回顾:十大重要的脑科学研究

近10年来,人们对大脑的认知迅速增长。诊断和分子技术的巨大发展已经揭开了一些大脑的奥秘,科学家正开始解析这些重大发现,并用于对应日常行为甚至疾病。《科学美国人》专版回顾了重要的10个脑科学研究,以及它们的重大贡献。

       科学家兼作家Lyall Watson曾经说过:“我们永远无法理解大脑。”在人类的头颅中上亿个不断发出电信号的神经元组成密密麻麻的网络,已经困扰了科学家几个世纪。然而,近10年来,人们对这个神秘器官的认知迅速增长。诊断和分子技术的巨大发展已经揭开了一些大脑的奥秘,科学家正开始解析这些重大发现,并用于对应日常行为甚至疾病。加州大学旧金山分校的神经科学家Michael Stryker表示:“现在的神经科学已经变得跟当年完全不一样了,对于5年前退休的同事们来说真是太遗憾了。”《科学美国人》MIND专版回顾了重要的10个脑科学研究,以及它们的重大贡献。 

1 神经遗传学

20年前,为了诊断神经系统疾病,医生会采用既昂贵又对大脑有侵入性的手段,比如脑扫描、脊髓穿剌和活体组织切片检查。有些父母担心自己携带的遗传疾病会传给孩子。如今,许多退行性疾病、癫痫和运动障碍都能通过快速简易的血液检查得到筛查。这得益于2001年完成的人类基因组图谱,人类基因组计划(HGP)掀起了一波新型测序技术的发展浪潮,科学家由此推进了对导致神经和精神异常的人类遗传途径的认识。
 

图为国家自然历史博物馆里的人类基因组展览
 

其他的研究虽然还没有能够衍生出诊断神经疾病的方法,但却为人们深入了解神经机理,从而解决诸多未解难题打开了重要的大门,科学家已经在精神分裂症、阿兹海默氏症、抑郁症和孤独症和其他疾病患者血液中追踪到少量异常DNA。未来,快速识别疾病相关基因将改变诊断和治疗脑部疾病的方法。
 

2 大脑图谱

2000年初,为了完成认识人类大脑工作机制的伟大目标,慈善家Paul Allen召集了一群专家。2003年,在HGP完成不久后,他们组成了位于西雅图的艾伦脑科学研究所,开始绘制小鼠大脑中的基因活性区,并将成果汇集成在线数据库(或图谱)。目前数据库也包括了人类和非人类灵长类动物的数据。不受限制而且详尽的基因活性图谱有助于研究人员设计出各种遗传工程小鼠,表达特定细胞类型或基因,这些基因与某些疾病或行为相关。现在,艾伦脑科学研究所继续建立各种图谱,它最近推出了一个10年计划,不仅要研究特定基因被激活的位置,还要研究这些遗传线路如何将浩瀚信息输入大脑。作为美国总统奥巴马倡议的大脑计划(White House BRAIN Initiative)的主要参与者,美国国立卫生研究院(NIH)刚刚批准了870万美元研究经费,用于绘制小鼠和人类大脑中的神经连接。研究的最终目标是要改变研究脑部疾病和障碍的方式。

图为运用艾伦脑科学研究所的脑图谱软件虚拟跟踪技术,得到的大脑皮层3D俯视图
 

3 大脑可塑性

Stryker说,科学家长期认为成人的大脑是一个相对静态的器官。就在15年前,他们还认为,大脑在婴儿期和幼儿期可塑性极强,此后改变不大。虽然在生命初期大脑具有最强的可塑性,“但在这十年中,科学家真正开始认识和利用成人大脑可塑性,”Stryker指出。Lumosity等公司开发的大脑训练软件和任天堂公司开发的“轻松头脑教室”游戏,已经成为一种流行文化。《奥普拉杂志》(Oprah magazine)也发表文章,探讨如何“提高”你的大脑让它更“聪明”。NIH的高级研究员R. Douglas Fields认为,更好的成像技术和荧光标记细胞新方法的出现,使科学家能够在大脑学习新的信息之时对它进行研究,他说,“能观察到实验动物脑细胞的活动就能揭示了可塑性的机制”。
 


 

