哪些神经科学新发现即将改变世界

迎接大脑的 3 个挑战

在神经科学的历史上，没有出现过比现在更令人激动的时刻了。尽管两个世纪前神经科学便诞生了，具体可以追溯到一次爆炸导致铁棍穿过了菲尼亚斯·盖奇（Phineas Gage）的左侧大脑额叶，但神经科学在很多方面的发展一直比较缓慢。如今，神经科学领域汇集了许多案例，但仍缺少某个贯穿整体的理论。我们已经在神经科学方面取得了很多进步，但也还有更多的未知领域等待我们去探索。而今，新技术的聚合为我们的探索提供了技术支撑。本书将对这些新技术进行介绍。

毫无疑问，人类从远古时代起就一直在进步，常常将非常简陋的工具利用到极致。19 世纪中期，保罗·布罗卡（Paul Broca）通过遗体解剖次窥探到了语言的基础，这一契机起源于该遗体的主人由于大脑特定皮层受损而失去了语言功能。19 世纪末时，卡米洛·高尔基（Camillo Golgi）发现用硝酸银对神经元染色后，可以在显微镜下看到神经元。圣地亚哥·拉蒙 - 卡哈尔（Santiago Ramón y Cajal）运用这项技术对神经元的结构与功能做出了具有预见性的描述。1909年，杰出的眼科医生井上达二（Tatsuji Inouye）开始绘制大脑的功能地图。通过系统研究俄日战争中的枪伤患者，他发现大脑视皮层的创伤会损害患者的视力，而且特定位置的创伤会影响患者特定视野区域的视觉。

在 20 世纪后期，非创伤性大脑成像技术，比如功能性磁共振成像（fMRI）开始出现。尽管这类技术非常有用，但当时的非创伤性大脑成像技术就像模糊的显微镜，它们在时间和空间上淡化了神经活动的细节。从根本上说，功能性磁共振成像的结果就像一张做了马赛克处理的高分辨率照片。

研究非人类的动物，我们可以采用创伤性大脑成像技术。直到近，神经科学研究的黄金标准一直都是“记录单个神经元”，也就是用很细的电极监控与神经元放电有关的电活动。动作电位是大脑中的电流，科学家从对它们的直接测量中得到了许多重要的发现，比如大卫·休伯尔（David Hubel）和托斯滕·威塞尔（Torsten Weisel）发现，视皮层中的神经元对特定的视觉特征具有选择性。然而，一次只观察一个神经元难以达到管中窥豹的效果。神经科学家拉斐尔·尤斯特（Rafael Yuste）将这比喻为：“通过观看单个像素块来理解一档电视节目。”

当我们写这本书时，神经科学经历了一场革命。2005 年出现的光遗传学技术使得被测试的神经元在活跃的时候能够发亮。我们也可以通过激光激活或抑制神经元，而多电极记录技术的应用使得我们终于可以同时记录成百上千个神经元的活动。新型显微镜能够让我们记录下透明活体鱼的几乎每个神经元的活动。这让我们有史以来首次有望从基本构成的层面上观察到大脑。

然而，三个基本事实使得厘清大脑比弄懂其他生物系统更难。，神经元的数量庞大。即使在苍蝇或幼小斑马鱼的大脑中也存在着 10 万个神经元。人类大脑中的神经元数量约 860 亿个。除此之外，“神经元”这个词会让人以为大脑细胞只有一种，但其实它们的种类达到了几百甚至更多。每一种神经元都具有独特的物理特性、电特征，很可能还有着独特的计算功能。第二，我们还没有发现支配大脑这个复杂神经系统的组织原则。例如，我们不知道大脑是否会运用像计算机普遍使用的美国信息交换标准代码（ASCII）这样系统化的编码方法来编码词句。对于大脑如何储存记忆和排序，我们缺乏可靠的知识基础。第三，许多人类特有的行为，比如说话、推理和形成复杂的文化等，没有类似的简单动物模型可供研究。

奥巴马的大脑计划、欧洲人类大脑工程以及其他相关的亚洲大规模计划，旨在解决大脑研究中的一些难题。我们可以合理地期待，未来 10 年将会出现大量新数据，它们的精细程度前所未有。当然，这些数据来自动物，也有一些来自人类。不过，这些新数据也将引发新的问题。比如，研究者怎么才能使用如此大量的数据？我们又将如何推导出一般原理呢？

