作者:秦伟利 来源:光明日报 发布时间:2023/5/20 7:43:54
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脑科学,破解大脑健康谜团

 

大脑被誉为宇宙间最复杂的物体,是思想、情感、感知、行为、学习和记忆的源泉,也被认为是人类探索自然科学的“终极疆域”。

作为自然科学塔顶的明珠,脑科学也因此成为一门极富魅力的学科——

在高科技领域,脑科学是当前火热的人工智能、脑机接口、类脑计算背后的知识基础;

在文学创作领域,脑科学是小说、电影中意识上传、共享大脑、记忆互通的现实写照;

在生命健康领域,脑科学正不断破解着被称为“生命禁区”的大脑谜团;

…………

那么,究竟何为脑科学?《2021全球脑科学发展报告》指出,广义上的脑科学研究的是脑结构和脑功能,主要包括脑形态及结构、脑部分区及功能、脑细胞及工作原理、脑神经与网络系统、脑的进化与发育、脑生理机能等领域。如此看来,脑科学的探索,或可破解大脑健康谜团。

脑科学与临床医学紧密关联

据世界卫生组织统计数据显示,目前人类已知疾病超过2万种,其中与大脑相关的疾病不到1.5%。这一数字看上去很乐观,但实际上脑疾病带来的危害不容小视。“在世界范围看,脑疾病造成的负担占疾病总负担的23%。在我国,脑重大疾病已成为中、老年人致死致残的主要原因。”中国科学院院士、北京天坛医院神经外科主任医师赵继宗特别提醒。

脑疾病产生的社会成本和不断增长的治疗需求呼唤脑科学的发展。

“从阿尔茨海默病、帕金森病等神经退行性疾病,到多发性硬化症等神经免疫性疾病,再到抑郁、强迫症等精神类疾病,还有脑血管疾病、脑肿瘤等非神经细胞相关疾病,科研人员已经做了大量研究,不少成果也已在临床应用,但与脑认知障碍性疾病相关的神经环路、功能区及网络连接机制等依然是尚未解决的科学问题。”北京脑科学与类脑研究中心主任、清华大学教授罗敏敏说。

可喜的是,近年来,伴随着脑科学研究的深入,我们对大脑健康的认知正不断拓展。在抑郁研究方面,中国科学技术大学生命科学学院薛天课题组首次诠释了光在白昼和夜晚截然相反的情绪作用及其内在机理,证明夜间不正常光线会造成抑郁等负面情绪。来自暨南大学的研究者在小鼠脑内找到了一条从视网膜到大脑外侧缰核的神经通路,为人们进一步理解光疗抗抑郁的作用机制提供了线索。

“光疗更多的是针对季节性抑郁,抑郁产生的原因有很多,有些跟激素的释放有关,有些跟炎症有关,有些还有很重的遗传因素,目前的治疗方法也是多种多样。”罗敏敏说。

再比如,在药品成瘾问题研究上,离不开对脑内分泌物多巴胺的研究。多巴胺是一种神经传导物质,它传递兴奋及开心的信息,和人的情欲、感觉有关,也与各种上瘾行为有关。多巴胺细胞是合成并释放多巴胺的神经细胞,被认为是大脑奖赏系统中非常重要的一类细胞,起到强化学习、调控动机的作用,而且对记忆的形成也起着重要作用。

“成瘾物质的摄入会导致脑内多巴胺的大量释放,即使成瘾物质本身对人体没有任何好处,但是大脑还是把它当作一个‘奖赏’。比如一些人明明知道自己的行为不对,最后还是控制不住,这是因为成瘾物质已经把他的脑子‘绑架’了,形成了一个病态记忆,以至于对成瘾物质表现出强烈的动机。”罗敏敏解释,“从理论上讲,治疗成瘾需要把相关的病态记忆抹除掉,但又要非常小心,不能抹除掉正常的记忆。同时也要有选择性地降低对成瘾物质的动机,还不能影响其他动机。如果某一天科学家已经实现了对记忆进行非常准确的操控,那就意味着我们可以完全治疗成瘾。”

“目前我们主要研究多巴胺细胞在不同脑区的不同功能,要更精细地了解与之相关的神经环路功能是一个很艰难的挑战。随着我们对多巴胺系统理解的不断加深,一定能为治疗药物成瘾提供新思路。”罗敏敏说。

脑科学与临床医学的关联不只在实验室,还包括来自临床的很多资料、数据的对接转化。

“作为大脑运动语言区的布罗卡区,是19世纪60年代由法国外科医生布罗卡发现的。当时一名铁路工人因为脑部受伤出现失语症状,等病人去世时医生做了解剖,发现病人大脑的某一区域出现了损伤,由此判断这片区域的功能和语言有关。”赵继宗介绍,这样的例子在当前也有很多,例如目前DBS(脑深部电刺激)在治疗帕金森病方面有比较广泛的应用,我们结合MRI(磁共振成像),对帕金森病的神经调控环路进行研究,试着探索帕金森病的病因。“在治疗过程中还发现,DBS对阿尔茨海默病、抑郁等也有效果,我们进行了相关临床试验,希望在阿尔茨海默病的机制研究上有所突破。”

脑科学的进步需要基础研究者与临床医生共同探索

与诸多科幻作品中描绘的人类完全操控大脑、实现记忆交换不同的是,现实中脑科学远没有达到如此高的水平。正如采访中罗敏敏所说:“意识是怎么回事,睡眠是怎么回事,学习和记忆是怎么回事,语言是怎么产生的,情绪是怎么控制的,每天的进食是怎么调控的……这些都和脑科学有关,可以说目前我们所了解、理解的东西还是非常少的。”

脑科学研究为什么这么难?

