盤點(diǎn) | 過去十年間腦科學(xué)研究的十項(xiàng)成果

文章轉(zhuǎn)載自|醫(yī)療器械創(chuàng)新網(wǎng)

“我們無法忍受人類仍舊對(duì)大腦如何工作知之甚少”。20多年前，英國生物學(xué)家、DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)者之一弗朗西斯·克里克（Francis Crick）如此抱怨。

時(shí)至今日，大腦依舊是人類認(rèn)知的黑洞。人類大腦大約有1000億個(gè)神經(jīng)元，它們?nèi)绾芜B接以及連接錯(cuò)誤導(dǎo)致精神錯(cuò)亂或是出現(xiàn)嚴(yán)重的神經(jīng)性疾病，目前人類并沒有弄清楚其中的奧秘。緊接著，全球人口老齡化時(shí)代的到來，阿爾茨海默綜合癥、帕金森綜合癥以及亨廷頓綜合癥等神經(jīng)衰退性疾病日益成為人類的健康負(fù)擔(dān)，人類迫切地希望知道：大腦是如何工作的?？茖W(xué)家兼作家Lyall Watson曾經(jīng)說過：“我們永遠(yuǎn)無法理解大腦?！痹谌祟惖念^顱中上億個(gè)不斷發(fā)出電信號(hào)的神經(jīng)元組成密密麻麻的網(wǎng)絡(luò)，已經(jīng)困擾了科學(xué)家?guī)讉€(gè)世紀(jì)。然而，近10年來，人們對(duì)這個(gè)神秘器官的認(rèn)知迅速增長。診斷和分子技術(shù)的巨大發(fā)展已經(jīng)揭開了一些大腦的奧秘，科學(xué)家正開始解析這些重大發(fā)現(xiàn)，并用于對(duì)應(yīng)日常行為甚至疾病。加州大學(xué)舊金山分校的神經(jīng)科學(xué)家Michael Stryker表示：“現(xiàn)在的神經(jīng)科學(xué)已經(jīng)變得跟當(dāng)年完全不一樣了，對(duì)于5年前退休的同事們來說真是太遺憾了?！薄犊茖W(xué)美國人》回顧了重要的10個(gè)腦科學(xué)研究，以及它們的重大貢獻(xiàn)。

1 神經(jīng)遺傳學(xué)

20年前，為了診斷神經(jīng)系統(tǒng)疾病，醫(yī)生會(huì)采用既昂貴又對(duì)大腦有侵入性的手段，比如腦掃描、脊髓穿剌和活體組織切片檢查。有些父母擔(dān)心自己攜帶的遺傳疾病會(huì)傳給孩子。如今，許多退行性疾病、癲癇和運(yùn)動(dòng)障礙都能通過快速簡易的血液檢查得到篩查。這得益于2001年完成的人類基因組圖譜，人類基因組計(jì)劃（HGP）掀起了一波新型測序技術(shù)的發(fā)展浪潮，科學(xué)家由此推進(jìn)了對(duì)導(dǎo)致神經(jīng)和精神異常的人類遺傳途徑的認(rèn)識(shí)。

其他的研究雖然還沒有能夠衍生出診斷神經(jīng)疾病的方法，但卻為人們深入了解神經(jīng)機(jī)理，從而解決諸多未解難題打開了重要的大門，科學(xué)家已經(jīng)在精神分裂癥、阿茲海默氏癥、抑郁癥和孤獨(dú)癥和其他疾病患者血液中追蹤到少量異常DNA。未來，快速識(shí)別疾病相關(guān)基因?qū)⒏淖冊(cè)\斷和治療腦部疾病的方法。

