Ten big ideas in 10 yearsof brain science

·科學(xué)快報·

近10年十大重要的腦科學(xué)進展

Ten big ideas in 10 yearsof brain science

科學(xué)家兼作家 LyallWatson 曾經(jīng)說過：“我們永遠(yuǎn)無法理解大腦?！痹谌祟惖念^顱中上億個不斷發(fā)出電信號的神經(jīng)元組成密密麻麻的網(wǎng)絡(luò)，已經(jīng)困擾了科學(xué)家?guī)讉€世紀(jì)。然而，近10年來，人們對這個神 秘 器 官 的 認(rèn) 知 迅 速 增 長 ?！犊?學(xué) 美 國 人》M IND 專版回顧了重要的10個腦科學(xué)研究。

一、神經(jīng)遺傳學(xué)(neurogenetics)

20年前，為了診斷神經(jīng)系統(tǒng)疾病，醫(yī)生會采用既昂貴又對大腦有侵入性的手段，比如腦掃描、脊髓穿剌和活體組織切片檢查。有些父母擔(dān)心自己攜帶的遺傳疾病會傳給孩子。如今，許多退行性疾病、癲癇和運動障礙都能通過快速簡易的血液檢查得到篩查。這得益于2001年完成的人類基因組圖譜 ，人類基因 組 計劃(human genome project，HGP)掀起了一波新型測序技術(shù)的發(fā)展浪潮，科學(xué)家由此推進了對導(dǎo)致神經(jīng)和精神異常的人類遺傳途徑的認(rèn)識。如已經(jīng)在精神分裂癥、阿爾茲海默癥、抑郁癥、孤獨癥和其他疾病患者血液中追蹤到少量異常DNA，為未來快速識別疾病相關(guān)基因?qū)⒏淖冊\斷和治療腦部疾病的方法奠定了基礎(chǔ)。

二、大腦圖譜(brainmapping)

2000年初，為了完成認(rèn)識人類大腦工作機制的偉大目標(biāo)，慈善家 PaulAllen 召集了一群專家開展研究。2003年，他們在西雅圖的艾倫腦科學(xué)研究所繪制小鼠大腦中的基因活性區(qū)，并將成果匯集成在線數(shù)據(jù)庫(或圖譜)。目前數(shù)據(jù)庫也包括了人類和非人類靈長類動物的數(shù)據(jù)。不受限制而且詳盡的基因活性圖譜有助于研究人員設(shè)計出各種遺傳工程小鼠，表達(dá)特定細(xì)胞類型或基因，這些基因與某些疾病或行為相關(guān)?，F(xiàn)在，艾倫腦科學(xué)研究所繼續(xù)建立各種圖譜，它最近推出了一個10年計劃，不僅要研究特定基因被激活的位置，還要研究這些遺傳線路如何將浩瀚信息輸入大腦。作為美國總統(tǒng)奧巴馬倡 議 的 大 腦 計 劃(White House Brain Initiative)的 主要 參 與 者 ，美 國 國 立 衛(wèi) 生 研 究 院(national institutes of health，NIH)剛 剛 批準(zhǔn)了 870 萬 美 元研究經(jīng) 費 ，用于繪制小鼠和人類大腦中的神經(jīng)連接。研究的最終目標(biāo)是要改變研究腦部疾病和障礙的方式。

三、大腦可塑性(brain plasticity)

科學(xué)家長期認(rèn)為成人的大腦是一個相對靜態(tài)的器官。就在15年前，他們還認(rèn)為，大腦在嬰兒期和幼兒期可塑性極強，此后改變不大。雖然在生命初期大腦具有最強的可塑性，Stryker指出“但在這10年中，科學(xué)家真正開始認(rèn)識和利用成人大腦可塑性”。Lumosity 等公司開發(fā)的大腦訓(xùn)練軟件和任天堂公司開發(fā)的“輕松頭腦教室”游戲已經(jīng)成為一種流 行文 化。NIH 的高 級研 究員 R.Douglas Fields認(rèn)為，更好的成像技術(shù)和熒光標(biāo)記細(xì)胞新方法的出現(xiàn)，使科學(xué)家能夠在大腦學(xué)習(xí)新的信息之時對它進行研究，他說，“能觀察到實驗動物腦細(xì)胞的活動就能揭示了可塑性的機制”。

