脑科学_研究脑的结构和功能的科学 - 威林百科weilinceramic.com

脑科学

研究脑的结构和功能的科学

脑科学，狭义地讲就是神经科学，是为了了解神经系统内分子水平、细胞水平、细胞间的变化过程，以及这些过程在中枢功能控制系统内的整合作用而进行的研究。（美国神经科学学会）广义的定义是研究脑的结构和功能的科学，还包括认知神经科学等。

学科简介

基础神经科学

侧重基础理论。神经生物学：研究人和动物的神经系统的结构与功能、及其相互关系的科学，是在分子水平上、细胞水平上、神经网络或回路水平上乃至系统和整体水平上阐明神经系统特别是脑的物质的、能量的、信息的基本活动规律的科学。(认识脑)

有六个研究分支：分子神经生物学（化学物质）、细胞神经生物学（细胞、亚细胞）、系统神经生物学、行为神经生物学（学习记忆、情感、睡眠、觉醒等）、发育神经生物学、比较神经生物学

计算神经科学：应用数学理论和计算机模拟方法来研究脑功能的学科。(创造脑)

临床神经科学

侧重医学临床应用，研究与神经系统有关的疾病，及其诊断、治疗方法、技术等(保护脑)

研究方向

认知神经科学的最终目的是在于阐明人类大脑的结构与功能，以及人类行为与心理活动的物质基础，在各个水平（层次）上阐明其机制，增进人类神经活动的效率，提高对神经系统疾患的预防、诊断、治疗服务水平。基本目标：

1、揭示神经元间各种不同的连接形式，为阐明行为的脑的机制奠定基础。

2、在形态学和化学上鉴别神经元间的差异，了解神经元如何产生、传导信号，以及这些信号如何改变靶细胞的活动。

3、阐明神经元特殊的细胞和分子生物学特性。

4、认识实现脑的各种功能（包括高级功能）的神经回路基础。

5、阐明神经系统疾患的病因、机制，探索治疗的新手段。

研究概况

各国概况

世界各国普遍重视脑科学研究，美国101届国会通过一个议案，“命名1990年1月1日开始的十年为脑的十年”。1995年夏，国际脑研究组织IBRO在日本京都举办的第四届世界神经科学大会上提议把下一世纪（21世纪）称为“脑的世纪”。欧共体成立了“欧洲脑的十年委员会”及脑研究联盟。日本推出了“脑科学时代”计划纲要。中国提出了“脑功能及其细胞和分子基础”的研究项目，并列入了国家的“攀登计划”。

日本

1996年制定为期二十年的“脑科学时代——脑科学研究推进计划”

了解脑——阐明脑功能

– 阐明产生感知、情感和意识的脑区结构和功能（功能定位、认知、运动、情感、学习，思维、直觉、自我意识）

– 阐明脑通讯功能（语言信息在脑神经网络中表达的机制，人类获得语言能力的过程、语言、思想和智力之间的关系）

保护脑——征服脑疾患

– 控制脑发育和衰老过程（识别与发育及脑分化相关的基因家族、发展调节脑发育和分化的技术手段，促进人类大脑健康发育和防止发育异常，控制人脑衰老）

– 神经性精神性疾病的康复和预防（药物成瘾、修复受损脑组织、单内因性疾病的发病机制、神经组织移植和基因疗法，老年性痴呆、帕金森氏病、精神分裂症的治疗和预防的方法）

创造脑——开发脑型计算机

– 发展脑型器件和结构（具有学习和记忆能力的神经元芯片、智力认知功能，具有智力、情感和意识的脑型计算机）

– 脑型信息产生和处理系统的设计和开发（支持人类机能的机器人系统）

日本大脑研究计划主要是通过对狨猴大脑的研究来加快人类大脑疾病，如老年性痴呆和精神分裂症的研究。2014年9月，日本科学家宣布了大脑研究计划的首席科学家和组织模式。

