(nèi)在機(jī)理，證明夜間不正常光線(xiàn)會(huì)造成抑郁等負(fù)面情緒。來(lái)自暨南大學(xué)的研究者在小鼠腦內(nèi)找到了一條從視網(wǎng)膜到大腦外側(cè)韁核的神經(jīng)通路，為人們進(jìn)一步理解光療抗抑郁的作用機(jī)制提供了線(xiàn)索。
“光療更多的是針對(duì)季節(jié)性抑郁，抑郁產(chǎn)生的原因有很多，有些跟激素的釋放有關(guān)，有些跟炎癥有關(guān)，有些還有很重的遺傳因素，目前的治療方法也是多種多樣。”羅敏敏說(shuō)。
再比如，在藥品成癮問(wèn)題研究上，離不開(kāi)對(duì)腦內(nèi)分泌物多巴胺的研究。多巴胺是一種神經(jīng)傳導(dǎo)物質(zhì)，它傳遞興奮及開(kāi)心的信息，和人的情欲、感覺(jué)有關(guān)，也與各種上癮行為有關(guān)。多巴胺細(xì)胞是合成并釋放多巴胺的神經(jīng)細(xì)胞，被認(rèn)為是大腦獎(jiǎng)賞系統(tǒng)中非常重要的一類(lèi)細(xì)胞，起到強(qiáng)化學(xué)習(xí)、調(diào)控動(dòng)機(jī)的作用，而且對(duì)記憶的形成也起著重要作用。
“成癮物質(zhì)的攝入會(huì)導(dǎo)致腦內(nèi)多巴胺的大量釋放，即使成癮物質(zhì)本身對(duì)人體沒(méi)有任何好處，但是大腦還是把它當(dāng)作一個(gè)‘獎(jiǎng)賞’。比如一些人明明知道自己的行為不對(duì)，最后還是控制不住，這是因?yàn)槌砂a物質(zhì)已經(jīng)把他的腦子‘綁架’了，形成了一個(gè)病態(tài)記憶，以至于對(duì)成癮物質(zhì)表現(xiàn)出強(qiáng)烈的動(dòng)機(jī)。”羅敏敏解釋?zhuān)皬睦碚撋现v，治療成癮需要把相關(guān)的病態(tài)記憶抹除掉，但又要非常小心，不能抹除掉正常的記憶。同時(shí)也要有選擇性地降低對(duì)成癮物質(zhì)的動(dòng)機(jī)，還不能影響其他動(dòng)機(jī)。如果某一天科學(xué)家已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)記憶進(jìn)行非常準(zhǔn)確的操控，那就意味著我們可以完全治療成癮?！?/p>
“目前我們主要研究多巴胺細(xì)胞在不同腦區(qū)的不同功能，要更精細(xì)地了解與之相關(guān)的神經(jīng)環(huán)路功能是一個(gè)很艱難的挑戰(zhàn)。隨著我們對(duì)多巴胺系統(tǒng)理解的不斷加深，一定能為治療藥物成癮提供新思路。”羅敏敏說(shuō)。
腦科學(xué)與臨床醫(yī)學(xué)的關(guān)聯(lián)不只在實(shí)驗(yàn)室，還包括來(lái)自臨床的很多資料、數(shù)據(jù)的對(duì)接轉(zhuǎn)化。
“作為大腦運(yùn)動(dòng)語(yǔ)言區(qū)的布羅卡區(qū)，是19世紀(jì)60年代由法國(guó)外科醫(yī)生布羅卡發(fā)現(xiàn)的。當(dāng)時(shí)一名鐵路工人因?yàn)槟X部受傷出現(xiàn)失語(yǔ)癥狀，等病人去世時(shí)醫(yī)生做了解剖，發(fā)現(xiàn)病人大腦的某一區(qū)域出現(xiàn)了損傷，由此判斷這片區(qū)域的功能和語(yǔ)言有關(guān)?！壁w繼宗介紹，這樣的例子在當(dāng)前也有很多，例如目前DBS（腦深部電刺激）在治療帕金森病方面有比較廣泛的應(yīng)用，我們結(jié)合MRI（磁共振成像），對(duì)帕金森病的神經(jīng)調(diào)控環(huán)路進(jìn)行研究，試著探索帕金森病的病因。“在治療過(guò)程中還發(fā)現(xiàn)，DBS對(duì)阿爾茨海默病、抑郁等也有效果，我們進(jìn)行了相關(guān)臨床試驗(yàn)，希望在阿爾茨海默病的機(jī)制研究上有所突破?！?/p>