2 大腦圖譜

2000年初，為了完成認(rèn)識(shí)人類大腦工作機(jī)制的偉大目標(biāo)，慈善家Paul Allen召集了一群專家。2003年，在HGP完成不久后，他們組成了位于西雅圖的艾倫腦科學(xué)研究所，開始繪制小鼠大腦中的基因活性區(qū)，并將成果匯集成在線數(shù)據(jù)庫（或圖譜）。目前數(shù)據(jù)庫也包括了人類和非人類靈長類動(dòng)物的數(shù)據(jù)。不受限制而且詳盡的基因活性圖譜有助于研究人員設(shè)計(jì)出各種遺傳工程小鼠，表達(dá)特定細(xì)胞類型或基因，這些基因與某些疾病或行為相關(guān)?，F(xiàn)在，艾倫腦科學(xué)研究所繼續(xù)建立各種圖譜，它最近推出了一個(gè)10年計(jì)劃，不僅要研究特定基因被激活的位置，還要研究這些遺傳線路如何將浩瀚信息輸入大腦。作為美國總統(tǒng)奧巴馬倡議的大腦計(jì)劃（White House BRAIN Initiative）的主要參與者，美國國立衛(wèi)生研究院（NIH）剛剛批準(zhǔn)了870萬美元研究經(jīng)費(fèi)，用于繪制小鼠和人類大腦中的神經(jīng)連接。研究的最終目標(biāo)是要改變研究腦部疾病和障礙的方式。

圖為運(yùn)用艾倫腦科學(xué)研究所的腦圖譜軟件虛擬跟蹤技術(shù)，得到的大腦皮層3D俯視圖

3 大腦可塑性

Stryker說，科學(xué)家長期認(rèn)為成人的大腦是一個(gè)相對(duì)靜態(tài)的器官。就在16年前，他們還認(rèn)為，大腦在嬰兒期和幼兒期可塑性極強(qiáng)，此后改變不大。雖然在生命初期大腦具有最強(qiáng)的可塑性，“但在這十年中，科學(xué)家真正開始認(rèn)識(shí)和利用成人大腦可塑性，”Stryker指出。Lumosity等公司開發(fā)的大腦訓(xùn)練軟件和任天堂公司開發(fā)的“輕松頭腦教室”游戲，已經(jīng)成為一種流行文化?！秺W普拉雜志》（Oprah magazine）也發(fā)表文章，探討如何“提高”你的大腦讓它更“聰明”。NIH的高級(jí)研究員R. Douglas Fields認(rèn)為，更好的成像技術(shù)和熒光標(biāo)記細(xì)胞新方法的出現(xiàn)，使科學(xué)家能夠在大腦學(xué)習(xí)新的信息之時(shí)對(duì)它進(jìn)行研究，他說，“能觀察到實(shí)驗(yàn)動(dòng)物腦細(xì)胞的活動(dòng)就能揭示了可塑性的機(jī)制”。

4 大腦導(dǎo)航的奧秘

長久以來，科學(xué)家們都在苦苦思索人們天生的認(rèn)路能力的機(jī)理是什么，而直到1971年，倫敦大學(xué)的John O’Keefe教授的突破性進(jìn)展為這項(xiàng)研究邁出了跨時(shí)代的一步。他在動(dòng)物的海馬體，一個(gè)和記憶息息相關(guān)的重要大腦區(qū)域，發(fā)現(xiàn)了所謂“定位細(xì)胞”，該細(xì)胞只有在動(dòng)物處于某個(gè)特定的地點(diǎn)才會(huì)產(chǎn)生神經(jīng)沖動(dòng)，在其它的地點(diǎn)就不會(huì)。通過這個(gè)發(fā)現(xiàn)，John成功地揭示了人類能夠擁有空間辨別能力的神經(jīng)學(xué)原理。

