高山大學(xué)2017級北京站經(jīng)典課程

神經(jīng)系統(tǒng)主要由神經(jīng)組織組成，分為中樞神經(jīng)系統(tǒng)和周圍神經(jīng)系統(tǒng)兩大部分。中樞神經(jīng)系統(tǒng)又包括腦和脊髓，周圍神經(jīng)系統(tǒng)包括腦神經(jīng)和脊神經(jīng)。

今天我們談到的大腦就是中樞神經(jīng)系統(tǒng)的一部分。

我將用科普的方式給大家講講腦科學(xué)的回顧與前瞻。

人死后解剖下來的大腦，是一個灰色柔軟的組織。上面有很多皺褶，這是人腦一個特殊的結(jié)構(gòu)。

人腦在進化的時候，產(chǎn)生了大量的神經(jīng)細胞，過多的神經(jīng)細胞擠壓在一起，就形成了褶皺。

這些褶皺使得有限的顱空間內(nèi)，腦皮層的表面積更大。

人類的大腦是鼠腦的4個數(shù)量級，又是靈長類動物大腦的10倍以上。

人的智慧都來源大腦，但是大腦看起來除了灰色的褶皺，并沒有其他什么結(jié)構(gòu)，那么大腦究竟有什么神奇之處呢？

大腦的研究起源

大腦的每個部位都主管著不同的功能。

最早發(fā)現(xiàn)這個的是在美國佛蒙特州（Vermont）。

大腦前部的這塊區(qū)域叫前額葉，后來認(rèn)為這塊區(qū)域主要涉及規(guī)劃復(fù)雜的認(rèn)知行為、個性表達、決策和調(diào)節(jié)社會行為等復(fù)雜的認(rèn)知功能。

對于這個意外事件，當(dāng)時有個醫(yī)生對Gage的行為跟蹤研究了很久，關(guān)于他性格和能力的改變，都有非常詳細的描述。這也讓后來的我們對大腦前額葉的功能有了相當(dāng)清楚的理解。

這是醫(yī)學(xué)界非常有名的一件事，Gage的頭骨和那個鐵棒至今還保留在哈佛醫(yī)學(xué)院的博物館里。

大腦語言區(qū)域研究

1961年，法國科學(xué)家布洛卡（Paul Broca）發(fā)現(xiàn)大腦左顳葉損傷可以導(dǎo)致語言障礙。

漸漸的人們發(fā)現(xiàn)，凡是大腦左邊這個區(qū)域有損傷的，都會出現(xiàn)類似的語言失常癥狀。人們稱之為“布洛卡失語癥”。

后來德國醫(yī)生魏尼克（Carl Wernicke）發(fā)現(xiàn)了另外一個區(qū)域（顳葉上方）一種新的語言障礙，這種障礙病人的表現(xiàn)是會說話，但聽不懂別人講話。這種癥狀稱之為“聽覺失語癥”。

人們發(fā)生中風(fēng)以后，基本上會出現(xiàn)這兩種情況的失語現(xiàn)象。

布洛卡區(qū)和魏尼克區(qū)是由神經(jīng)纖維束（也叫弓形束）互相連接，這個部位叫角回，角回出現(xiàn)損傷也會導(dǎo)致失語。我們稱之為“傳導(dǎo)失語癥”。

這些發(fā)現(xiàn)都告訴我們，大腦的不同部位都有著不同的功能。

大腦區(qū)域劃分

德國科學(xué)家波德曼（Brodmann）從解剖學(xué)的角度也把大腦進行了區(qū)域劃分。最終他將大腦分成了一百多個區(qū)，他認(rèn)為不同區(qū)域的細胞組織結(jié)構(gòu)不一樣，功能也會不盡相同。這種區(qū)分在后來證明是非常正確的。

19世紀(jì)末到20世紀(jì)初的這段時間，醫(yī)學(xué)發(fā)展非?？?。由于“消毒”概念的出現(xiàn)，戰(zhàn)爭中很多傷兵得以存活，為大腦研究提供了很多經(jīng)典的案例。

一個被彈片打傷后腦的士兵視野中出現(xiàn)盲點，原因是在他左腦視覺皮層上出現(xiàn)了一個對應(yīng)的損傷點。

就像是圖譜一樣，大腦后面主管視覺的區(qū)域與外界視野區(qū)中的每個點都是精確對應(yīng)的。

這是一個非常重要的發(fā)現(xiàn)，我們可以根據(jù)外界的刺激看到大腦某一個區(qū)域的感知變化，相應(yīng)的，我們也可以根據(jù)大腦某一個區(qū)域的活動來預(yù)測外界的刺激變化。