就此而言，收集的这些数据是否足够多？我们如何将数据分析的规模扩大到太字节？如何搭建起数据和深刻发现之间的桥梁？我们认为，科学家必须找出主要的关注点。大脑不是笔记本电脑，但我们可以假设它是某种类型的信息处理器，从周边世界获取并输入信息，然后将信息转化为大脑可以接收的模式，转化为对大脑运动系统的指令，以此控制我们的身体与声音。尽管许多神经科学家想当然地认为大脑的主要加工过程是某种形式的计算，但所有的神经科学家都赞同，我们尚未发现神经计算基本的特性。我们希望神经计算能够为描述大脑活动提供统一的语言，尤其是当理论科学家和实验科学家的研究越来越靠拢时。

大脑结构错综复杂，我们无法保证人类很快就能搞清楚大脑，但我们有理由满怀希望。这本由神经科学领域先锋的智慧汇集而成的书代表了目前有可能的猜测。它预测了神经科学未来的发展，告诉我们可能有什么发现以及如何去发现。

本书也承认，在前进的道路上，我们可能会踌躇不前，也可能会跌跌撞撞。即使这本书能够为读者指引神经科学的未来，它也不是能准确预测未来的水晶球，它更像是一个时间胶囊。对科学家、政策制定者和大众来说，10 年之后再来回顾这些文章会是很有趣的事情，正如一位同侪所说，“届时可以重新评估这些科学主张、科学抱负，以及研究方法，据此调整下一代神经科学家努力的目标”。我们对此无比赞同。

一场改天换地的科研突破，正在悄然来临。数千年来，人类一直在试图破解自己的大脑，却因种种局限而步履维艰。现今，随着技术的飞速发展，脑科研先驱者们不仅开发出能够深度探索大脑之谜的工具与方法，而且已经取得了令人振奋的关键进展。

通过《哪些神经科学新发现即将改变世界》，你便可以一睹大脑的研究走到了多远。书中，33位杰出科学家记录了他们对历史级难题的挑战，比如绘制大脑图谱、全脑神经成像、全脑模拟等，这些技术获得了哪些全新进展？神经技术如何应用于抑郁症等疾病的治疗？大脑计划、人类大脑工程等雄心勃勃的研究项目究竟在做些什么？ 在取得惊人成果的同时，他们也陈述了自己乐观又谨慎的预想与反思，指明了我们需要跨越的困难和前进的方向。

《哪些神经科学新发现即将改变世界》是展现未来技术突破口的重要依据，也是展望21世纪人类社会和科学前景的一扇窗口。普通读者和专业人士都将从中获得面向明天的知识与领悟。

盖瑞·马库斯 Gary Marcus

• 知名科学家、畅销书作家和企业家，纽约大学心理学及神经科学荣誉教授，著有《如何创造可信的AI》《乱乱脑》。


• 23岁即从麻省理工学院博士毕业，师从心理学大师史蒂芬·平克。研究方向广泛，涉及神经科学、遗传学、语言学、进化心理学、人工智能、人类与动物行为等多个领域。多篇研究论文发表于《科学》《自然》等知名期刊。