腦科學(xué)的進(jìn)步需要基礎(chǔ)研究者與臨床醫(yī)生共同探索
與諸多科幻作品中描繪的人類(lèi)完全操控大腦、實(shí)現(xiàn)記憶交換不同的是，現(xiàn)實(shí)中腦科學(xué)遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到如此高的水平。正如采訪(fǎng)中羅敏敏所說(shuō)：“意識(shí)是怎么回事，睡眠是怎么回事，學(xué)習(xí)和記憶是怎么回事，語(yǔ)言是怎么產(chǎn)生的，情緒是怎么控制的，每天的進(jìn)食是怎么調(diào)控的……這些都和腦科學(xué)有關(guān)，可以說(shuō)目前我們所了解、理解的東西還是非常少的。”
腦科學(xué)研究為什么這么難？
“大腦是一個(gè)非常復(fù)雜、動(dòng)態(tài)的系統(tǒng)，腦科學(xué)需要的技術(shù)有很多，比如如何大規(guī)模實(shí)時(shí)記錄多腦區(qū)、多細(xì)胞的神經(jīng)活動(dòng)，怎樣多腦區(qū)調(diào)控神經(jīng)細(xì)胞活動(dòng)，很多神經(jīng)信號(hào)在分子水平是怎么回事？這些觀(guān)測(cè)需要的技術(shù)手段目前還很缺乏?！痹诹_敏敏看來(lái)，腦科學(xué)是一個(gè)十分重視技術(shù)又跨學(xué)科的領(lǐng)域?！拔覀儚母餍懈鳂I(yè)學(xué)到了很多東西，包括計(jì)算科學(xué)、電子科學(xué)、化學(xué)等。我們過(guò)去20年最重要的一項(xiàng)技術(shù)——光遺傳學(xué)，實(shí)際上就來(lái)自于植物對(duì)光的感受的離子通道的研究，基因編輯技術(shù)CRISPR-Cas9來(lái)自免疫學(xué)和微生物學(xué)，IPS（誘導(dǎo)性多能干細(xì)胞）來(lái)自醫(yī)學(xué)。這些技術(shù)對(duì)腦科學(xué)研究助力很大，但還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠?！?/p>
因此，腦疾病相關(guān)研究常常陷入困局。
“從1817年首次發(fā)現(xiàn)帕金森病至今已有200多年歷史，雖然在臨床治療上有不少進(jìn)展，但其發(fā)病率仍居高不下。2015年全球約有450萬(wàn)帕金森病人。阿爾茨海默病的情況與之類(lèi)似，自1901年被發(fā)現(xiàn)以來(lái)，也沒(méi)有較好的治療手段。”趙繼宗介紹，近些年抑郁癥得到了社會(huì)廣泛關(guān)注，現(xiàn)在抑郁癥不但發(fā)生在成年人身上，也發(fā)生在孩子身上?！斑@些疾病都有一個(gè)關(guān)鍵難題，就是發(fā)病機(jī)理不明?！?/p>
而且，治療手段仍然有限?！半m然醫(yī)院有了各式各樣的手術(shù)機(jī)器人，手術(shù)的精度提高了很多，但一旦定位到腦區(qū)后，能做的事情還是很少，比方說(shuō)大腦中發(fā)現(xiàn)一個(gè)腦瘤或者癲癇灶，目前還是把病灶損毀掉，并沒(méi)有一個(gè)更有效更安全的療法。”羅敏敏說(shuō)。
關(guān)于腦認(rèn)知疾病藥物研發(fā)的臨床試驗(yàn)也充滿(mǎn)曲折。究其原因，“在于人類(lèi)認(rèn)知、情緒和行為改變等腦認(rèn)知功能研究無(wú)法完全用動(dòng)物實(shí)驗(yàn)替代。”趙繼宗說(shuō)，實(shí)驗(yàn)用的小鼠腦和人類(lèi)大腦差別很大，很多實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和研發(fā)的藥物在小鼠身上有用，到人身上就無(wú)效了。
