给青少年讲脑科学

欢迎来到大脑的世界！
 “大脑是你重要的器官”——这是由大脑告诉你的。
我们为什么会认识苹果？为什么会知道口渴？是什么让我们保持思考和学习？又为什么我们会有喜、怒、哀、惧、爱、恶这些情绪与情感？各位同学有没有思考过这些问题呢？ 
人类从很久之前就开始关注“大脑”了。无论是西方还是中国，起初人们都将心脏视为记忆和思考的器官，这种认知一直到古希腊时代才逐渐改变。公元前4世纪，古希腊时代的先哲认为“思维、情感、智慧皆来自于大脑，大脑参与对环境的感知”。1795年，人们才确定人类的思维来自大脑。到了18世纪末，随着对人体的进一步探索和科技的发展，人类对大脑的大体解剖已经有了较为细致的描述，这奠定了“不同脑功能定位于不同的脑回”的理论基础，为脑功能定位研究开创了新时代。当时间来到20世纪，科学家发现，尽管特定的大脑区域负责某项独立的功能，但这些区域组成的网络以及它们之间的相互作用才是人类表现出整体、综合行为的原因，即大脑是一个活跃的、动态的系统。进入21世纪以来，脑科学研究呈现大发展的态势。科学家们以“脑探知、脑保护和脑创造”为目的，通过脑成像学、分子生物学、解剖生理学等研究方法，从已知的宏观层面进入介观层面再到微观层面，认识和了解大脑的结构和功能，进而开发和模拟大脑，实现创造和融合大脑。
脑是人体复杂的器官，是人体一切行为、思维、决策和感觉的司令部。然而，目前人类对大脑的了解尚处于初级阶段。更好地了解大脑的构造和功能，对教育、医疗乃至人类发展意义重大。正是基于那些来自医疗、科研和技术的需求，人类脑计划应运而生。自2013年起，美国、欧洲、日本相继启动各自大型脑科学计划，全球参与脑计划的国家数量不断增加，它不仅仅是科技发展的信号，更代表了全球化科研资源的整合。中国于2021年正式启动了“脑科学与类脑科学研究”，即“中国脑计划”，提出了“一体两翼”战略，即以研究脑认知的神经原理为“主体”，以研发脑重大疾病诊治新手段和脑机智能新技术为“两翼”。“十三五”规划提出强化脑与认知等基础前沿科学研究，将脑科学与类脑研究纳入“科技创新2030——重大项目”；“十四五”规划则明确提出瞄准脑科学等前沿领域。脑科学作为我国一个相对较新的研究方向，目前正处于积极发展阶段，此前全球已实施脑计划的经验和教训对我国进行脑计划也有所帮助。时至今日，理解脑的工作机制，对于重大脑疾病的早期预防、诊断和治疗，人脑功能的开发和模拟，创造以数值计算为基础的类脑智能，以及抢占国际竞争的技术制高点具有重要意义。相信在全球各具特色的脑计划共同协作下，人类对脑和疾病的认知将不断深入，并从中寻找到更为广泛的应用价值。
其实早在20年前读大学本科期间，我就对心理学非常感兴趣，但那时接触到的书籍更多的是在介绍脑的心理或生理基础，理论性很强，直白又枯燥。本科毕业之后，我选择继续攻读硕士和博士学位，在此期间，我接触了脑电、核磁等大脑信息解码技术，了解到大脑的编码、信息处理，甚至记忆与情感都可能被量化，想象与梦境都可能被再现……这使我笃定信念，要从事这个被科学界视为“皇冠上的明珠”的科研领域。经过了近20年的学习与研究、教学与实践，我越来越深入地认识到了脑科学的奇妙之处，也深知脑科学的探索需要几代人甚至几十代人共同努力，而我们也终将在不断进行的脑科学探索中推动人类科学与文明的进步。
面向脑科学的国际研究前沿，国家在脑基础科学、脑机智能等领域的重大需求，在生物医学工程、机械工程和计算机科学及其交叉领域，我所在的北京理工大学研究团队正在进行相关创新性基础和应用研究，培养领域内高精尖人才。我本人研究方向的所在学术领域是脑机智能与神经工程，以脑基础科学、脑机智能技术研究为主线，涉及脑机制、脑模拟、脑康复领域的理论研究和仪器设备研发等工作。
在国家大力支持脑科学与类脑研究的背景下，越来越多的研究人员和团队加入到脑科学研究的浪潮中。本书整理和借鉴了前人的部分研究成果，结合笔者多年的研究经验，主要介绍了大脑研究的发展历程，大脑的基础知识，以及脑科学在实际生活中的应用。为了兼顾趣味性和科学性，本书使用了类比手法，将大脑的知识变成了大家在实际生活中的所见所闻，既可以激发青少年的阅读兴趣，同时还能掌握相关的科学知识。
青少年是祖国的未来，希望这本书可以让广大青少年更加客观地了解大脑、认识大脑、理解大脑，激发青少年对脑科学研究的热情，新一代的脑科学研究力量可能就来自于各位热爱脑科学的同学们。后，由于本人能力有限，难免存在缺点和不足之处，祈望读者批评指正。祝阅读和学习愉快！

