生命之光

大脑是人体最重要的器官，也可能是宇宙间最复杂的物体——结构复杂、功能复杂，比目前规模最大的超级计算机还要复杂无数倍。这个复杂的物体是怎么出现的呢？只能说，它是生物演化过程中的一个奇迹。

大脑外面的皱褶层叫作大脑皮层，是所有重要的脑功能的关键区域。理解大脑，不仅要知道大脑皮层的结构和功能，还要知道大脑皮层里那些复杂的神经核团的功能。为理解这些问题，科学家至少花了200年。

在过去的一个世纪里，诺贝尔奖涉及的神经科学中的重要发现都跟大脑的信息编码、储存相关。现在，我们对大脑传导机制（如大脑如何处理信息、神经细胞怎样编码和传导信息、信息如何从一个神经元交互到另一个神经元等）理解得比较清楚；对不同的神经元的作用，及其在各种功能中会产生什么反应，也很清楚。

但是，我们只对神经细胞如何处理信息了解得很清楚，而对整个大脑复杂的网络结构还知之甚少。例如：到底是什么原理使得神经细胞在某种情况下发生某些反应，我们并不是很清楚；对大脑中的信息处理不太了解，对各种感知觉、情绪，以及一些高等认知功能——思维、抉择甚至意识等，理解得比较粗浅。

2005年7月，《科学》杂志为庆祝创刊125周年，邀请全球几百位科学家讨论当今世界最重要的前沿科学问题，最终归纳出“125个科学问题”，其中18个问题属于脑科学。排在最前面的脑科学问题包括意识的生物学基础、记忆的储存与恢复、人类的合作行为、成瘾的生物学基础、精神分裂症的原因、引发孤独症（自闭症）的原因，这些都是人们关心且未被解决的重大问题。尽管这“125个科学问题”是十多年前总结的，但现在公认的重大脑科学问题依旧未变。

诚如上述，虽说脑科学研究已有相当的进展，但是未知的比已知的内容还是多得多。脑科学现在的处境，相当于物理学和化学在20世纪初期的处境，有很多事情已经搞清楚，但是重大的理解和突破尚未出现。所以，现在的脑科学是生物科学里比较神秘的领域。从这点来说，脑科学将成为未来生命科学发展中很重要的一个领域。因而，脑科学不仅是21世纪的前沿科学，甚至到22世纪依旧是前沿科学。

目前，脑科学研究的最关键问题：理解大脑图谱结构。大脑不同皮层的部位有不同的功能。例如，大脑后方是视觉功能区，最前方的上侧有运动功能区、感觉功能区、嗅觉功能区，前方还有语言功能区。假如大脑出现损伤，比如脑卒中（俗称“中风”）以后，受损区域对应的功能就会丧失。目前，我们只是大致理解上述脑区和功能的关系，而对更多的细节就不清楚了。

大脑皮层的各个区域负责不同的脑功能

现在应用非常广泛的脑成像技术为正电子发射计算机断层显像（PET），各大医院中都有PET设备。PET可以观测到大脑里哪些区域有电活动，而如果有电活动就表明该区域有功能正在进行。如果电活动异常，表明该功能出现异常。例如：对大脑功能正常的人进行测试，给他看几个字，就会发现其大脑后方有电活动；给被试者听几个字，其听觉区就有电活动；让被试者说几个字，其大脑左侧的语言区就有反应；但是如果让被试者闭上眼睛不说、不讲、不听，回想刚才看到的几个字是什么意思，其大脑里便会几乎到处都有电活动。这个奇怪的现象说明思考是一件非常复杂的活动，它牵涉到大脑里的很多区域。

为什么只是“想几个字的意义”，大脑网络就会几乎全部开始活动？要理解这点，目前还相当困难，想要知道大脑全部的未知奥秘，首先要理解的就是大脑的神经网络。

PET扫描显示出不同情况下的脑活动，a：看几个字，b：听几个字，c：说几个字，d：想几个字。 来源：Principles of Neural Science（5th Edition），美国麦格劳教育出版社2014年出版。

在人脑中，上千亿的细胞连在一起，送出很多“导线”——神经科学中称为轴突，以跟其他细胞连接，最终形成了大脑的神经网络。大脑共有1000亿个神经元，而且每个神经元的放电模式不同，编码模式不同，信息处理方式也不同。

大脑如此复杂！所以，要理解这个复杂的系统如何工作，是很大的挑战。但我们仍可以从3个层面更好地理解这个网络。

宏观：PET、磁共振成像（MRI）等功能成像手段，提供的是分辨度在厘米或毫米层面的宏观视野。在这个范围内，大致可以看到神经束在脑区之间的走向。每个神经束都由成千上万的神经细胞纤维构成。

介观：要进一步知道细节，必须在介观（介于微观和宏观之间的状态）层面对神经环路进行研究，了解每一个神经细胞如何跟其他不同种类的神经细胞进行连接，如何输送信息，以及在实现各种功能时有什么活动。

微观：在电子显微镜下对细胞进行观察，从微米到纳米层面，这样的微观尺度会让人看得更精细。

3个层面的神经连接图谱

目前，神经科学最关键的一点，就是从已知的宏观层面进入介观层面，进而理解大脑网络结构的形成与功能。例如，把小鼠大脑皮层的52个神经细胞用荧光标记后切片，重构其三维结构，其中每一种颜色代表一个神经细胞。结果发现，大脑的复杂性难以想象！即便是这52个细胞，也还有不同的种类，它们在大脑中分布的规则也不一样。这还仅仅是小鼠的52个细胞，而人脑有上千亿个细胞。所以，要真正分析人脑，困难该有多大！这正是目前神经科学面临的一个重大挑战。因此，未来脑科学的第一个关键点就是在介观层面上弄清大脑的网络结构，即图谱结构。

大脑的信息传导靠的是电，电活动像电波一样在神经细胞里传导。它跟电子在电线中的传导不同，因为这种横波是跨过细胞膜的离子流动造成的——阳离子从外面流入细胞内，造成了膜电位的波动，波动不断向前推，其推动速度只有几百米/秒，比电子流的速度慢很多。当这种电波传到神经轴突终端的时候，会把信息传递给下一个细胞。一个神经细胞之所以能够把电信息传给下一个细胞，借助的是释放一种叫做神经介质的化学物质。当神经介质传到下一个神经细胞后，就会触发下一个细胞的电活动，这就是电信号的传导模式。如何观测电信号以及理解电信号在网络中的处理模式等问题，是我们现今要了解的关键问题。

作者系中国科学院院士，中国科学院上海生命科学院神经科学研究所所长、研究员，中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心主任。在神经生长和轴突导向、神经元极性建立和神经元迁移、神经环路功能及可塑性等领域取得了一系列重要研究成果。

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