4 大脑导航的奥秘

长久以来,科学家们都在苦苦思索人们天生的认路能力的机理是什么,而直到1971年,伦敦大学的John O’Keefe教授的突破性进展为这项研究迈出了跨时代的一步。他在动物的海马体,一个和记忆息息相关的重要大脑区域,发现了所谓“定位细胞”,该细胞只有在动物处于某个特定的地点才会产生神经冲动,在其它的地点就不会。通过这个发现,John成功地揭示了人类能够拥有空间辨别能力的神经学原理。
 


 

而在2005年,来自挪威科技大学的May-Britt 和Edvard Moser夫妇在“定位细胞”附近的大脑皮层发现了一种全新的空间位置细胞——“网格细胞”。这两位科学家在研究小白鼠在盒子里运动的神经电活动时,意外地发现如果把大脑中被激活细胞的位置记录下来,会出现一个网格形状。这种“网格细胞”使大脑能像导航仪一样实时地追踪动物的位置信息。“网格细胞”和“定位细胞”共同运作,使得动物拥有定位能力。“这项发现是有史以来人类在大脑领域最引人注目的发现之一,”华盛顿得克萨斯州医学院地神经生物学博士James Knierim在2007年环球科学杂志MIND板块这样评价。在今年10月,这三位科学家被共同授予了2014年度诺贝尔医药学奖。
 

5 有趣的记忆

大脑的一大神秘之处是,人们仍然无法准确说明记忆是什么,神经回路如何储藏特定的回忆。然而,在过去的十年中,关于记忆的限制,科学家收获颇丰。纽约大学神经科学中心学者André Fenton认为,记忆不一定像白纸黑字写进我们的大脑,不容更改,而像刻在粘土板上,每一次回忆,就像用手指在粘土板划过,原有的字迹慢慢模糊。正在进行的生命活动导致记忆随着时间推移而改变。
 


 

此外,思维定式和情绪可以影响人的注意力和记忆。科学家们正在研究一些实验化学制剂,注射后可干扰记忆形成蛋白,消除某些不适感觉,比如吸毒者对毒品的欲望。研究人员甚至设法诱骗小鼠形成完全虚假的记忆。记忆的形成和回忆是一个逐步发展、激活和可塑的过程,涉及大脑许多不同部分的工作,目前对这方面的研究还没有探明完整的复杂机制。
 

6 诊断进展

在过去的十年,一些以连接心身为目的的治疗技术获得了发展。特别值得注意的是认知行为疗法(CBT),这种谈话疗法用于研究人的思想和情感如何影响行为,提出对策,阻止不良信念。美国马里兰州一名临床心理学家Mary Alvord介绍,CBT在20世纪60~70年代首次出现,主要用来治疗恐惧症和焦虑症。然而,几十年来,CBT的适应症已大大扩展。 2012年,对100个病例的综合研究发现,CBT不仅是科学合理的焦虑症疗法,而且也适用于贪食症、愤怒、紧张和引起疼痛的精神疾病。
 


 

如今,其他行为技术已经越来越流行,包括:鼓励参与者适应现实的正念禅修,还有辩证行为治疗。后者主要是基于CBT,但增加了新的方法,强调以情绪调节解决严重的心理健康问题,如自杀的想法。Alvord希望,这些疗法今后可能与药物同样有效。他说:“药物不改变你的生活方式,也不能教你如何更好地与他人相处,而这些疗法更像能力的提升,给人以希望。”
 

7 光遗传学技术

2005年,斯坦福大学的科学家们公布了一项令全世界研究者都十分震惊的技术——光遗传学技术。他们通过光线像开关一样高精度地激活或抑制实验个体的神经元。在这之前,传统的神经操控技术使用电刺激,精度是非常低的。因此,美国加州大学的Stryker教授这样评价:“这项技术彻底颠覆了现有的神经领域研究方式。以前的研究中我们完全不知道电刺激的是那个细胞,然而现在这些问题全部迎刃而解了。” 举一个实际的例子,当科学家们想要研究在小白鼠走迷宫时是哪一类神经元起到定位导航的关键性作用时,传统的做法是向白小鼠脑组织植入电极,一次通电会同时刺激上千个神经元,这使得精准定位变得十分困难。而现在,科学家们通过光遗传技术可以大幅提升定点操控的精准度。他们将光敏分子植入某一类脑细胞,它们只能控制特定类型的神经元和神经网络。通过光照,使这些脑细胞激活或抑制特定神经元,从而阐明它们与行为和精神疾病的关系。
 