美国

美国脑计划“BRAIN Initiative”：美国“脑计划”于2013年公布——推进创新神经技术脑研究计划，拟在10年时间内用30亿美元资助美国脑研究，通过绘制大脑工作状态下的神经细胞及神经网络的活动图谱，揭示脑的工作原理和脑疾病发生机制，发展人工智能，推动相关领域和产业的发展。

2023年5月25日，脑机接口公司Neuralink宣布，已获得美国食品药品监督管理局(FDA)的批准，可以进行人体临床研究。

欧盟

欧盟脑计划“HBP”：2013年，欧盟委员会宣布将“人脑工程”列入“未来新兴技术旗舰计划”，力图集合多方力量，为基于信息通信技术的新型脑研究模式奠定基础，加速脑科学研究成果转化。该计划被认为是世界最先进的脑科学大型研究计划，由瑞士洛桑理工学院统筹协调，欧盟130家有关科研机构组成，预算12亿欧元，预期研究期限10年，旨在深入研究和理解人类大脑的运作机理，在大量科研数据和知识积累的基础上，开发出新的前沿医学和信息技术。

中国

中国“脑计划”领军人物、中科院院士蒲慕明介绍，筹备中的中国“脑计划”是一个“一体两翼”结构。“一体”是基础研究，理解人类大脑的认知功能是怎么来的。“两翼”，一是指如何诊断和治疗重要的脑疾病，二是指发展人工智能与脑科学结合的脑机智能技术。随着北京、上海两个脑科学中心相继成立，中国“脑计划”即将破土而出。

中国的脑机接口研发，面临几大挑战。一是安全性和有效性难以兼得，这一问题的待解限制了脑机接口技术的大范围运用。二是脑机接口的有效带宽，即到底植入多少个电极足以基本涵盖大脑重要活动或满足特定功能需求，仍是一个未知数。三是海量神经信号的处理仍是难题。四是社会普遍关注的脑机安全与伦理风险。

2023年6月2日，军事科学院军事医学研究院研究员李慧艳团队和张学敏院士团队在生物钟领域取得重大原创性突破，他们发现大脑视交叉上核（SCN）神经元的初级纤毛是调控机体节律的细胞器，揭示出“有形”生物钟的存在及其节律调控机制。国际知名学术期刊《Science》在线发表了相关研究论文。由于缺乏对生物节律调节机制的认识，当前国际上尚未能研究出基于生物节律的有效治疗药物。此次有关生物钟的重要发现，也是中国脑科学研究的一次重大突破。

研究进展

人类全生命周期大脑发育图绘就

2022年4月6日，《自然》杂志报告了一个国际研究团队绘制的覆盖人类整个生命周期的大脑发育标准参考图。“这是科学家第一次把从出生前到老年的不同脑部发育模式‘编织’在一起。”共同通讯作者、英国剑桥大学的Richard Bethlehem说。Bethlehem和美国宾夕法尼亚大学的Jakob Seidlitz等研究人员分析了100多项研究中的123984次核磁共振扫描结果。这些扫描来自101457人，涉及16.5周的胎儿到100岁的老人。研究人员使用统计模型从图像中提取信息，并确保无论使用哪种类型的机器，扫描结果都具有直接可比性。该研究汇集了有史以来最大的核磁共振扫描数据集，其规模之大令神经科学家震惊。佛罗里达国际大学认知神经科学家Angela Laird说：“他们收集的海量数据集令人印象深刻，为这一领域树立了新的标准。”

这些图谱直观展示了人类大脑在生命早期是如何快速扩张，然后随着年龄的增长而缓慢收缩的。

分子和细胞水平神经科学

· 每一神经元所进行的信息处理都是经过突触实行细胞间的通讯而完成的。具体说，突触前细胞产生的冲动，通过释放神经递质作用于突触后细胞膜位点上的特异性受体，从而引起后一细胞兴奋性的改变。

· 受体由蛋白质分子组成，与神经递质分子结合后，控制神经细胞的离子通道开闭，（直接或经由第二信使间接），调制后一细胞的输出，实现神经元整合作用。（空间和时间上的整合）