作為與臨床醫(yī)學(xué)緊密結(jié)合的科學(xué)，腦科學(xué)的進(jìn)步需要基礎(chǔ)研究者與臨床醫(yī)生共同探索。“臨床醫(yī)學(xué)可以為腦科學(xué)基礎(chǔ)研究發(fā)現(xiàn)科學(xué)問(wèn)題，提供臨床資料?；A(chǔ)研究的成果可以在臨床上得到驗(yàn)證和應(yīng)用?！壁w繼宗說(shuō)。
腦科學(xué)有望給人類(lèi)發(fā)展帶來(lái)實(shí)質(zhì)性進(jìn)步
《科學(xué)》雜志創(chuàng)刊125周年時(shí)，邀請(qǐng)全球幾百位科學(xué)家討論歸納出125個(gè)當(dāng)今世界最重要的前沿科學(xué)問(wèn)題，涉及生命科學(xué)的占到了46%，其中18個(gè)問(wèn)題屬于腦科學(xué)，包括意識(shí)的生物學(xué)基礎(chǔ)、記憶的儲(chǔ)存與恢復(fù)、人類(lèi)的合作行為、成癮的生物學(xué)基礎(chǔ)等，這些問(wèn)題至今仍是科學(xué)研究的最前沿。
《2021年全球腦科學(xué)發(fā)展報(bào)告》提到，腦科學(xué)是生命科學(xué)最尖端、最前沿的領(lǐng)域，也是人類(lèi)最難攻克的“科學(xué)堡壘”之一，腦科學(xué)也是諸多前沿科技發(fā)展的基礎(chǔ)，如人工智能、腦機(jī)接口、信息科學(xué)、仿生科學(xué)等……尤其在神經(jīng)性和精神性疾病領(lǐng)域，我們迫切需要腦科學(xué)的進(jìn)步為其防治提供新思路新方案。
2014年3月，我國(guó)召開(kāi)香山科學(xué)會(huì)議，專(zhuān)門(mén)探討中國(guó)腦科學(xué)研究計(jì)劃的目標(biāo)、任務(wù)和可行性?！爸袊?guó)腦計(jì)劃的核心是‘一體兩翼’，‘一體’是以闡述人類(lèi)認(rèn)知的神經(jīng)基礎(chǔ)為主體和核心，‘兩翼’是加強(qiáng)預(yù)防、診斷和治療腦認(rèn)知障礙疾病研究以及通過(guò)計(jì)算和系統(tǒng)模擬推進(jìn)人工智能研究。”趙繼宗介紹，“十四五”規(guī)劃和2035遠(yuǎn)景目標(biāo)綱將“腦科學(xué)與類(lèi)腦研究”列入科技前沿領(lǐng)域攻關(guān)項(xiàng)，腦科學(xué)的發(fā)展前景值得期待。
近年來(lái)，伴隨著人工智能領(lǐng)域的發(fā)展，腦科學(xué)與類(lèi)腦研究又一次成為大眾討論的熱門(mén)話(huà)題，在羅敏敏看來(lái)，當(dāng)前的人工智能和人腦還是兩種不同的智能形態(tài)。“我們?nèi)四X的計(jì)算是帶著偏見(jiàn)的客觀(guān)，帶著情緒來(lái)看待世界，特別強(qiáng)調(diào)情緒和覺(jué)醒的作用，而人工智能則不會(huì)受情緒影響，如同一個(gè)‘冷酷’的持續(xù)高速運(yùn)行的大腦。當(dāng)然人工智能和腦科學(xué)也有相互交叉、相互借鑒的地方，腦科學(xué)可以借助人工智能進(jìn)行相關(guān)研究，人工智能也可以借鑒人腦的一些特點(diǎn)，包括存算一體等?！?/p>
“當(dāng)年電氣化剛剛出現(xiàn)，很多人將大腦的運(yùn)行理解為開(kāi)關(guān)、電路；計(jì)算機(jī)出現(xiàn)后人們開(kāi)始用神經(jīng)環(huán)路、集成電路的概念來(lái)理解大腦；現(xiàn)在，人工智能的不斷發(fā)展，又給腦科學(xué)研究帶來(lái)了一些新的概念，但其實(shí)和人腦的計(jì)算原理還是有很大差別?！绷_敏敏說(shuō)，某種意義上，腦科學(xué)是一個(gè)非常年輕的科學(xué)，如果有人想從事相關(guān)科學(xué)研究，希望能夠給人類(lèi)發(fā)展帶來(lái)實(shí)質(zhì)性進(jìn)步的話(huà)，應(yīng)該投入到這門(mén)新興的科學(xué)里來(lái)。
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