在另外一場戰(zhàn)爭中，一位德國的軍醫(yī)發(fā)現(xiàn)了腦電波。

但是為什么人的腦電波會出現(xiàn)這樣的變化，至今都很難解讀。

現(xiàn)在醫(yī)院里都通過測量多通道的腦電波來研究這個現(xiàn)象。

但是信息量過大過于復(fù)雜，僅憑檢測到的腦電波分析大腦內(nèi)的狀況還是非常困難，進展也極其緩慢，所以目前腦電波在醫(yī)院的應(yīng)用并不廣泛。

醫(yī)院用到比較先進一點的儀器叫大腦皮層電記錄儀（多電極陣列）。

但使用這個儀器，需要把患者的頭骨打開，將多個電極直接接觸大腦皮層，這樣檢測出來的信號就會比較強，也比較準(zhǔn)確。這種儀器一般是用于治療癲癇病人，檢測發(fā)現(xiàn)癲癇病灶并予以切除。

大腦中的小人

腦電圖用于手術(shù)的過程最開始是加拿大的醫(yī)生Penfield發(fā)現(xiàn)的。

他用帶有不同數(shù)字標(biāo)記的電極刺激大腦皮層的不同位置，同時詢問病人的身體感受。

由此發(fā)現(xiàn)了大腦皮層上不同病灶和分管身體不同部位的區(qū)域。

這種技術(shù)目前在醫(yī)院也都是通用的。知道病人哪里不舒服，然后可以直接在大腦對應(yīng)的區(qū)域進行手術(shù)，不僅省時省力，也能減少病人的痛苦，提高存活率。

根據(jù)自己的手術(shù)發(fā)現(xiàn)，Penfield整理總結(jié)了一個大腦皮層與身體部位對應(yīng)的圖譜。

從圖上可以看到，這個圖譜與人的身體組織其實是不成比例的。

我們的手很小，腿很長，但圖譜上人的手和臉都非常大，腿則很小，這說明大腦皮層上主管手和臉的神經(jīng)組織比較強多；而主管腿的神經(jīng)組織較少。

正是因為這樣，我們才能夠準(zhǔn)確地用手做出各種動作，精確地用臉做出各種表情。這也是進化的關(guān)鍵所在，符合人的社交屬性。

舉一個簡單的例子。用尖的物體刺激手上兩個很靠近的點，你會很清楚的分辨出這兩個不同點的位置。但如果刺激的位置在背上，你則很難分辨出來。

大腦的結(jié)構(gòu)

大腦的結(jié)構(gòu)研究在過去這100年里有很大的進展。

大腦的關(guān)鍵功能主要依賴于其神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Neural Network），神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是由上千億（10¹¹）神經(jīng)細胞（神經(jīng)元）通過百萬億（10¹⁴）個突觸聯(lián)結(jié)組成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，以特殊神經(jīng)環(huán)路實現(xiàn)感知、運動、思維等功能。

神經(jīng)的復(fù)雜不僅僅是因為數(shù)量大、種類多，其放電模式也各不相同。

腦科學(xué)研究的關(guān)鍵是要弄明白神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)?！爸袊X計劃”里有一個核心的項目就是要確定出小鼠的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)圖譜，并且計劃在15年內(nèi)能做研究出猴子的神經(jīng)圖譜。

小鼠的大腦皮層神經(jīng)元有上千萬個，目前已經(jīng)重構(gòu)了52個，但已經(jīng)是相當(dāng)復(fù)雜了，要完全完成上千萬個神經(jīng)元的圖譜是極為困難的。

雖然神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)很復(fù)雜，但神經(jīng)元的基本結(jié)構(gòu)很簡單。

神經(jīng)元主要部分包括樹突、胞體、軸突、細胞膜。樹突形狀似分叉眾多的樹枝，上面散布許多枝狀突起，可以接受來自許多其他細胞的輸入。軸突是細胞的輸出端，從胞體延伸出來，一般長的都有一米多。

那么信號是如何通過神經(jīng)元傳導(dǎo)的呢？

20世紀(jì)初，英國著名的科學(xué)家Adrain解決了神經(jīng)系統(tǒng)編碼問題。

他記錄了貓拇指少數(shù)神經(jīng)纖維受刺激時的電脈沖活動。

刺激較輕時，電信號頻率很低，隨著刺激強度的增加，電信號脈沖頻率逐漸增大，但并非是線性的關(guān)系，并且與振幅無關(guān)。因此Adrain得出如下結(jié)論，也就是Adrian法則：