· 神经调质间接地经由一系列生物化学过程来调制突触后神经元的活动，其作用起始时间较慢，持续时间较长。神经递质和调质分布在特定的神经通路或核团里，因此神经系统同时依靠神经回路和化学调制两种形式进行信息处理。

· 递质和调质有近百种，有待鉴定的可能性更多。可分为胆碱类、单胺类（多巴胺、5-HT、NAD）、氨基酸（谷氨酸、甘氨酸、r-氨基丁酸）和神经肽。调质包括胺类、和许多神经肽。共存和共释放，使化学信号的传递非常复杂。

· 神经肽，2-39个氨基酸残基构成，在较低浓度下即能缓慢地改变附近神经元的膜的性质，从而兴奋或抑制这些神经元。研究并确定种类繁多的神经肽的生物学作用，是一个重要任务之一。

· 受体是蛋白质或蛋白质与碳水化合物或脂类的结合体，主要部分在膜内，结合位点在膜外。功能有二：识别特异性的递质或调质分子并与它们结合成复合体；改变细胞离子通道开闭状态，实现神经细胞内化学——电信息的转换。

· 受体分两类：第一类是载离子受体，离子通道蛋白，AChR，，Gly受体，蛋白质构象变化，改变离子通道的开闭状态，介导快速突触传递过程（几毫秒）分子有亚基组成。第二类受体都是单条肽链，结合后触发一些列生化反应：激活G蛋白，激活AC，促进cAMP的合成， cAMP的扩散促成胞内白蛋白激酶K的活化，改变离子通道m-Ach、NAD、5-HT等。

· 神经信号的基本形式：分级的膜电位涨落、动作电位。

· 膜片钳技术：研究神经膜离子通道，10-12A单个离子通道的离子电流变化。电压门控通道、Na+，K+，Ca2+，化学门控通道nAch

· 重组DNA技术：研究膜上的微量蛋白分子——各类通道蛋白的分子结构。Na+通道是由1820个氨基酸组成的多肽链。

· 色觉三色学说的神经生理基础，人的三种视网膜视锥细胞视色素基因获得分离

· 学习记忆的细胞和分子水平的机制研究获得重要进展——海马结构与学习记忆密切相关，LTP反映了一种突触效率的变化，即可塑性。

· 短期记忆不需要新蛋白质的合成，而长期记忆所需的基因产物必须是新合成的。

视觉的脑机制

· 把研究感觉信息处理过程作为揭示脑的奥秘的突破口，其中以视觉系统的研究最为突出。

· 视网膜的光感受器水平：已克隆出视色素蛋白基因；光电换能过程的第二信使是cAMP（Ca2+），黑暗中， cAMP+Na+通道蛋白---〉Na通道开放，Na+持续内流（暗电流），光感受器细胞去极化；光照引起视色素分解，使视盘膜上的GTP结合蛋白分子活化，后者再激活PDE，迅速分解cAMP，引起Na+通道关闭，暗电流骤降，光感受器细胞膜超极化，这样光能——〉神经电信号

· 视网膜，复杂的信息处理（外周脑），研究相当清楚。视网膜这个两维的、多层次信息处理的最后结果，是经由视网膜神经节细胞以动作电位脉冲调频的方式，传递给脑的。

· 感受野：视通路中任一神经元都在视网膜（或视野）上有一个代表区域。同心圆拮抗型感受野，包括给光—中心和撤光—中心两类，为心理学马赫带现象提供生理学基础

· 非同心圆的RF的细胞对快速运动、运动方向以及某些图形特征产生反应

· 初级视皮层（纹状皮层），在整个大脑皮层研究最透彻的一部分，面积最大的区域。功能柱：具有相同感受野位置和生理功能的细胞按垂直于皮层表面的柱状结构有序地排列起来。功能柱内细胞具有相同的最优方位、相同的眼优势、相同的最优空间频率。

神经网络

· 人工神经网络具有脑的一些基本性质，如能够学习和记忆，神经元之间的连接强度具有“用进废退”的可塑性、细胞的集合由连接强度达最大值的细胞组成，可以从事某一模式的学习和记忆，并形成交替集合从事概念的抽象、部分输入就能激活整个细胞集合等。