四、大腦導(dǎo)航(brain navigation)

1971 年 ，倫 敦 大 學(xué) 的 John O'Keefe 教 授 的 突 破性進展為這項研究邁出了跨時代的一步。他在動物的海馬體，一個和記憶息息相關(guān)的重要大腦區(qū)域，發(fā)現(xiàn)了所謂“定位細(xì)胞”，該細(xì)胞只有在動物處于某個特定的地點才會產(chǎn)生神經(jīng)沖動，在其他的地點就不會。通過這個發(fā)現(xiàn)，O'Keefe教授成功地揭示了人類能夠擁有空間辨別能力的神經(jīng)學(xué)原理。

2005 年 ，挪 威 科 技 大 學(xué) 的 May-Britt Moser和Edvard I.Moser夫婦在“定位細(xì)胞”附近的大腦皮層發(fā)現(xiàn)了一種全新的空間位置細(xì)胞——“網(wǎng)格細(xì)胞”。這兩位科學(xué)家在研究小白鼠在盒子里運動的神經(jīng)電活動時，意外地發(fā)現(xiàn)如果把大腦中被激活細(xì)胞的位置記錄下來，會出現(xiàn)一個網(wǎng)格形狀。這種“網(wǎng)格細(xì)胞”使大腦能像導(dǎo)航儀一樣實時地追蹤動物的位置信息。“網(wǎng)格細(xì)胞”和“定位細(xì)胞”共同運作，使得動物擁有定位能力。2014年10月由于這3位科學(xué)家的突出貢獻，他們被共同授予了2014年度諾貝爾生理學(xué)及醫(yī)學(xué)獎。

五、有趣的記憶(funnymemories)

紐約大學(xué)神經(jīng)科學(xué)中心 AndréFenton 認(rèn)為，記憶不一定像白紙黑字寫進大腦，不容更改。正在進行的生命活動導(dǎo)致記憶隨著時間推移而改變。

此外，思維定式和情緒可以影響人的注意力和記憶。科學(xué)家們正在研究一些實驗化學(xué)制劑，注射后可干擾記憶形成蛋白，消除某些不適感覺，比如吸毒者對毒品的欲望。研究人員甚至設(shè)法誘騙小鼠形成完全虛假的記憶。記憶的形成和回憶是一個逐步發(fā)展、激活和可塑的過程，涉及大腦許多不同部分的工作，目前對這方面的研究還沒有探明完整的復(fù)雜機制。

六、診斷進展(progress in diagnosis)

在過去的10年，一些以連接心身為目的的治療技術(shù)獲得了發(fā)展。特別值得注意的是認(rèn)知行為療法(cognitive behavior therapy，CBT)，這 種 談 話 療 法用于研究人的思想和情感如何影響行為，提出對策 。美 國馬里 蘭州 一 名臨 床 心理 學(xué)家 Mary Alvord介紹，CBT在20世紀(jì)60～70年代首次出現(xiàn)，主要用來治療恐懼癥和焦慮癥。幾十年來，CBT的適應(yīng)證已大大擴展。2012年，對100個病例的綜合研究發(fā)現(xiàn)，CBT不僅是科學(xué)合理的焦慮癥療法，而且也適用于貪食癥、憤怒、緊張和引起疼痛的精神疾病。

七、光遺傳學(xué)技術(shù)(optogenetics technology)

2005年，斯坦福大學(xué)的科學(xué)家們公布了一項令全世界研究者都十分震驚的技術(shù)——光遺傳學(xué)技術(shù)。他們通過光線像開關(guān)一樣高精度地激活或抑制實驗個體的神經(jīng)元。在這之前，傳統(tǒng)的神經(jīng)操控技術(shù)使用電刺激，精度是非常低的。因此，美國加州大學(xué)的 Stryker教授這樣評價：“這項技術(shù)徹底顛覆了現(xiàn)有的神經(jīng)領(lǐng)域研究方式?！迸e一個實際的例子，當(dāng)科學(xué)家們想要研究在小白鼠走迷宮時是哪一類神經(jīng)元起到定位導(dǎo)航的關(guān)鍵性作用時，傳統(tǒng)的做法是向白小鼠腦組織植入電極，一次通電會同時刺激上千個神經(jīng)元，這使得精準(zhǔn)定位變得十分困難。而現(xiàn)在，科學(xué)家們通過光遺傳技術(shù)可以大幅提升定點操控的精準(zhǔn)度。他們將光敏分子植入一類腦細(xì)胞，它們只控制特定類型的神經(jīng)元和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