而在2005年，來自挪威科技大學(xué)的May-Britt 和Edvard Moser夫婦在“定位細(xì)胞”附近的大腦皮層發(fā)現(xiàn)了一種全新的空間位置細(xì)胞——“網(wǎng)格細(xì)胞”。這兩位科學(xué)家在研究小白鼠在盒子里運(yùn)動(dòng)的神經(jīng)電活動(dòng)時(shí)，意外地發(fā)現(xiàn)如果把大腦中被激活細(xì)胞的位置記錄下來，會(huì)出現(xiàn)一個(gè)網(wǎng)格形狀。這種“網(wǎng)格細(xì)胞”使大腦能像導(dǎo)航儀一樣實(shí)時(shí)地追蹤動(dòng)物的位置信息?！熬W(wǎng)格細(xì)胞”和“定位細(xì)胞”共同運(yùn)作，使得動(dòng)物擁有定位能力?！斑@項(xiàng)發(fā)現(xiàn)是有史以來人類在大腦領(lǐng)域最引人注目的發(fā)現(xiàn)之一，”華盛頓得克薩斯州醫(yī)學(xué)院地神經(jīng)生物學(xué)博士James Knierim在2007年環(huán)球科學(xué)雜志MIND板塊這樣評(píng)價(jià)。

5 有趣的記憶

大腦的一大神秘之處是，人們?nèi)匀粺o法準(zhǔn)確說明記憶是什么，神經(jīng)回路如何儲(chǔ)藏特定的回憶。然而，在過去的十年中，關(guān)于記憶的限制，科學(xué)家收獲頗豐。紐約大學(xué)神經(jīng)科學(xué)中心學(xué)者André Fenton認(rèn)為，記憶不一定像白紙黑字寫進(jìn)我們的大腦，不容更改，而像刻在粘土板上，每一次回憶，就像用手指在粘土板劃過，原有的字跡慢慢模糊。正在進(jìn)行的生命活動(dòng)導(dǎo)致記憶隨著時(shí)間推移而改變。

此外，思維定式和情緒可以影響人的注意力和記憶?？茖W(xué)家們正在研究一些實(shí)驗(yàn)化學(xué)制劑，注射后可干擾記憶形成蛋白，消除某些不適感覺，比如吸毒者對(duì)毒品的欲望。研究人員甚至設(shè)法誘騙小鼠形成完全虛假的記憶。記憶的形成和回憶是一個(gè)逐步發(fā)展、激活和可塑的過程，涉及大腦許多不同部分的工作，目前對(duì)這方面的研究還沒有探明完整的復(fù)雜機(jī)制。

6 診斷進(jìn)展

在過去的十年，一些以連接心身為目的的治療技術(shù)獲得了發(fā)展。特別值得注意的是認(rèn)知行為療法（CBT），這種談話療法用于研究人的思想和情感如何影響行為，提出對(duì)策，阻止不良信念。美國馬里蘭州一名臨床心理學(xué)家Mary Alvord介紹，CBT在20世紀(jì)60~70年代首次出現(xiàn)，主要用來治療恐懼癥和焦慮癥。然而，幾十年來，CBT的適應(yīng)癥已大大擴(kuò)展。 2012年，對(duì)100個(gè)病例的綜合研究發(fā)現(xiàn)，CBT不僅是科學(xué)合理的焦慮癥療法，而且也適用于貪食癥、憤怒、緊張和引起疼痛的精神疾病。

如今，其他行為技術(shù)已經(jīng)越來越流行，包括：鼓勵(lì)參與者適應(yīng)現(xiàn)實(shí)的正念禪修，還有辯證行為治療。后者主要是基于CBT，但增加了新的方法，強(qiáng)調(diào)以情緒調(diào)節(jié)解決嚴(yán)重的心理健康問題，如自殺的想法。Alvord希望，這些療法今后可能與藥物同樣有效。他說：“藥物不改變你的生活方式，也不能教你如何更好地與他人相處，而這些療法更像能力的提升，給人以希望?！?/p>

7 光遺傳學(xué)技術(shù)