· Aldan领导的研究组按照条件反射中发射中发生的学习过程所出现的神经细胞电学特性和分子特性的变化，研制了一种DYSTAL动态稳定联想学习。该网络内没有任何预先编过的输入/输出关系程序，它能学习、记忆、辨识模式。第一次使计算机人工网络以储存记忆的内表象成为可能。

· 用900个“神经元”组成的Hopfield网络解决复杂的“推销员应沿什么最优路线出差许多城市才可使其旅途最短”的问题，只需百万分之一秒便可求解300城市的问题，比微机快10万倍，结构简化1万倍。

· 由100个加工单位分三层排列的阅读程序NETtalk问世，可以阅读字母，发出语句声音来。

· 光学神经计算机，辨别人像。

· 各种算法为阐明脑和神经系统的工作原理提供了启示。

发育生物学崛起

· 脊椎动物神经系统的发育起源于胚胎背中线的外胚层加厚，在其下方的脊索和中胚层的诱导下形成神经板，继而其边缘组织形成神经嵴。诱导作用机制？

· 中心问题：成熟的神经系统特有的高度特异性联系模式是如何产生的。包括神经元怎样得知其本身在三维神经系统中的位置信息？当轴突生长时这种位置信息如何表达？细胞又如何识别其靶细胞或终止区域？基因如何知识脑的发育？

· 轴突末端由高度运动性的生长锥，锥上有丝状的假足。生长锥在轴突生长时识别路径和靶细胞方面可能起着关键作用。

· 识别靶细胞的原因是：生长着的轴突表面存在着某种细胞化学标记物，在其相对应的靶细胞中有对应的标记物使轴突识别并形成突触。

· 过量神经元的死亡可能与靶区神经生长因子的有限有关。

· 早期发育主要由遗传因素决定，框架建立后，环境因素影响增大。关键期、可塑性。

神经和精神疾病

· 老年性痴呆症：记忆和推理能力丧失，神经元丧失、神经纤维缠结。Ach选择性减少，记忆进行性丧失。常染色体显性遗传病，第21号染色体接近中央区的地方。

· 亨廷顿舞蹈病：遗传病。失去对运动系统的控制，基因定位在4号染色体短臂，纹状体失去GAGB能神经元的抑制。

· 多巴胺以被确定与觉醒和快感有关。过量引起思维丧失、幻觉和某些精神分裂症状，缺少引起帕金森症，病人四肢和头震颤不已，面部无表情。

· 先天性肌源性疾病，重症肌无力，后天的自身免疫病，异常抗体与神经—肌肉接头处终板区Ach受体结合，致使不能产生足够的肌肉收缩力。

· 多发性神经纤维瘤

· 视网膜神经胶质瘤

脑的意识功能

· 丘脑的功能：丘脑是产生意识的核心器官，丘脑能够合成发放丘觉，当丘觉发放出来也就产生了意识。丘觉是先天遗传在丘脑中，可以自由发放，也可以由样本点亮。

· 样脑的功能：丘脑之外的大部分脑结构都是样脑，包括大脑皮质、基底核、下丘脑、杏仁核等。样脑的主要功能就是交换产出样本，样本的作用就是点亮丘觉产生意识。

脑机接口

2020年8月末，埃隆·马斯克为脑机接口公司Neuralink举行发布会，用“三只小猪”演示了可实际运作的脑机接口芯片和自动植入手术设备。其中一只猪已经植入脑机接口设备两个月并活蹦乱跳，另一只曾植入电极又取了出来，最后一只则未植入任何设备。

被植入芯片的实验猪，向全世界展示了神经信号的读取和写入，研究人员可以通过芯片传导出来的信息看到猪的脑电图。马斯克在2016年就曾透露过其人脑与机器交互的想法，能够看出，与2019年原型首次亮相时相比，该技术与实现马斯克的雄心壮志的距离要近得多。