闫天翼
2022.11

《给青少年讲脑科学》整理和借鉴了前人的部分研究成果，北京理工大学闫天翼教授结合多年的研究经验，主要介绍了大脑研究的发展历程，大脑的基础知识，以及脑科学在实际生活中的应用。为了兼顾趣味性和科学性，《给青少年讲脑科学》使用了类比手法，将大脑的知识变成了大家在实际生活中的所见所闻，既可以激发青少年的阅读兴趣，同时还能掌握相关的科学知识。

《给青少年讲脑科学》整理和借鉴了前人的部分研究成果，北京理工大学闫天翼教授结合多年的研究经验，主要介绍了大脑研究的发展历程，大脑的基础知识，以及脑科学在实际生活中的应用。为了兼顾趣味性和科学性，《给青少年讲脑科学》使用了类比手法，将大脑的知识变成了大家在实际生活中的所见所闻，既可以激发青少年的阅读兴趣，同时还能掌握相关的科学知识。

闫天翼，博士，北京理工大学教授，博士生导师，国家高层次青年人才，入选北京市科技新星计划，现任北京理工大学生命学院副院长、生物医学工程系主任，在脑机智能与神经工程研究领域有丰富的经验。主要研究方向为脑机智能与神经科学工程，涉及脑机制、脑模拟、脑康复领域的理论研究和设备研发等工作，推进了脑疾病诊治、脑功能增强等技术的转化应用。承担多项包括国家重点研发计划项目、国家自然科学基金重点项目、北京市科委重大科技专项等科技计划。发表研究论文100余篇，申请/授权国家发明专利50余项，软件著作权10余项。牵头获得教y部技术发明奖二等奖，中国发明协会发明创业创新奖一等奖，北京市高等教育教学成果二等奖等奖项。

1 脑科学的前世今生 / 1 
神经科学的诞生 / 4 
走近认知科学 / 11 
脑科学的未来 / 20 
小结 / 27 
2 神奇的大脑 / 29 
走进大脑的微观世界 / 30 
大脑的宏观组成 / 42 
大脑的可塑性 / 53 
小结 / 61 
3 脑认知科学的兴起 / 62 
大脑的知觉与感觉 / 63 
运动控制 / 77 
记忆与注意 / 86 
小结 / 98
4 “脑机接口”走进我们的生活还有多远 / 99 
脑机接口技术 / 100 
医疗领域中的脑机接口 / 105 
军事领域中的脑机接口 / 114 
娱乐领域中的脑机接口 / 119 
小结 / 125 
5 类脑智能发展的人工智能时代 / 126 
跨入人工智能时代 / 127 
类脑智能与未来 / 137 
小结 / 145 
结语 / 146 
参考文献 / 148

《给青少年讲脑科学》整理和借鉴了前人的部分研究成果，北京理工大学闫天翼教授结合多年的研究经验，主要介绍了大脑研究的发展历程，大脑的基础知识，以及脑科学在实际生活中的应用。为了兼顾趣味性和科学性，《给青少年讲脑科学》使用了类比手法，将大脑的知识变成了大家在实际生活中的所见所闻，既可以激发青少年的阅读兴趣，同时还能掌握相关的科学知识。

闫天翼，博士，北京理工大学教授，博士生导师，国家高层次青年人才，入选北京市科技新星计划，现任北京理工大学生命学院副院长、生物医学工程系主任，在脑机智能与神经工程研究领域有丰富的经验。主要研究方向为脑机智能与神经科学工程，涉及脑机制、脑模拟、脑康复领域的理论研究和设备研发等工作，推进了脑疾病诊治、脑功能增强等技术的转化应用。承担多项包括国家重点研发计划项目、国家自然科学基金重点项目、北京市科委重大科技专项等科技计划。发表研究论文100余篇，申请/授权国家发明专利50余项，软件著作权10余项。牵头获得教y部技术发明奖二等奖，中国发明协会发明创业创新奖一等奖，北京市高等教育教学成果二等奖等奖项。