腦科學現(xiàn)在研究什么

文/王雷（華東師范大學）

對于神秘的大腦，自古以來就有各種各樣思辨式的哲學探討，現(xiàn)在我們有更先進的儀器，更科學的方法來窺探它。從微觀細胞到宏觀的腦結(jié)構(gòu)，從個體感覺知覺到情緒輸出，從社交感知到社會認知，從AI到腦機接口等等，腦科學領(lǐng)域真是百花齊放，百家爭鳴。

歐美和日本早在20世紀90年代就提出了著名的“腦的十年”計劃，我國20世紀80年代成立中國科學院上海腦研究所，“腦科學與類腦研究”在“十三五”規(guī)劃綱要中被確定為體現(xiàn)國家戰(zhàn)略意圖的重大科技創(chuàng)新項目和工程之一。

腦科學現(xiàn)在都在研究什么呢？

方向一：認知功能的細胞基礎(chǔ)

大腦由神經(jīng)元和膠質(zhì)細胞組成。對神經(jīng)元的研究目前集中在神經(jīng)元的分類上，高通量RNA測序技術(shù)被廣泛應用于神經(jīng)元分類研究，對神經(jīng)元的精準分類將會有助于人們深入理解神經(jīng)元在認知網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮的作用。膠質(zhì)細胞其實更為重要，它參與了多種記憶過程。許多精神疾病，例如自閉癥、精神分裂等都與它有關(guān)。對膠質(zhì)細胞的研究目前多用鼠來完成，集中在星形膠質(zhì)細胞、小膠質(zhì)細胞和少突膠質(zhì)細胞上。另一方面，技術(shù)的進步不僅使得我們可以記錄到單細胞神經(jīng)元的活動以了解其功能，還可以做到同時記錄數(shù)以百計的同一腦區(qū)或者不同腦區(qū)的一群神經(jīng)元在同一任務(wù)態(tài)下的活動情況，從而幫助我們了解組織起來的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是如何參與人們的各種心理與認知活動的。

方向二：個體基本認知功能的神經(jīng)機制

基礎(chǔ)認知功能包括視覺、聽覺、觸覺、味覺等，也包括意識與注意。這些都是我們個體感知世界的基本認知功能，任何一項高級活動（指需要大腦皮層參與的，協(xié)調(diào)各感官共同參與的活動，譬如：語言、思維和實踐活動）都離不開這些基礎(chǔ)認知的初級加工。缺失基礎(chǔ)認知功能，高級活動無法完成時，就會產(chǎn)生神經(jīng)疾病。因此，對基礎(chǔ)功能的研究越透徹，就越能高效、精準地解決神經(jīng)疾病問題。

眼睛是我們看世界的窗口，視覺信息如何被捕獲？又如何被識別？動態(tài)信息如何被擷取和處理？這些研究的成果對醫(yī)學、教育等領(lǐng)域均有至關(guān)重要的作用。過去的經(jīng)典理論認為，視覺通路有兩條：參與空間位置直覺的背部通路（Where），它開始于紋狀皮層，結(jié)束于后頂葉；參與形狀知覺的腹側(cè)通路（What），開始于紋狀皮層，結(jié)束于下顳葉。近些年來，科學家們又發(fā)現(xiàn)了處理本能視覺刺激下的恐怖信息的神經(jīng)通路：視網(wǎng)膜—中腦上丘—丘腦枕結(jié)節(jié)—杏仁核。

目前，腦科學領(lǐng)域比較有意思的視覺研究包含知覺學習、危險躲避、視覺記憶等。當視覺信息傳遞過來時，大腦便分配認知資源，這個時候就有注意了，但注意并不意味著我們能意識到這個信息，產(chǎn)生意識還需要我們對外部信息和自身狀態(tài)產(chǎn)生主觀知覺。

對注意研究比較突出的是北京大學的研究團隊，他們發(fā)現(xiàn)，對知覺加工極早期階段的注意分配引導，可在視覺皮層階段進行。

針對意識的研究，雙眼競爭范式是經(jīng)典又有趣的實驗模式。雙眼競爭是一種知覺在雙眼的刺激之間發(fā)生競爭的現(xiàn)象，指當雙眼呈現(xiàn)不同的視覺刺激材料時，雙眼并不能形成單一、穩(wěn)定和一致的視覺圖像，而是一只眼通常支配幾百毫秒到幾秒的注意（此時另一只眼仿佛不存在），隨后被另一只眼睛取代。