但需注意到，Neuralink芯片成功与否，其实并不完全取决于技术，还将取决于其能否说服人们“开头颅、插芯片”，并试图“篡改”人类自己的神经冲动。

马斯克本人和该公司都表明，他们主要研究方向或将是医疗领域，即利用脑机接口来帮助人类对抗记忆力衰退、颈脊髓损伤以及癫痫、抑郁、帕金森等神经系统疾病。如果它们的安全性和可靠性可以让科学家、医生以及许许多多患者们信服，那这一技术无疑将真正造福人类。

2021年2月2日，特斯拉及SpaceX创始人埃隆·马斯克（Elon Musk）表示，他的脑机接口技术初创公司Neuralink正在与美国食品和药物管理局（FDA）进行密切沟通。马斯克说，“如果进展顺利，我们可能会在今年晚些时候进行初步的人体试验。”

2021年5月13日，由美国斯坦福大学神经科学研究员Frank Willett及其团队以封面形式在《自然》杂志上发表了他们对脑机接口（BCI）的最新研究成果——让肢体瘫痪者达成“意念书写”，速度可达每分钟90个字符。一时间，关于脑机接口这项全面解析认识大脑的核心关键技术、国际脑科学最前沿研究的重要工具的讨论又热闹起来。

研究方法

解剖学方法

采用通常的组织染色方法可以在光学显微镜下观察神经系统各种组织的细胞结构，即神经元的不同形态，以及它们间连接的一般情况。运用电子显微镜可以进一步了解神经元和突触的精细结构。问题：神经系统是怎样布线的，即个别的神经细胞的突起如何排列？伸展得多远？那些突起和那些突起相连结，高尔基银染法对神经机制的认识奠定了基础，在广泛使用。神经活性物质进行染色：荧光、放射性标记。

生理学方法

①运用微电极细胞外记录、细胞内记录技术对单个神经元活动分析。片膜钳技术对离子通道进行深入的研究。

②细胞外记录：30年代后期发展起来的。用金属丝电极1-5微米记录幅度较大的瞬间性动作电位，对神经元的功能起了重要作用。

③细胞内记录：0.1～0.5微米的玻璃电极，内充高浓度氯化钾或醋酸钾以导电。能记录动作电位，小的分级电位，同时能监视膜电位的变化。此外，能注入物质，进行形态学分析。缺点是造成细胞损伤，记录时间、小细胞受限。

④膜片钳技术：70年代后期，Neher 和Sakmann 发展了一种新的纪录方法，可以用来记录单个离子通道的活动。

分子生物学方法

①重组DNA技术：分析离子通道蛋白的结构和功能、生理特性；

②应用单克隆抗体和遗传突变体。

系统生物学方法

20世纪中页贝塔朗菲创立了一般系统论，1993年Zieglgansberger W和Tolle TR发表神经系统疾病研究的系统生物学方法，随着生物信息学的发展、基因组计划的成功，以及神经系统的细胞信号传导与基因表达调控的研究，系统生物学采用实验、计算与工程的系统论方法，成为脑科学研究的发展现代趋势。

奖项设立

大脑奖

“格雷特·伦德贝克欧洲大脑研究奖”（简称大脑奖），被誉为“神经科学界诺贝尔奖”，2011年设立，每年颁发一次，奖金100万欧元。

IBRO-Kemali国际奖

IBRO-Kemali国际奖，1998年国际脑研究组织-凯默理（IBRO-Kemali）基金会设立。

研究机构

北京师范大学认知神经科学与学习国家重点实验室，2005年3月创建；

复旦大学脑科学研究院，2006年4月成立。

麦戈文脑科学研究院全球共4所，分别位于美国麻省理工大学（MIT），清华大学，北京大学以及北京师范大学。

MIT麦戈文脑科学研究所（麻省理工学院麦戈文脑科学研究所），2000年成立，它得到了MIT校史上最大数额的一笔捐赠，高达3.5亿美元。

北京师范大学-IDG/麦戈文脑科学研究院，2011年在京成立。

清华大学-IDG/麦戈文脑科学研究院，2013年11月25日成立。