　　2005年，斯坦福大學(xué)的科學(xué)家們公布了一項(xiàng)令全世界研究者都十分震驚的技術(shù)——光遺傳學(xué)技術(shù)。他們通過光線像開關(guān)一樣高精度地激活或抑制實(shí)驗(yàn)個(gè)體的神經(jīng)元。在這之前，傳統(tǒng)的神經(jīng)操控技術(shù)使用電刺激，精度是非常低的。因此，美國加州大學(xué)的Stryker教授這樣評(píng)價(jià)：“這項(xiàng)技術(shù)徹底顛覆了現(xiàn)有的神經(jīng)領(lǐng)域研究方式。以前的研究中我們完全不知道電刺激的是那個(gè)細(xì)胞，然而現(xiàn)在這些問題全部迎刃而解了?！?舉一個(gè)實(shí)際的例子，當(dāng)科學(xué)家們想要研究在小白鼠走迷宮時(shí)是哪一類神經(jīng)元起到定位導(dǎo)航的關(guān)鍵性作用時(shí)，傳統(tǒng)的做法是向白小鼠腦組織植入電極，一次通電會(huì)同時(shí)刺激上千個(gè)神經(jīng)元，這使得精準(zhǔn)定位變得十分困難。而現(xiàn)在，科學(xué)家們通過光遺傳技術(shù)可以大幅提升定點(diǎn)操控的精準(zhǔn)度。他們將光敏分子植入某一類腦細(xì)胞，它們只能控制特定類型的神經(jīng)元和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。通過光照，使這些腦細(xì)胞激活或抑制特定神經(jīng)元，從而闡明它們與行為和精神疾病的關(guān)系。

　　通過植入纖維或在大腦中產(chǎn)生光敏分子等光遺傳學(xué)手段改造的小鼠，這是斯坦福大學(xué)發(fā)明的技術(shù)

　　鑒于光遺傳學(xué)的諸多好處，全世界范圍內(nèi)的很多神經(jīng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)室都已經(jīng)采用了這項(xiàng)技術(shù)?！霸谶^去的十年里，已經(jīng)有數(shù)百個(gè)研究團(tuán)體使用光遺傳學(xué)技術(shù)來研究各種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在行為、感知和認(rèn)識(shí)過程中的作用?！?光遺傳學(xué)的發(fā)明人之一，Ed Boyden教授在2014年科學(xué)美國人》雜志MIND版上這樣寫道。在未來的研究中，光遺傳學(xué)技術(shù)將向人們揭示大腦細(xì)胞如何產(chǎn)生感情、思想和運(yùn)動(dòng)，以及它們的功能紊亂如何導(dǎo)致精神疾病。

8 神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞的新作用

　　神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞一向不太受人重視。與神經(jīng)元不同，它們之間沒有生物電通訊，數(shù)百年來，科學(xué)家認(rèn)為這些細(xì)胞雖然在大腦中含量豐富，但僅僅作為包裝材料進(jìn)行大腦的輔助功能。 “科學(xué)家認(rèn)為比起令人興奮的神經(jīng)元來，它們是無關(guān)緊要的遲鈍細(xì)胞，”NIH的Fields說。然而，新的成像方法終于給了科學(xué)家研究膠質(zhì)細(xì)胞的機(jī)會(huì)，他們發(fā)現(xiàn)，在記憶和學(xué)習(xí)等重要的大腦功能中，神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞起著關(guān)鍵作用。 “這是個(gè)全新的領(lǐng)域。神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞更為復(fù)雜和多樣，并不像神經(jīng)元，“他指出，“膠質(zhì)細(xì)胞的作用不同于神經(jīng)元，這意味著，我們必須了解它們?！?/p>

圖為染色的大鼠星形膠質(zhì)細(xì)胞

9 神經(jīng)移植技術(shù)

