大脑功能的研究.doc

近年来，随着各种神经成像技术和神经信息处理手段的不断丰富，脑研究逐步由认识大脑的结构和功能部件转向认识更为深入的神经功能和系统性机理。在这一过程中，工程技术手段和数理方法的运用，人文社会科学的渗入，使得脑科学研究成为具有学科交叉和综合特点的重要的科学前沿。 现在各国主要开展的脑科学方面的研究：由于脑科学对人类的重要意义，现在世界各国都纷纷开展了这方面的研究，由日本政府资助开展的“国际人类前沿科学计划”其中重点之一便是认知科学研究。知觉和认知、运动和行为、记忆和学习及语言和思考是其中重要的4个问题。 美国、欧共体也都制订了大脑研究的十年计划，其中主要研究的问题有：1、感觉系统的研究：对人类视觉、听觉和前庭系统的动态输入的理解。2、知觉和认知计划：诸如人类的学习、在动态环境中识别、评价事件和决策的研究，它包括了多重感觉的整合，在复杂技能获得中的认知和知觉因素，及注意与记忆等。3、认知科学基础研究：确定人类的认知构造，提供知识和技能的准确认知结构和复杂认知处理的过程，提供教导性理论，以刻画如何帮助和优化学习过程，利用人类行为的计算模型提供建立有效的人系统交互作用的认知工程的科学基础。4、关于心智和大脑的关系问题的研究，主要研究经验对智力活动的影响，建立认知心理实验和神经科学相一致的不变性直接知觉的计算理论，为人工智能打下基础。本方向拟充分考虑大脑本身的约束，从信息处理的观点出发运用计算理论，通过机器智能功能仿真，研究大脑的高级功能和心智问题，探索心智和大脑的关系。脑科学即将在哪些方面有所突破。对于脑的高级功能诸如感知、运动控制、学习记忆、情绪、语言、意识等的认识，可能会取得突破性的进展，但是由于大脑是生物体内结构和功能最复杂的组织，需要从分子、细胞系统、全脑、和行为等不同层次进行研究和整合，才有可能提示其奥秘，其复杂性远远超出了我们目前的认识能力，传统的实验研究对于解决人脑对复杂信息的获取处理与加工及高级认识功能机制方面显得苍白无力，因此在短时间内还难以有较大的突破。脑科学未来的发展方向。 在未来的研究中脑科学将和信息学结合起来，新兴的边缘学科神经信息学将利用现代化信息工具使神经科学家和信息学家能够将脑的结构和功能研究结果联系起来，建立神经信息学数据库和有关神经系统所有数据的全球知识管理系统，将不同层次有关脑的研究数据进行检索比较分析、整合、建模和仿真，绘制出脑功能、结构和神经网络图谱。从而解决目前神经科学所面临的海量数据问题，从基因到行为各个水平加深人类对大脑的理解，达到认识脑、保护脑和创造脑的目标。脑科学研究的新进展。1、近年建立起的无创伤成像技术使人们对大脑的分区有了更深的认识。2、我国科学家发现人脑记忆“新大陆”。是近年来脑科学的重大进展之一。3、大脑胶质细胞能耐新发现，它可以抑制过度兴奋，帮助学习记忆。据中科院最新研究发现，大脑中的星状胶质细胞对神经元活动具有两个新的重要作用，可以抑制神经元过度兴奋，免受疾病袭击（如癫痫、中风等都与神经过度兴奋有关），这一发现对神经网络的认识有重要意义，它能释放D丝氨酸，使神经元产生长时间增强反应，帮助学习记忆，这一发现提示了星形胶状细胞对脑的高级功能活动具有重要作用。4、大脑可能有电磁场，这可能与意识的形成有关。5、左右大脑半球分工不同，而整体感觉的产生则可能与两半球都有关系。6、大脑对色彩的感知与血液有关，大脑对血液供应不足非常敏感，常影响到意识的产生障碍及错误判断的产生。7、某些化学物质对大脑细胞的正常工作有重要作用如组胺，有助于睡眠，含量减少有利于觉醒。8、有的研究还表明加强大脑认知功能锻炼有利于恢复脑细胞的活力。9、人脑内乙酰胆碱含量升高能改变学习与记忆。10、海马LCP和小脑LTP是突触可塑性和突触传递的一种表现形式，是学习和记忆的细胞学基础。11、大脑的分析和综合机能是中枢神经系统各个部分和分析器的外围部分共同具有的，外围部分只能简单地分析和综合，精细的分析和综合是大脑皮层特有的。12、大脑新皮层对于创造力是必不可少的。13、新思想新观念产生往往不遵循固定的逻辑规律，而常常是突然地偶然的出现，这正是右脑的特长。14、任何创造性活动都是左右脑密切配合、协同活动的结果。