大脑奥秘环路

墨子沙龙第五期——蒲慕明院士专题

蒲慕明▍墨子沙龙第五期《潜入大脑》科普报告对大脑结构与功能的理解是人类认知自然界及自身的终...

蒲慕明院士 ▍墨子沙龙第五期

对大脑结构与功能的理解是人类认知自然界及自身的终极挑战。大脑以其卓绝的能力使人类能够在各种环境下生存，能改造自然以趋利避害，并且建立了一个能将知识进行积累和传承的社会形态，正是大脑使得人类能够从万物中脱颖而出。人类大脑这些独特的能力是如何在一个相对较短的进化过程中演化而来的呢？这些独特的能力又是如何在大脑结构的基础上产生的呢？因人而异的经历如何塑造了个人不同的个性与能力呢？这些有意思的问题已让科学家们着迷多年。

在过去的一个世纪中，科学家们主要通过两种途径对大脑的结构和功能进行了研究。第一种途径是去发现特定的脑功能是由哪些脑区负责的。以前，这一途径是通过识别人类（或实验动物）中针对特定脑区的脑损伤或脑疾病会对哪些特定脑功能造成伤害而实现的。如今，得益于近期脑成像技术所取得的进展，我们已经实现了对参与执行正常脑功能的各个脑区进行非侵入性识别。在第二种途径中，通过对动物大脑在细胞层次的解剖学和生理学研究，我们不仅了解了构建大脑的基石—神经细胞的特性和功能，而且了解了由特定神经细胞组成的神经网络如何能够进行感觉信号处理中运动的协调和一些简单的认知功能。虽然这两种途径取得的巨大进展实现了自上而下（top-down）的对脑功能定位的了解，以及自下而上（bottom-up）的对神经细胞和神经网络功能的理解，但是在这两个层面的了解之间仍然存在着一个巨大的沟壑。我们甚至还不清楚在我们脑中由成千上万个神经元组成的神经网络具体是如何实现一些简单的功能。比如说如何记住祖母的面容，下次见到她时如何能认得她，或者告诉她你爱她。

蒲慕明院士

从这一期特别策划的内容我们可以看出：在过去的数十年中，不论是对宏观脑功能还是微观神经环路特性的理解，脑科学研究在各个领域均取得了快速的进展。然而，这两个层次的研究之间的沟壑仍然有待填补，而那正是大脑奥秘的所在。在未来数十年中，脑科学家将要面对大量而困难的工作，因为揭开大脑奥秘需要整合不同学科的实验手段和一些新的概念构架（目前这些基本还没有）来联系在不同层次对大脑的了解。为什么在大脑的宏观和微观理解之间那尚未填补的沟壑上架起一座桥梁是如此重要呢？因为这是现代科学的目标—理解自然就是要理解一个自然现象如何从它组成部分的特性中呈展产生。所以，若不能联系上与更高或更低层次上的因果关系，任何从认知、环路、细胞和分子等单一层次上对一个神经的现象进行的描述都是不完整的，也不可能令人满意。目前，神经科学家对某些脑区参与了某个特定脑功能的这种描述已不会感到满意。我们更需要知道的是实现这些脑功能的神经环路、神经元类型和塑造这些神经环路的突触联系方式，以及负责这些个体神经元发育、功能和可塑性的遗传和分子机制。这期专辑中介绍的脑科学研究进展为我们呈现了几个窥视大脑奥秘的窗口。如何破解这些大脑的奥秘正是未来几代人，可能包括读者您自己，所要面对的最令人兴奋和最具挑战性的任务。