　　當(dāng)人們因?yàn)槭軅?、疾病或者中風(fēng)的原因，導(dǎo)致大腦某處十分關(guān)鍵的部位收到損傷時(shí)，恢復(fù)治療會(huì)變得相當(dāng)困難。此時(shí)，神經(jīng)移植技術(shù)也許將成為修復(fù)大腦損傷的唯一手段。歷史上第一個(gè)被廣泛使用的可移植神經(jīng)裝置是人造耳蝸，一個(gè)在上世紀(jì)八十年代開始推廣的內(nèi)耳裝置。勞倫斯-利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室中心生物工程科主任SatinderpallPannu這樣評(píng)價(jià)到：“在過去的十年里，由于半導(dǎo)體制造業(yè)的飛速發(fā)展，人造耳蝸的音質(zhì)得到了大幅度的提升?！比斯ざ佉呀?jīng)讓全球超過25萬人恢復(fù)了聽覺，而剛剛投入醫(yī)療使用的人工視網(wǎng)膜將有同樣廣泛的應(yīng)用。2011年，第一個(gè)人工視網(wǎng)膜移植手術(shù)獲得了臨床實(shí)驗(yàn)成功。該技術(shù)在2013年正式投入市場，為廣大退化性眼部疾病患者帶來福音。

　　其他的神經(jīng)移植治療技術(shù)，比如大腦深度刺激法和迷走神經(jīng)刺激法，為深受腦部頑疾困擾的患者，比如帕金森病患和癲癇患者，帶來了前所未有的希望。近來，研究者們正在探索這些新技術(shù)在最常見的精神疾病中的應(yīng)用，比如抑郁癥、強(qiáng)迫癥、成癮和疼痛等?，F(xiàn)在的神經(jīng)移植技術(shù)已經(jīng)改變了利用電流對(duì)大腦特定區(qū)域刺激的傳統(tǒng)方式。Pannu還大膽地預(yù)測了未來的神經(jīng)治療圖景——利用釋放化學(xué)物質(zhì)來修復(fù)造成大腦疾病的神經(jīng)紊亂，這樣就可以治療很多棘手的疾病，比如抑郁癥。

10 決策的大腦機(jī)制

　　對(duì)人們來說，做決定總是一種煎熬。有時(shí)候僅僅是決定早上穿什么的簡單選擇都會(huì)讓人無比糾結(jié)。在過去的十年里，有數(shù)十本書籍和幾百篇科研論文都試圖尋找影響人們決策的心理學(xué)因素。然而還沒有一項(xiàng)研究能有著名心理學(xué)家，諾貝爾獎(jiǎng)得主Kahneman在2011年的著作《思考，快與慢》那樣廣泛的影響。

　　在他的書中，Kahneman總結(jié)了科學(xué)家們對(duì)認(rèn)知偏差數(shù)十年的研究成果，并提出了一個(gè)被人們廣為接受的觀點(diǎn)：人們的大腦有兩個(gè)截然不同的機(jī)制共同協(xié)調(diào)做出決策，其中一個(gè)是自動(dòng)的，無意識(shí)的思考，被稱為“系統(tǒng)1”，另一個(gè)更加的主觀，帶有強(qiáng)烈的個(gè)人因素，被稱為“系統(tǒng)2”。系統(tǒng)1負(fù)責(zé)做出快速反應(yīng)，比如面對(duì)高速駛來的摩托車人們會(huì)快速的跳開。而系統(tǒng)2則會(huì)幫助人們解決更加復(fù)雜的數(shù)學(xué)問題或者倒著背誦一長串字母。

　　通過將讀者的注意力集中于深刻理解大腦決策的優(yōu)缺點(diǎn)上，Kahneman幫助讀者避免一些常見的錯(cuò)誤，從而能夠做出更好的選擇。如同評(píng)論家Glenda Cooper所評(píng)論的那樣，“這部發(fā)行量超出一百萬冊(cè)的著作已經(jīng)獲得了‘大師杰作’，‘人類思想的里程碑’的贊譽(yù)”。而這部著作的作者本人則被冠以“當(dāng)世最舉足輕重的心理學(xué)家”之美稱。