15美国德克塞尔大学的科学家对顿悟的工作机制进行了研究，他们利用功能磁共振成像和脑电图技术对研究对象大脑活动和脑电波的监测显示大脑右半球颞叶中的颞上回区域活动明显增强，并在顿悟前0.3秒左右突然出现高频脑电波，可见此区能促进大脑将看似不相关的信息进行集成，使人在其中找到早先没有发现的联系，而顿悟出答案。16、大脑缺乏某些物质会引起病变（如：神经节苷脂、VE等缺乏时就会引起大脑的病变）。对于大脑的研究人们的主要目标是认识脑、保护脑、创造脑。人们相信脑科学的研究成果将为人类更好地了解自己、保护自己、防治脑病和开发大脑潜能等方面做出重要的贡献。衰老与再生、聪颖与痴呆、学习与记忆、行为与障碍人类的一切行为都和大脑有关，由此，脑科学的研究也成了新世纪科学研究的新前沿和制高点。脑科学研究推动人机界面智能化神经科学是近20年来发展最快的学科之一，目前国际上主要的研究方向有：阐明神经元特殊的细胞和分子生物学特征;揭示神经元之间各种不同的连接方式;鉴别神经元间的差异;了解神经元如何产生、传导信号及这些信号如何改变靶细胞的活动;阐明神经系统疾患的病因、机制;探索新的治疗手段等。从人类的健康来说，人脑的复杂程度和所起的作用是任何别的器官无法比拟的，而且对每一个年龄层次的人都有意义。如出生前的胎儿神经系统的形成和发育是日后正常脑功能的基础，儿童脑的可塑性发育是智力和健康心理形成的关键。成年人脑的有效工作则取决于神经网络中信息的高效传递和加工，老年人的健康生活依赖于没有病理性脑衰老和神经损伤。信息社会的到来，使人类对脑科学的研究增加了紧迫感，了解人脑在信息处理过程中的原理，就可以破译人机界面智能化的世纪难题，开发全新的信息处理系统。神经药理学的发展，还推出了麻醉药、催眠药、呼吸系统和消化系统药等各类治疗神经疾患的药物，形成了制药行业的新军。“脑的10年”推进“脑科学时代”脑科学研究在发达国家已成为科学研究“皇冠上的明珠”，美国国会曾将20世纪的最后10年命名为“脑的10年”。美国国立健康研究院1997年度投入的与脑科学有关的经费达18亿美元，是人类基因组计划的10倍多。日本则制定了“脑科学时代”计划，共投入约160亿美元，为其“超级钢材计划”的10倍。德国、英国、意大利、瑞士、荷兰等也都相继制定了本国的神经科学研究计划。近20年来，神经科学呈现出跳跃式发展态势，已有17名从事神经科学研究的科学家获得了诺贝尔奖，大量优秀的科学家聚拢在脑科学研究的大旗下。当前神经科学有5个鲜明的发展趋势：一是研究已深入到细胞和分子水平。一些重大问题已经在分子水平上找到答案。二是多学科、多层次的全面研究。三是新技术的开发与应用。四是与认知科学、信息科学等广泛的学科交叉。五是开始注重综合、整体的研究。清醒状态下的行为与电生理、神经网络、多导程脑电图、无创脑影像技术等的研究及其成果，把脑科学研究提高到一个新的高度，随着人类基因组计划的实施，与神经系统疾病有关的基因，如老年性痴呆、帕金森氏综合征、亨廷顿征等的相关基因正成为研究热点。在我国，脑科学研究有较好的传统和基础，目前研究力量比较集中的有疼痛与镇痛的机制、视觉信息处理的分子基础、神经元的信号传导、突触传递的调控、神经回路的信息加工、激素对神经元的作用、基因水平的脑功能调控、神经系统的发育和修复等。在神经系统疾病的基因定位、脑功能在基因水平的调控、神经系统的发育和修复、新的无创伤脑影像技术等方面，也做了不少有创意、有价值的工作。近年来，我国政府对神经科学更加重视，如“脑功能和脑重大疾病的基础研究”、“神经发育的基础研究”两项已列入国家973计划和863计划，攀登计划中也有脑科学研究的课题被列入。认识脑保护脑创造脑今后，脑科学研究的主要任务是：研究神经系统的结构和功能;揭示各种神经活动的基本规律;阐明神经系统如何控制肌体的各种行为。具体讲，可以说是认识脑、保护脑、创造脑。所谓认识脑，就是揭示脑的奥秘，阐明脑的功能，其中包括阐明脑的感知、情感、意识的功能，阐明脑的通讯功能。保护脑，就是要征服脑疾病，包括控制脑的发育和衰老，治疗和预防神经性和精神性疾病，探索神经性和精神性疾病的预防方法等。创造脑，就是要开发仿脑计算机，包括开发脑型器件和结构，开发仿脑的信息产生和处理系统。