• 人工智能公司 AI创始人兼CEO，曾担任优步人工智能实验负责人。

杰里米·弗里曼 Jeremy Freeman

• 知名计算生物学家和神经科学家，曾就职于霍华德休斯医学研究所。

前言 迎接大脑的3个挑战 /I

主题 1 绘制大脑地图

01 建立大脑图谱 迈克·霍利茨/004

02 全脑神经成像与虚拟现实 米沙·阿伦斯/018

03 大脑新视界 克里斯托弗·科赫/026

04 使用基因测序解决连接组问题 安东尼·扎多尔/041

05 罗塞塔大脑 乔治·丘奇/051

主题 2 计算

06 通过网格细胞理解皮层 梅-布里特·莫泽和、爱德华·莫泽/068

07 同时记录大量神经元 克里什纳·谢诺伊/078

08 网络神经科学 奥拉夫·斯波恩斯/089

09 大规模神经科学：从分析到洞悉 杰里米·弗里曼/099

主题 3 模拟大脑

10 全脑模拟 肖恩·希尔/110

11 建立行为大脑 克里斯·埃利亚史密斯/124

主题 4 语言

12 语言神经生物学 戴维·珀佩尔/138

13 基因变异与神经遗传 西蒙·菲舍尔/147

主题 5 保持怀疑

14 意识、大科学与概念澄清 内德·布洛克/158

15 从神经回路到行为：跨度太大了吗 马泰奥·卡兰迪尼/173

16 进化中的启示 利娅·克鲁比泽/181

17 基因组的启示 亚瑟·卡普兰/189

18 计算脑 盖瑞·马库斯/200

主题 6 重要影响

19 神经技术的应用 约翰·多诺霍/212

20 连接错乱的大脑、基因与心理疾病 凯文·米切尔/226

21 神经灰尘：没有线缆的持久脑机接口 米歇尔·马哈比兹/235

后　记 2064年的神经科学：对过去一个世纪的观察 /243

译者后记 /259

术语表 /261

一场改天换地的科研突破，正在悄然来临。数千年来，人类一直在试图破解自己的大脑，却因种种局限而步履维艰。现今，随着技术的飞速发展，脑科研先驱者们不仅开发出能够深度探索大脑之谜的工具与方法，而且已经取得了令人振奋的关键进展。

通过《哪些神经科学新发现即将改变世界》，你便可以一睹大脑的研究走到了多远。书中，33位杰出科学家记录了他们对历史级难题的挑战，比如绘制大脑图谱、全脑神经成像、全脑模拟等，这些技术获得了哪些全新进展？神经技术如何应用于抑郁症等疾病的治疗？大脑计划、人类大脑工程等雄心勃勃的研究项目究竟在做些什么？ 在取得惊人成果的同时，他们也陈述了自己乐观又谨慎的预想与反思，指明了我们需要跨越的困难和前进的方向。

《哪些神经科学新发现即将改变世界》是展现未来技术突破口的重要依据，也是展望21世纪人类社会和科学前景的一扇窗口。普通读者和专业人士都将从中获得面向明天的知识与领悟。

盖瑞·马库斯 Gary Marcus

• 知名科学家、畅销书作家和企业家，纽约大学心理学及神经科学荣誉教授，著有《如何创造可信的AI》《乱乱脑》。
• 23岁即从麻省理工学院博士毕业，师从心理学大师史蒂芬·平克。研究方向广泛，涉及神经科学、遗传学、语言学、进化心理学、人工智能、人类与动物行为等多个领域。多篇研究论文发表于《科学》《自然》等知名期刊。
• 人工智能公司 AI创始人兼CEO，曾担任优步人工智能实验负责人。

杰里米·弗里曼 Jeremy Freeman

• 知名计算生物学家和神经科学家，曾就职于霍华德休斯医学研究所。

将神经技术作为临床工具

基础研究所引发的神经技术进步还将产生全新的诊断、治疗和恢复工具。重要的一点是，利用相同工具获得的知识将进一步推动临床应用。理解神经回路功能的原理将让我们能够更好地补足缺失的时间、空间活动模式，它们能够被用于替代丧失的感觉，或者被用于调节失常的大脑回路。能够更好地读取隐藏在神经活动模式中的信息的工具，可能揭示失常的神经回路功能的属性，或者恢复因卒中而造成的身体与大脑之间运动命令的中断。以下是一些这类临床应用的例子。

写入数据 

人工耳蜗是早的可穿戴临床神经接口。当能够将声波转化为电脉冲形式的人体听觉感受器受损时，人工耳蜗能将声音转化为电脉冲，并把它们传递给耳朵中的听觉神经。20 年前，美国食品和药品管理局批准的这项技术如今已经帮助 20 多万人恢复了听力。人工耳蜗只是这种技术的基本形式，但它的作用已经得到了证明。通过与具有适应性的大脑相结合，它改善了人类的生存境况。令人吃惊的是，仅仅在内耳不到 24 个刺激点上插入线一样细的探针就能完成对声音的解读。正常情况下，这项任务会由数千个听毛细胞完成。研究者正在尝试用类似的方法，恢复因黄斑变性或色素性视网膜炎等疾病而丧失光感受器的患者的视力。我们已经可以用摄像机向视网膜前的64 个点的网格传输简单的图形刺激，使神经元将信息传送给大脑。这样便能实现比较粗糙的视觉模仿。若可以更好地理解自然的活动模式并通过更复杂的电子设备传输，我们便能够获得颗粒更细的图形刺激，由此可以给患者带来近似正常的视力或听力。光遗传学的一个更深远的潜在应用是，在剩余的视网膜细胞中重新形成光敏感性，目的是彻底替代缺失的光感受器。如果改善了视网膜或耳蜗的中尺度操作所提供的时间、空间刺激模式，那么在用物理设备替代受损或缺失的网络从而实现神经修复时，我们便能更进一步。

