【健康前沿】

大腦被譽為宇宙間最復雜的物體，是思想、情感、感知、行為、學習和記憶的源泉，也被認為是人類探索自然科學的“終極疆域”。

作為自然科學塔頂的明珠，腦科學也因此成為一門極富魅力的學科——

在高科技領域，腦科學是當前火熱的人工智能、腦機接口、類腦計算背后的知識基礎﹔

在文學創作領域，腦科學是小說、電影中意識上傳、共享大腦、記憶互通的現實寫照﹔

在生命健康領域，腦科學正不斷破解著被稱為“生命禁區”的大腦謎團﹔

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那麼，究竟何為腦科學？《2021全球腦科學發展報告》指出，廣義上的腦科學研究的是腦結構和腦功能，主要包括腦形態及結構、腦部分區及功能、腦細胞及工作原理、腦神經與網絡系統、腦的進化與發育、腦生理機能等領域。如此看來，腦科學的探索，或可破解大腦健康謎團。

腦科學與臨床醫學緊密關聯

據世界衛生組織統計數據顯示，目前人類已知疾病超過2萬種，其中與大腦相關的疾病不到1.5%。這一數字看上去很樂觀，但實際上腦疾病帶來的危害不容小視。“在世界范圍看，腦疾病造成的負擔佔疾病總負擔的23%。在我國，腦重大疾病已成為中、老年人致死致殘的主要原因。”中科院院士、北京天壇醫院神經外科主任醫師趙繼宗特別提醒。

腦疾病產生的社會成本和不斷增長的治療需求呼喚腦科學的發展。

“從阿爾茨海默病、帕金森病等神經退行性疾病，到多發性硬化症等神經免疫性疾病，再到抑郁、強迫症等精神類疾病，還有腦血管疾病、腦腫瘤等非神經細胞相關疾病，科研人員已經做了大量研究，不少成果也已在臨床應用，但與腦認知障礙性疾病相關的神經環路、功能區及網絡連接機制等依然是尚未解決的科學問題。”北京腦科學與類腦研究中心主任、清華大學教授羅敏敏說。

可喜的是，近年來，伴隨著腦科學研究的深入，我們對大腦健康的認知正不斷拓展。在抑郁研究方面，中國科學技術大學生命科學學院薛天課題組首次詮釋了光在白晝和夜晚截然相反的情緒作用及其內在機理，証明夜間不正常光線會造成抑郁等負面情緒。來自暨南大學的研究者在小鼠腦內找到了一條從視網膜到大腦外側缰核的神經通路，為人們進一步理解光療抗抑郁的作用機制提供了線索。

“光療更多的是針對季節性抑郁，抑郁產生的原因有很多，有些跟激素的釋放有關，有些跟炎症有關，有些還有很重的遺傳因素，目前的治療方法也是多種多樣。”羅敏敏說。

再比如，在藥品成癮問題研究上，離不開對腦內分泌物多巴胺的研究。多巴胺是一種神經傳導物質，它傳遞興奮及開心的信息，和人的情欲、感覺有關，也與各種上癮行為有關。多巴胺細胞是合成並釋放多巴胺的神經細胞，被認為是大腦獎賞系統中非常重要的一類細胞，起到強化學習、調控動機的作用，而且對記憶的形成也起著重要作用。

“成癮物質的攝入會導致腦內多巴胺的大量釋放，即使成癮物質本身對人體沒有任何好處，但是大腦還是把它當作一個‘獎賞’。比如一些人明明知道自己的行為不對，最后還是控制不住，這是因為成癮物質已經把他的腦子‘綁架’了，形成了一個病態記憶，以至於對成癮物質表現出強烈的動機。”羅敏敏解釋，“從理論上講，治療成癮需要把相關的病態記憶抹除掉，但又要非常小心，不能抹除掉正常的記憶。同時也要有選擇性地降低對成癮物質的動機，還不能影響其他動機。如果某一天科學家已經實現了對記憶進行非常准確的操控，那就意味著我們可以完全治療成癮。”

“目前我們主要研究多巴胺細胞在不同腦區的不同功能，要更精細地了解與之相關的神經環路功能是一個很艱難的挑戰。隨著我們對多巴胺系統理解的不斷加深，一定能為治療藥物成癮提供新思路。”羅敏敏說。

腦科學與臨床醫學的關聯不隻在實驗室，還包括來自臨床的很多資料、數據的對接轉化。

“作為大腦運動語言區的布羅卡區，是19世紀60年代由法國外科醫生布羅卡發現的。當時一名鐵路工人因為腦部受傷出現失語症狀，等病人去世時醫生做了解剖，發現病人大腦的某一區域出現了損傷，由此判斷這片區域的功能和語言有關。”趙繼宗介紹，這樣的例子在當前也有很多，例如目前DBS（腦深部電刺激）在治療帕金森病方面有比較廣泛的應用，我們結合MRI（磁共振成像），對帕金森病的神經調控環路進行研究，試著探索帕金森病的病因。“在治療過程中還發現，DBS對阿爾茨海默病、抑郁等也有效果，我們進行了相關臨床試驗，希望在阿爾茨海默病的機制研究上有所突破。”