 

通过植入纤维或在大脑中产生光敏分子等光遗传学手段改造的小鼠,这是斯坦福大学发明的技术
 

鉴于光遗传学的诸多好处,全世界范围内的很多神经科学实验室都已经采用了这项技术。“在过去的十年里,已经有数百个研究团体使用光遗传学技术来研究各种神经网络在行为、感知和认识过程中的作用。” 光遗传学的发明人之一,Ed Boyden教授在2014年科学美国人》杂志MIND版上这样写道。在未来的研究中,光遗传学技术将向人们揭示大脑细胞如何产生感情、思想和运动,以及它们的功能紊乱如何导致精神疾病。
 

8 神经胶质细胞的新作用

神经胶质细胞一向不太受人重视。与神经元不同,它们之间没有生物电通讯,数百年来,科学家认为这些细胞虽然在大脑中含量丰富,但仅仅作为包装材料进行大脑的辅助功能。 “科学家认为比起令人兴奋的神经元来,它们是无关紧要的迟钝细胞,”NIH的Fields说。然而,新的成像方法终于给了科学家研究胶质细胞的机会,他们发现,在记忆和学习等重要的大脑功能中,神经胶质细胞起着关键作用。 “这是个全新的领域。神经胶质细胞更为复杂和多样,并不像神经元,“他指出,“胶质细胞的作用不同于神经元,这意味着,我们必须了解它们。”
 

图为染色的大鼠星形胶质细胞
 

9 神经移植技术

当人们因为受伤、疾病或者中风的原因,导致大脑某处十分关键的部位收到损伤时,恢复治疗会变得相当困难。此时,神经移植技术也许将成为修复大脑损伤的唯一手段。历史上第一个被广泛使用的可移植神经装置是人造耳蜗,一个在上世纪八十年代开始推广的内耳装置。劳伦斯-利弗莫尔国家实验室中心生物工程科主任SatinderpallPannu这样评价到:“在过去的十年里,由于半导体制造业的飞速发展,人造耳蜗的音质得到了大幅度的提升。”人工耳蜗已经让全球超过25万人恢复了听觉,而刚刚投入医疗使用的人工视网膜将有同样广泛的应用。2011年,第一个人工视网膜移植手术获得了临床实验成功。该技术在2013年正式投入市场,为广大退化性眼部疾病患者带来福音。
 

图为放置在视网膜上的电极
 

其他的神经移植治疗技术,比如大脑深度刺激法和迷走神经刺激法,为深受脑部顽疾困扰的患者,比如帕金森病患和癫痫患者,带来了前所未有的希望。近来,研究者们正在探索这些新技术在最常见的精神疾病中的应用,比如抑郁症、强迫症、成瘾和疼痛等。现在的神经移植技术已经改变了利用电流对大脑特定区域刺激的传统方式。Pannu还大胆地预测了未来的神经治疗图景——利用释放化学物质来修复造成大脑疾病的神经紊乱,这样就可以治疗很多棘手的疾病,比如抑郁症。
 

10 决策的大脑机制

对人们来说,做决定总是一种煎熬。有时候仅仅是决定早上穿什么的简单选择都会让人无比纠结。在过去的十年里,有数十本书籍和几百篇科研论文都试图寻找影响人们决策的心理学因素。然而还没有一项研究能有著名心理学家,诺贝尔奖得主Kahneman在2011年的著作《思考,快与慢》那样广泛的影响。
 


 

在他的书中,Kahneman总结了科学家们对认知偏差数十年的研究成果,并提出了一个被人们广为接受的观点:人们的大脑有两个截然不同的机制共同协调做出决策,其中一个是自动的,无意识的思考,被称为“系统1”,另一个更加的主观,带有强烈的个人因素,被称为“系统2”。系统1负责做出快速反应,比如面对高速驶来的摩托车人们会快速的跳开。而系统2则会帮助人们解决更加复杂的数学问题或者倒着背诵一长串字母。
 

通过将读者的注意力集中于深刻理解大脑决策的优缺点上,Kahneman帮助读者避免一些常见的错误,从而能够做出更好的选择。如同评论家Glenda Cooper所评论的那样,“这部发行量超出一百万册的著作已经获得了‘大师杰作’,‘人类思想的里程碑’的赞誉”。而这部著作的作者本人则被冠以“当世最举足轻重的心理学家”之美称。

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