“大脑是一个非常复杂、动态的系统,脑科学需要的技术有很多,比如如何大规模实时记录多脑区、多细胞的神经活动,怎样多脑区调控神经细胞活动,很多神经信号在分子水平是怎么回事?这些观测需要的技术手段目前还很缺乏。”在罗敏敏看来,脑科学是一个十分重视技术又跨学科的领域。“我们从各行各业学到了很多东西,包括计算科学、电子科学、化学等。我们过去20年最重要的一项技术——光遗传学,实际上就来自于植物对光的感受的离子通道的研究,基因编辑技术CRISPR-Cas9来自免疫学和微生物学,IPS(诱导性多能干细胞)来自医学。这些技术对脑科学研究助力很大,但还是远远不够。”

因此,脑疾病相关研究常常陷入困局。

“从1817年首次发现帕金森病至今已有200多年历史,虽然在临床治疗上有不少进展,但其发病率仍居高不下。2015年全球约有450万帕金森病人。阿尔茨海默病的情况与之类似,自1901年被发现以来,也没有较好的治疗手段。”赵继宗介绍,近些年抑郁症得到了社会广泛关注,现在抑郁症不但发生在成年人身上,也发生在孩子身上。“这些疾病都有一个关键难题,就是发病机理不明。”

而且,治疗手段仍然有限。“虽然医院有了各式各样的手术机器人,手术的精度提高了很多,但一旦定位到脑区后,能做的事情还是很少,比方说大脑中发现一个脑瘤或者癫痫灶,目前还是把病灶损毁掉,并没有一个更有效更安全的疗法。”罗敏敏说。

关于脑认知疾病药物研发的临床试验也充满曲折。究其原因,“在于人类认知、情绪和行为改变等脑认知功能研究无法完全用动物实验替代。”赵继宗说,实验用的小鼠脑和人类大脑差别很大,很多实验数据和研发的药物在小鼠身上有用,到人身上就无效了。

作为与临床医学紧密结合的科学,脑科学的进步需要基础研究者与临床医生共同探索。“临床医学可以为脑科学基础研究发现科学问题,提供临床资料。基础研究的成果可以在临床上得到验证和应用。”赵继宗说。

脑科学有望给人类发展带来实质性进步

《科学》杂志创刊125周年时,邀请全球几百位科学家讨论归纳出125个当今世界最重要的前沿科学问题,涉及生命科学的占到了46%,其中18个问题属于脑科学,包括意识的生物学基础、记忆的储存与恢复、人类的合作行为、成瘾的生物学基础等,这些问题至今仍是科学研究的最前沿。

《2021年全球脑科学发展报告》提到,脑科学是生命科学最尖端、最前沿的领域,也是人类最难攻克的“科学堡垒”之一,脑科学也是诸多前沿科技发展的基础,如人工智能、脑机接口、信息科学、仿生科学等……尤其在神经性和精神性疾病领域,我们迫切需要脑科学的进步为其防治提供新思路新方案。

2014年3月,我国召开香山科学会议,专门探讨中国脑科学研究计划的目标、任务和可行性。“中国脑计划的核心是‘一体两翼’,‘一体’是以阐述人类认知的神经基础为主体和核心,‘两翼’是加强预防、诊断和治疗脑认知障碍疾病研究以及通过计算和系统模拟推进人工智能研究。”赵继宗介绍,“十四五”规划和2035远景目标纲将“脑科学与类脑研究”列入科技前沿领域攻关项,脑科学的发展前景值得期待。

近年来,伴随着人工智能领域的发展,脑科学与类脑研究又一次成为大众讨论的热门话题,在罗敏敏看来,当前的人工智能和人脑还是两种不同的智能形态。“我们人脑的计算是带着偏见的客观,带着情绪来看待世界,特别强调情绪和觉醒的作用,而人工智能则不会受情绪影响,如同一个‘冷酷’的持续高速运行的大脑。当然人工智能和脑科学也有相互交叉、相互借鉴的地方,脑科学可以借助人工智能进行相关研究,人工智能也可以借鉴人脑的一些特点,包括存算一体等。”

“当年电气化刚刚出现,很多人将大脑的运行理解为开关、电路;计算机出现后人们开始用神经环路、集成电路的概念来理解大脑;现在,人工智能的不断发展,又给脑科学研究带来了一些新的概念,但其实和人脑的计算原理还是有很大差别。”罗敏敏说,某种意义上,脑科学是一个非常年轻的科学,如果有人想从事相关科学研究,希望能够给人类发展带来实质性进步的话,应该投入到这门新兴的科学里来。

 
 
 
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