近来，我国有望在几个方面取得进展，如对神经活动基本过程中的细胞和分子机制研究取得重要发现，对老年性痴呆、帕金森氏综合征等的发病机制及发病基因，脊髓损伤的修复机制等的研究可达到国际先进水平，并提出若干有中国特色的治疗方案，以及对汉语认知提出新观点等。 脑科学研究的若干进展 11 关于大脑联合皮质的研究 人类的感觉区和运动区在大脑所占面积相对地是很小的，绝大部分皮层的功能，过去一直是不清楚的。刺激这些部位，既不产生主观感觉，也不引起肌肉运动。损伤或切除后，也不出现明显的感觉和运动障碍。于是猜测，这些区域可能是在感觉和运动之间起着联络作用，便笼统地称之为联合皮质(见图) 经研究发现，人类大脑皮质的联合区比任何动物都发达，尤其是额叶联合皮质。额皮质损伤患者常常出现无欲状态或多欲状态。多欲状态，对某些欲望失去控制能力，因而容易出现各种犯罪行为。无欲状态，可以出现自发思维障碍、创造形能力低下等症状。目前人类对此了解较少。 12 关于大脑记忆研究的进展 人类脑的记忆中枢的研究主要是从一些临床报告材料中得到的。认为，在颞叶皮质存在着记忆痕迹，即该地区为主要的记忆中枢所在。临床上采用颞叶部分切除术治疗严重癫痫的病人，发现严重遗忘症的病人，都损伤了颞叶和海马(位于颞叶深部)。由此，颞叶和海马在记忆中的作用，便引起了人们极大的注意，进行了大量的临床和动物实验研究。 另外，有关对记忆科学的了解还归功于突触传递长期增强现象(long-termpotentiatlon，LTP)的发现及其产生机制的研究。除海马外，脑内其他许多部位，如大脑皮层、小脑、边缘系统，以及皮层下结构等，都可以出现LTP效应。此外，阐明NMDA受体与Hebb型突触强度修正律的关系，都成为80年代有关学习与记忆神经科学研究的最主要的成就。在90年代，学习记忆研究的一个主要目标是确定短期记忆如何转变为长期记忆；阐明细胞事件如何控制基因表达等。 13 关于脑结构的研究 经研究发现，额叶联合皮层每个柱状结构的直径约为300微米(200400微米之间)，称为组件柱(module)。有人认为，联合皮层中的一个组件柱可能就是学习和记忆的一个运算单元(operationalunit)。一个组件柱内约有4000个神经元，其中半数为锥体细胞。在人类的新皮层中，组件柱的数量约为300万左右。 现代脑科学的研究表明，脑内大的神经联接模式是由基因确定的，而突触间的联接是可以随经验而改变的。不论改变突触功能的具体途径怎样，概括起来一个神经元受其它神经元的影响可以归为两种基本类型：一是改变每个突触的反应强度；二是增减属于同一细胞体的突触数。这两种类型在人工神经网络中均可以用节点间连接数的变化加以描述。 14 关于脑神经组织修复的研究 当前，在保护脑和脑组织修复的研究中取得了重要进展。把健康神经组织移植到脑内，修复受损神经组织的实验，已在大鼠、猴和人脑上做了尝试。将动物胚胎中脑的多巴胺神经元移植到纹状体，它们在那里长出纤维，并形成神经末梢网络、运动障碍也随之改善。今后，科学家将完善这些移植技术，并完成把体外培养神经元移入活脑内。 最近，有关对人神经生长因子(NGF)的研究发现，NGF是人神经系统最重要的生物活性蛋白质分子之一，对促进大脑的发育，神经系统的生长，损伤性的再生和功能恢复具有决定性作用。人神经生长因子能加快损伤神经的修复作用，同时能促进神经节神经纤维生长，使断了的神经自然生长愈合。因此，用基因工程生产的人源NGF，就成了当代生物技术的又一产品。 15 关于神经递质的研究 长期以来人们认为，体内有两个可根据自身需要来协调细胞活动的主要系统，即神经系统和内分泌系统，它们的作用方式极不相同。由于去甲肾上腺素被证明是一种激索；而一种多肽激素-后叶加压素，被证明是神经递质。此外，神经肽是神经系统内具有活性的，由氨基酸组成的短肽。它们有时能在神经细胞之间起传递信号的作用。所以两个系统之间的区别似乎又不那么清楚了。 研究发现，在脑啡肽、P物质和其它多肽信使中，一种与众不同的失能(disenaabling)作用与其对应的受体有关。由于肽类递质和被其失能的递质必须各自作用于靶细胞的两类受体上，使得这些成对的信使到达靶细胞时，会产生一系列复杂的级联反应，而使研究进展缓慢。 近年来的研究表明，增加一种神经递质的前体，就能增加脑内其相应神经递质的合成，而合成的增加又使神经元在兴奋时释放更多的递质分子，从而使神经元传递到其听支配细胞的信号得以放大。