①神經(jīng)脈沖（動作電位）是“有或無”（all-or-none）

②刺激的強度是以脈沖頻率編碼。

大腦的可塑性

每個人大腦皮層的圖譜都差不多，但是在細節(jié)上又不盡相同。因為大腦皮層圖譜會隨著人的經(jīng)歷發(fā)生改變。

比如有實驗指出，綁住猴子的大拇指和小拇指，幾個星期后，猴子大腦皮層上主管中間三個指頭的區(qū)域因為活動的增加而變大，而綁住的手指頭對應(yīng)的區(qū)域則相應(yīng)的減小。如果再松開綁住的手指，一段時間后就會全部恢復(fù)原貌。

同樣的，腦功能成像顯示，皮層主管左指運動的區(qū)域弦樂手比非弦樂手面積大，較早開始學(xué)習(xí)器樂者面積大于晚學(xué)習(xí)者。

一個有趣的小故事

現(xiàn)在這種治療方法叫鏡像療法。有一半以上的截肢病人都在用這種方法治療幻肢痛。

以上所有這些事例都說明，大腦皮層是有可塑性的。

赫伯學(xué)習(xí)法則

大腦每次的認(rèn)知變化都會引起神經(jīng)細胞結(jié)構(gòu)的變化。40年代初，最早發(fā)現(xiàn)突觸可塑性這一現(xiàn)象的是北京協(xié)和醫(yī)院科學(xué)家馮德培先生。

他把這個發(fā)現(xiàn)稱為“高頻后增強現(xiàn)象（Post-tetanic Facilitation）”。即高頻刺激后神經(jīng)突觸傳遞的效率和強度會上升，并且持續(xù)10分鐘之久。

關(guān)于這種現(xiàn)象的原理，加拿大科學(xué)家Hebb提出了赫伯學(xué)習(xí)法則（Hebb’s Learning Rule）假說：同步的電活動可造成突觸加強或穩(wěn)固。

隨后又有科學(xué)家對這項理論進行了補充：不同步電活動可造成突觸削弱或消失。

這個假說非常有名，是人工智能里一個關(guān)鍵的神經(jīng)科學(xué)理論。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)之所以能夠?qū)W習(xí)，主要原因就是神經(jīng)連接可以改變。

在“赫伯學(xué)習(xí)法則”基礎(chǔ)上，我們實驗室又有了新的發(fā)現(xiàn)。

我們發(fā)現(xiàn)“赫伯學(xué)習(xí)法則”并不完全正確，它應(yīng)該是在一定條件下才成立。

如果突觸前放電先于突觸后放電，則會起到強化突觸的功能（LTP），如果突觸后放電優(yōu)先于突觸前放電，則會弱化突觸的功能（LTD）。

也就是說突觸前與突觸后神經(jīng)元有相關(guān)性的電活動既可強化亦可弱化突觸功能。

這種機制我們實驗室稱之為Spike timing-dependent Plasticity（STDP）。目前人工智能研究方面，也常使用這一理論。

比如說如果我們設(shè)計一個有時序集群，按照順序給出一個刺激，那么這個集群將不會同步放電，而是有序的放電，并且越到下游的連接，越會不斷的增強。形成一個不對稱增強的網(wǎng)絡(luò)。

因此只要激活一個神經(jīng)元集群，下游的集群便會自動產(chǎn)生，這也就是為什么聽到歌曲第一句，我們就能有序的想起整首歌歌詞的原因。我們的記憶有時間特異性、有時序性，這就是大腦控制記憶的機制。

赫伯細胞群假說與人臉識別

Hebb還提到，同步電活動造成突觸的強化，其實就是儲存記憶的過程，而當(dāng)這個神經(jīng)元再次被激活時，則是記憶的提取過程。這就是有名的“赫伯細胞群假說（Hebb’s cell assembly hypothesis）”。

人工智能中的人臉識別技術(shù)其實就是“赫伯細胞群假說”的延伸。即當(dāng)處在不同部位的一群神經(jīng)細胞儲存著一段記憶時，如果只是給出部分的記憶，所有的神經(jīng)細胞都會被激活，同時開始放電。

人工智能能通過學(xué)習(xí)，能認(rèn)知簡單的概念，但是對于復(fù)雜的概念，目前還做不到。舉個例子來說，我們可以通過祖母的面孔、名字、身影、唱的歌、聲音、氣味等來形成大腦中祖母這個記憶，但是人工智能對于名字、身影、氣味等信息則不能很好的處理。

關(guān)于祖母的概念很多，所有這些概念的神經(jīng)細胞我稱之為一個集群。代表概念的神經(jīng)元集群分布在大腦不同的區(qū)域。

概念的神經(jīng)機制研究需要能在宏觀與介觀層面對大量神經(jīng)元集群電活動進行觀測與調(diào)控。目前的技術(shù)基本還做不到，這也正是“中國腦計劃”正在努力攻克的問題。