腦科學的進步需要基礎研究者與臨床醫生共同探索

與諸多科幻作品中描繪的人類完全操控大腦、實現記憶交換不同的是，現實中腦科學遠沒有達到如此高的水平。正如採訪中羅敏敏所說：“意識是怎麼回事，睡眠是怎麼回事，學習和記憶是怎麼回事，語言是怎麼產生的，情緒是怎麼控制的，每天的進食是怎麼調控的……這些都和腦科學有關，可以說目前我們所了解、理解的東西還是非常少的。”

腦科學研究為什麼這麼難？

“大腦是一個非常復雜、動態的系統，腦科學需要的技術有很多，比如如何大規模實時記錄多腦區、多細胞的神經活動，怎樣多腦區調控神經細胞活動，很多神經信號在分子水平是怎麼回事？這些觀測需要的技術手段目前還很缺乏。”在羅敏敏看來，腦科學是一個十分重視技術又跨學科的領域。“我們從各行各業學到了很多東西，包括計算科學、電子科學、化學等。我們過去20年最重要的一項技術——光遺傳學，實際上就來自於植物對光的感受的離子通道的研究，基因編輯技術CRISPR-Cas9來自免疫學和微生物學，IPS（誘導性多能干細胞）來自醫學。這些技術對腦科學研究助力很大，但還是遠遠不夠。”

因此，腦疾病相關研究常常陷入困局。

“從1817年首次發現帕金森病至今已有200多年歷史，雖然在臨床治療上有不少進展，但其發病率仍居高不下。2015年全球約有450萬帕金森病人。阿爾茨海默病的情況與之類似，自1901年被發現以來，也沒有較好的治療手段。”趙繼宗介紹，近些年抑郁症得到了社會廣泛關注，現在抑郁症不但發生在成年人身上，也發生在孩子身上。“這些疾病都有一個關鍵難題，就是發病機理不明。”

而且，治療手段仍然有限。“雖然醫院有了各式各樣的手術機器人，手術的精度提高了很多，但一旦定位到腦區后，能做的事情還是很少，比方說大腦中發現一個腦瘤或者癲癇灶，目前還是把病灶損毀掉，並沒有一個更有效更安全的療法。”羅敏敏說。

關於腦認知疾病藥物研發的臨床試驗也充滿曲折。究其原因，“在於人類認知、情緒和行為改變等腦認知功能研究無法完全用動物實驗替代。”趙繼宗說，實驗用的小鼠腦和人類大腦差別很大，很多實驗數據和研發的藥物在小鼠身上有用，到人身上就無效了。

作為與臨床醫學緊密結合的科學，腦科學的進步需要基礎研究者與臨床醫生共同探索。“臨床醫學可以為腦科學基礎研究發現科學問題，提供臨床資料。基礎研究的成果可以在臨床上得到驗証和應用。”趙繼宗說。

腦科學有望給人類發展帶來實質性進步

《科學》雜志創刊125周年時，邀請全球幾百位科學家討論歸納出125個當今世界最重要的前沿科學問題，涉及生命科學的佔到了46%，其中18個問題屬於腦科學，包括意識的生物學基礎、記憶的儲存與恢復、人類的合作行為、成癮的生物學基礎等，這些問題至今仍是科學研究的最前沿。

《2021年全球腦科學發展報告》提到，腦科學是生命科學最尖端、最前沿的領域，也是人類最難攻克的“科學堡壘”之一，腦科學也是諸多前沿科技發展的基礎，如人工智能、腦機接口、信息科學、仿生科學等……尤其在神經性和精神性疾病領域，我們迫切需要腦科學的進步為其防治提供新思路新方案。

2014年3月，我國召開香山科學會議，專門探討中國腦科學研究計劃的目標、任務和可行性。“中國腦計劃的核心是‘一體兩翼’，‘一體’是以闡述人類認知的神經基礎為主體和核心，‘兩翼’是加強預防、診斷和治療腦認知障礙疾病研究以及通過計算和系統模擬推進人工智能研究。”趙繼宗介紹，“十四五”規劃和2035遠景目標綱將“腦科學與類腦研究”列入科技前沿領域攻關項，腦科學的發展前景值得期待。

近年來，伴隨著人工智能領域的發展，腦科學與類腦研究又一次成為大眾討論的熱門話題，在羅敏敏看來，當前的人工智能和人腦還是兩種不同的智能形態。“我們人腦的計算是帶著偏見的客觀，帶著情緒來看待世界，特別強調情緒和覺醒的作用，而人工智能則不會受情緒影響，如同一個‘冷酷’的持續高速運行的大腦。當然人工智能和腦科學也有相互交叉、相互借鑒的地方，腦科學可以借助人工智能進行相關研究，人工智能也可以借鑒人腦的一些特點，包括存算一體等。”

“當年電氣化剛剛出現，很多人將大腦的運行理解為開關、電路﹔計算機出現后人們開始用神經環路、集成電路的概念來理解大腦﹔現在，人工智能的不斷發展，又給腦科學研究帶來了一些新的概念，但其實和人腦的計算原理還是有很大差別。”羅敏敏說，某種意義上，腦科學是一個非常年輕的科學，如果有人想從事相關科學研究，希望能夠給人類發展帶來實質性進步的話，應該投入到這門新興的科學裡來。（記者 秦偉利）

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