胆碱和酪氨酸能选择性地放大神经传递，且能在某些突触处增加神经传递，而在另一些突触处则不增加。利用这种选择性，有可能发展新的治疗药剂，用以治疗某些疾病，包括高血压，某些类型的忧郁症、帕金森氏病和老年人的某些记忆紊乱。 16 关于大脑老化的研究 老年人口的比例逐年升高，老年精神病也将有可能成为不容忽视的社会问题。更重要的是，许多患者发病时并没有到老年，而是在4060岁之间。近年来的研究发现，病人的海马和大脑皮层中的胆硷能使神经系统有非常显著的变化，胆硷乙酰转移酶(choline acetyl transferase，CAT)的含量竟比正常人减少了90之多，表明这些脑区里的胆硷能神经末梢已经丧失殆尽。在大脑皮层中，变化最显著的脑区是额叶。最近研究证实、随着年龄增长、神经递质系统内酶的活动出现不平衡，使运动能力减退，甚至出现运动性障碍，如帕金森氏(Parkinson)症和亨廷顿氏(Huntington)症。 研究还发现，年老过程中部分脑巨细胞的树突有生长现象。7080岁老人的大脑皮层和海马的某些区域的树突分支明显增长，而8090岁的老人明显退化。这种增长可能反映了大脑的一种适应性补偿机制。阿尔兹海默(Alzheimer)型老年痴呆患者没有树突增长现象。脑功能的减退是一个非线性的多层次的复杂过程，脑功能在总体上随年龄增长而减退，但7079岁组相对于6069岁组其退行性变化又有所缓解，表明脑功能可能有所恢复，这反映脑在衰退过程中可能存在补偿机制。 17 关于脑功能研究的新技术ET ET(Encephalloflucyuogram Technology，脑涨落图技术)是一项新建立的脑功能研究技术。ET已能超越传统脑波研究的框框。在完全自然和绝对无损伤的条件下，对调制在原始脑波中的涨落信息进行分析，它是非线性的，对人脑进行超慢波扫描，能揭露传统脑波所不能揭露的很多规律，可被应用于所有与神经介质活动有关的研究中。ET技术还能与CT、NMR、PET等技术结合起来使用，以便全面了解人脑在结构和功能上的变化，这将对脑的功能研究作出巨大贡献。 脑科学的前沿问题整理光遗传学（optogenetics）光遗传学是研究人员使用一种新的光控方法选择并打开了某种生物的一类细胞。这也帮助科学家解答一个长期存在的难题，即关于脊髓中某类神经元的特殊功能的研究。光遗传学（optogenetics）结合遗传工程与光来操作个别神经细胞的活性，发现脑部如何产生波（gamma oscillations），并为它们在调控脑部功能中的角色提供新证据，这将有助于发展一系列脑相关失调的新疗法。2005年 Deisseroth 小组首次在技术上实现了用光控制神经活动，到现在就已经发表了近十篇 Nature, Science 的文章。Deisseroth因此在2009年获得Golden Brain Award奖。默认模式网络（Default mode network） 人脑在无外界任务的清醒、静息状态下就存在有组织的脑功能活动，这些脑区主要包括前额叶中内侧、扣带回前部、扣带回后部及两侧顶下小叶等区域。其确切的功能意义尚不清楚，但与大脑对内外环境的监测、情节记忆及自我意识密切相关。该网络的重要特性之一是其负激活程度随任务的认知难度增高而增大，简单的运动及视觉任务对其活动程度没有影响。镜像神经元（mirror neuron） 脑中的神经元网络，一般相信是储存特定记忆的所在；而镜像神经元组则储存了特定行为模式的编码。这种特性不单让我们可以想都不用想，就能执行基本的动作，同时也让我们在看到别人进行同样的动作时，不用细想就能够心领神会。约翰在瞬间就理解玛莉的举动，是因为该动作不只发生在他眼前，实际上也同时出现在他脑中。值得一提的是，传统探究现象学的哲学家早就提出：对于某些事，人必须要亲身体验，才可能真正了解。对神经科学家而言，镜像神经元系统的发现，为该想法提供了实质基础，也明显改变了我们对人类理解方式的认知。裂脑研究（split-brain research） 是指用手术方法将人或实验动物大脑联合部（主要指含有近2亿根神经纤维的胼胝体）切割开，形成两个互相独立的半球，即“裂脑”。裂脑的显著效果就是中断了正常时两半球之间的极其有效的、每秒高达40亿次的川流不息的信息传递，使被掩