重新恢复运动、情绪和记忆回路的平衡 

神经调节就是用目标刺激调节大脑疾病中的神经回路活动。深部脑刺激（DBS）采用毫米级的电极来改变神经回路。目前已经有超过 10 万人的大脑中被植入了深部脑刺激系统。它们能够减少帕金森病的僵硬和颤抖症状。研究者还在临床试验中对用于治疗抑郁症、认知减退和其他各种神经疾病的深部脑刺激进行了评估。虽然深部脑刺激具有改变生活的影响力，但我们对深部脑刺激发挥作用的网络基础和对疾病本身的模糊认识使得临床结果明显缺乏稳定性，常常需要不断调整刺激模式，不断进行药物治疗。对帕金森病患者进行的深部脑刺激，会干预互相连接的皮层结构与深层结构组成的网络，这些深层结构在不断失去对多巴胺的神经调节作用。因此，关于这些回路功能正常和不正常时的运作的基础研究，应该会带来更有原则的神经调节治疗方法。

此外，如今相对比较大的电极不够精确，而神经技术的发展使它们能够进行精确的、有针对性的时间和空间刺激。如果人类能够让自己的神经元变得对光敏感，那么光学方法似乎预示着更大的潜力，因为这种方法能够实现直接电刺激无法实现的对特定神经元的选择性。可以想象，在经过较长时间之后会出现从大脑外部有选择性地发送能量的方法，这样就不必再通过手术在大脑中安置电极了。电磁线圈、超声波和光也能穿透头皮和颅骨，但目前它们还很粗糙，还无法针对特定的回路进行检测。不过值得注意的是，非损伤性的经颅磁刺激能够暂时缓解某些抑郁症患者的症状，尽管它无法做到很精确。随着大量新工具的出现，我们会更好地认识疾病和刺激的影响。届时，我们应该能破解经颅磁刺激影响神经网络的机制。

神经调节解释了神经技术如何在基础研究与临床应用之间架起了桥梁。研究环境中的刺激能够给临床治疗提供启示，而临床上使用刺激所产生的结果能够引发新的研究问题。重要的一点是，那些愿意接受刺激作为治疗方式的人或参加临床试验的人为科学家提供了探究健康大脑与患病大脑的新窗口。

在这个新的研究时代，人类研究的参与者是科学家、临床医生以及患者。不过，我们应该小心监督这些对认知或情绪进行操纵的研究和治疗计划。虽然对于帕金森病这类主要造成身体影响的疾病，人们一致赞同采取刺激疗法，但当患者患有精神障碍或记忆丧失时，情况就会变得比较不明朗。

……

无论你是一名专业的科学工作者，还是一个渴求知识的普通人，这本书都是你了解21世纪神经科学领域的一扇窗口。全书聚焦于神经科学世界令人振奋的发展，不仅展示了新技术，也介绍了新概念。每一篇文章都从其独特的角度探究了大脑与心智的关系，这些文章有深度、不偏颇，并且毫无虚言。

——史蒂芬·平克 哈佛大学心理学教授、《当下的启蒙》作者

大脑是非常复杂的存在，在破解其工作原理方面，我们似乎迟迟没有重大突破。创建庞大的研究团队，收集更详细的数据，更广泛、更公开地分享数据，会引发新的进步浪潮吗？还是说，我们需要做出概念上的飞跃，才能解读研究的结果？杰出科学家对神经科学的未来展望，尽在这本简短精湛、引人入胜的文集中。

——克里斯托弗·查布里斯 知名心理学家、《看不见的大猩猩》作者

建立对人脑的理解、理论和模拟是21世纪科学和工程学的基本目标。这本书游走在科学和科幻之间，是一座充满大胆想法的宝库。

——斯坦尼斯拉斯·迪昂 大脑奖（The Brain Prize）得主、《脑与意识》作者

神经连接是进化十分匪夷所思的创造产物。这本书来自探索和理解神经连接的前沿阵地，是认识众多科学及逻辑主题的重要入门指南。这些主题包括：记忆和意识、神经复杂性的计算机建模、大数据分析，等等。

——《科学家》

这是一部迷人的作品，适合各个层次的读者阅读。

——《图书馆杂志》