方向三：高級認知功能的神經(jīng)機制

記憶、需要、情緒、動機、決策、社交等，是我們?nèi)粘Ｉ钪谐Ｒ姷母呒壵J知功能，它由多種感覺、思想和行為綜合產(chǎn)生。常見的抑郁癥、焦慮癥、創(chuàng)傷后應激障礙（PTSD）等，多是高級認知功能障礙。

在這些高級認知功能中，有很多很有趣的現(xiàn)象，比如：記憶回放具有空間壓縮性，可以1分鐘回放過去一年的場景。新近發(fā)表的研究結(jié)果表明，獼猴也存在記憶壓縮和回放的能力，但和人類靈活的、高度發(fā)展的記憶不同，獼猴使用的是機械的策略，從頭開始一幀一幀地回放觀看過的事件。再比如，小鼠可以通過訓練自由地駕駛小車夠取食物；濫用毒品會導致神經(jīng)遞質(zhì)——五羥色胺（抑制性神經(jīng)遞質(zhì)）及多巴胺（興奮性神經(jīng)遞質(zhì)）傳輸?shù)奈蓙y，從而影響癮君子們對獎賞和懲罰的感知等。

慢性疼痛是醫(yī)學界亟待解決的難題之一，也是眾實驗室研究的一個熱點。疼痛也是一種強烈的情緒，在痛感覺與痛情緒之間存在強烈的交叉。最新研究顯示，前額葉皮層（PFC）神經(jīng)元興奮性改變（神經(jīng)元改變其興奮或者抑制狀態(tài)）調(diào)控著疼痛的微觀和環(huán)路機制，此方面研究對解答痛感覺和痛情緒的交叉影響起著關(guān)鍵的作用。

失戀時感到“心疼”，疫情中看到?jīng)_在一線的醫(yī)護人員會深受感動等都屬于社會痛的范疇，社會痛和生理痛存在著相似的神經(jīng)結(jié)構(gòu)。有趣的是，我們接受的職業(yè)訓練會影響人們對社會痛的感受力，比如，研究發(fā)現(xiàn)，多年的臨床工作就會顯著降低醫(yī)生的共情能力。

現(xiàn)代生活中，人們對精神疾病的關(guān)注越來越多。習得性無助被認為是抑郁癥研究中的經(jīng)典范式，習得性無助被認為是造成抑郁癥患者絕望感的關(guān)鍵因素之一。腦科學家發(fā)現(xiàn)，在情緒表達方面，果蠅大腦和人類大腦存在相似性。目前多數(shù)抑郁癥研究用果蠅完成。

由于大腦功能區(qū)萎縮導致的阿茲海默癥也是腦科學界熱門的研究主題，目前的研究多集中于此疾病的快速判斷方式，以及以動物為介質(zhì)研究發(fā)病機制，研制改善認知功能的藥物。

高級認知功能驅(qū)動著社會認知，例如情緒調(diào)控、態(tài)度改變、刻板印象、決策、道德、自我意識等，社會認知的神經(jīng)機制研究是很有意思的方向，人格與社會背景、行為與經(jīng)驗、認知信息加工及神經(jīng)機制基本可以概括社會認知神經(jīng)科學的全貌。通常情況下，科學家會從社會、認知和腦神經(jīng)層面的交互作用去理解心理現(xiàn)象。其中，在社會層面上，關(guān)注影響個體行為與經(jīng)驗的動機與社會因素；在認知層面上，關(guān)注導致社會現(xiàn)象的個體信息加工機制；在腦神經(jīng)方面，關(guān)注揭示認知和社會關(guān)系的神經(jīng)機制。未來認知神經(jīng)科學可能會從社會行為和社會認知的生物學基礎(chǔ)方面進行深入而廣泛的研究，未來的研究成果可能會應用于學校和醫(yī)院的情緒干預、社會異常行為干預等。

最后說說技術(shù)，無論是細胞基礎(chǔ)研究，還是個體與社會認知神經(jīng)基礎(chǔ)研究，都離不開技術(shù)發(fā)展的支持。如今，腦圖譜技術(shù)、超微影像技術(shù)、光遺傳技術(shù)、高通量光學成像等先進技術(shù)已被廣泛應用于微觀和介質(zhì)層面；腦刺激和腦成像技術(shù)、動物模型（包括靈長類動物）等技術(shù)已被廣泛應用于神經(jīng)科學的宏觀層面。

腦科學未來可期！