八 、神 經(jīng) 膠 質(zhì) 細(xì) 胞 的 新 作 用 (the new role of neuroglia cells)

神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞一向不太受人重視。與神經(jīng)元不同，它們之間沒有生物電通訊，數(shù)百年來，科學(xué)家認(rèn)為這些細(xì)胞雖然在大腦中含量豐富，但僅僅作為包裝材料進行大腦的輔助功能。“科學(xué)家認(rèn)為比起令人興奮的神經(jīng)元來，它們是無關(guān)緊要的遲鈍細(xì)胞，”NIH 的 Fields說。然而，新的成像方法終于給了科學(xué)家研究膠質(zhì)細(xì)胞的機會，他們發(fā)現(xiàn)，在記憶和學(xué)習(xí)等重要的大腦功能中，神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞起著關(guān)鍵作用?！斑@是個全新的領(lǐng)域。神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞更為復(fù)雜和多樣，并不像神經(jīng)元”他指出，“膠質(zhì)細(xì)胞的作用不同于神經(jīng)元，這意味著我們必須了解它們?！?/p>

九 、神 經(jīng) 移 植 技 術(shù) (neural transplantation technology)

人們因為受傷、疾病或者中風(fēng)的原因，導(dǎo)致大腦某處十分關(guān)鍵的部位受到損傷時，恢復(fù)治療變得相當(dāng)困難。此時，神經(jīng)移植技術(shù)也許將成為修復(fù)大腦損傷的唯一手段。人工耳蝸已經(jīng)讓全球超過25萬人恢復(fù)了聽覺，投入醫(yī)療使用的人工視網(wǎng)膜將有同樣廣泛的應(yīng)用。2011年，第一個人工視網(wǎng)膜移植手術(shù)獲得了臨床實驗成功。該技術(shù)在2013年正式投入市場，為廣大退化性眼部疾病患者帶來福音。

大腦深部刺激法和迷走神經(jīng)刺激法為帕金森和癲癇患者帶來了前所未有的希望。這些新技術(shù)還可用于抑郁癥、強迫癥、成癮等的研究?，F(xiàn)在的神經(jīng)移植技術(shù)已經(jīng)改變了利用電流對大腦特定區(qū)域刺激的傳統(tǒng)方式。未來可能利用釋放化學(xué)物質(zhì)來修復(fù)造成大腦疾病的神經(jīng)紊亂，比如抑郁癥。

十 、決 策 的 大 腦 機 制 (the brain mechanism of decisionmaking)

2011 年 ，著 名 心 理 學(xué) 家 ，諾 貝 爾 獎 得 主Kahneman 在他出版的《思考，快與慢》一書中總結(jié)了科學(xué)家們對認(rèn)知偏差的研究成果，并提出了一個被人們廣為接受的觀點：人們的大腦有2個截然不同的機制共同協(xié)調(diào)做出決策，其中一個是自動的，無意識的思考，被稱為“系統(tǒng) 1”，另一個更加的主觀，帶有強烈的個人因素，被稱為“系統(tǒng)2”。系統(tǒng)1負(fù)責(zé)做出快速反應(yīng)，比如面對高速駛來的摩托車人們會快速的跳開。而系統(tǒng)2則會幫助人們解決更加復(fù)雜的數(shù)學(xué)問題或者倒著背誦一長串字母。

通過將讀者的注意力集中于深刻理解大腦決策的優(yōu)缺點上，Kahneman 幫助讀者避免一些常見的錯誤，從而能夠做出更好的選擇。

(摘引出處：《10 Big Ideas in 10Yearsof Brain Science》)

(本文編輯：桑田)

2015-01-12)