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脑科学研究掀起新热潮 "读心术"或成战争新武器

http://www.kexue.com 2013-08-13 08:57:16 解放日报  发表评论


脑科学研究成为当代医学最热门的领域

  2013年以来,人脑科学研究在全球掀起新的热潮——

  美国,6位科学家提出一项“人脑活动图谱”计划,受到政府高度重视,被列为国家级别的大科学计划,初步获得1亿美元研究预算,目前,一个规模更大的研究计划正在积极谋划中。

  欧洲,人脑工程进入欧盟“未来新兴旗舰技术项目”名单,并将在未来10年内获得10亿欧元的经费。

  在我国,几周前,多位高校专家低调进京咨询讨论,进一步完善相关领域长远布局,正在紧锣密鼓进行中。

  抢占脑科学研究的战略制高点,竞争火花四溅。

  当下,加紧探索这一人类认识的“最后疆域”,究竟意欲何为?

  探索人体里的“小宇宙”

  早在100多年前,著名的西班牙科学家、神经系统研究的先驱者卡赫曾经说过,“只要大脑的奥秘尚未大白于天下,宇宙将仍是一个谜”。

  事实上,包括中枢神经、周边神经系统在内的“脑”确实是藏在人体内的“小宇宙”。中科院院士、脑科学研究专家杨雄里教授列出一组数据:人脑组成单元神经细胞数量达上千亿,与银河系已知星体总数相当;而作为神经细胞的连接点“突触”数量,又是神经细胞的1000倍,达到10的14次方,每秒完成千万次动态链接;人类大脑可储存的信息相当于美国国会图书馆藏书总量的 50倍……正是这些数字构成的神经网络令人类得以产生感觉、接收信号、形成意识、获得逻辑、发出指令、学习、拥有记忆。也正由此,揭示脑的奥秘成为现代科学面临的最大挑战。

  几十年来,人类对脑的奥秘的探究从未停止,已有数十位从事脑科学研究的科学家获得诺贝尔奖。脑科研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”,日本更制定了“脑科学时代”计划,德国、英国、瑞士等也都拥有本国的神经科学研究计划。

  杨雄里院士介绍,从19世纪末开始,人们逐渐认识到要解开大脑之谜,一方面必须描绘脑的各种组构,摸清它们的相互联系,另一方面必须分析脑的各部分如何工作以及它们如何协同实现各种功能,这两方面也就构成了脑科学研究的两个传统分支——神经解剖学和神经生理学,两者几乎相互独立、并行发展。到了20世纪50年代,两个学科间壁垒逐渐被打破,同时细胞生物学、分子生物学等其他学科急速发展,并逐渐融入人类探索大脑的“大军”。

  此次美欧在这一领域的全新计划,正是多年探索基础上的又一次发力。前者意图通过先进技术更深入了解人脑功能单元的连接组成及其动力学变化,后者则更进一步,偏重在采集大量数据的基础上,向“人工模拟大脑功能系统”进发。

  如何迈过“巨大的鸿沟”?

  对于各国争相投入,以及全球研究领域的激烈争夺,杨院士直言“不是坏事”。在他看来,科学上的进步往往在你追我赶的竞争中提速。作为我国脑科学研究领域的权威专家,眼前他更关心的是研究者们共同面临的 “巨大的鸿沟”。

  何为“巨大的鸿沟”?当前在细胞和分子水平上对脑和神经系统的研究已经取得了巨大成功,另一方面,我们已经有可能在整体水平上监测脑实施功能时各分区神经元的活动状态。然而,对于产生知觉、认知、思维等涉及数千乃至上百万神经元集群活动的监测,仍然缺少有效的技术手段,也因此尚未积累充分的数据,并进行细致的分析。

  在这样的情况下,发展新的神经细胞活动的检测技术、信息技术和其他有关工程技术,显然成为脑科学的新的“生长点”。北京师范大学脑与认知科学研究院院长罗跃嘉打比方,“就像我们要去研究火星,首先要建造一艘能够到达火星的飞船。 ”

  在科学家们看来,神经元标记和大范围神经网络中神经环路示踪和结构功能成像技术,大范围神经网络活动的同步检测、分析和操控技术,具有高时间、空间分辨力的新型成像技术,以及电子探针、纳米技术等,都将令研究者们探索大范围的神经元集群功能状态及动态变化成为可能,由此积累的大量数据或许可助人类在探索大脑的路上跨越沟壑、走得更远。

  当然,对脑的信息处理特点的研究,也有助于推进信息技术和其他工程技术的发展。 技术层面而言,大脑本身就是复杂系统,当研究人员凭借着不断升级换代的高新信息工程技术走入大脑深处后,得到的认知或许还可反过来促进信息及其他工程技术的发展,形成良性循环。

  我们真的准备好了吗?

  人类“脑计划”雄心勃勃,一些对脑科学的应用猜想已经成为热议话题:一旦掌握了脑的秘密,是不是“读心术”将成为可能?很快就能像电脑“拷贝”文件那样快速学习了吗?甚至有人更进一步,分析人脑控制在军事领域的应用前景。

  对此,不少专家直言“尚早”。杨雄里认为,探索脑的奥秘,是一个漫长的过程,即使仅仅是绘制出所谓“人脑活动图谱”,几十年、或许几百年都不够。在他看来,研究大脑的功能,特别是脑的高级复杂功能,如感知、思维、情绪、认知,存在着巨大的困难。首先,即使像“大脑活动图谱”计划所说的把每个神经细胞的活动都记录下来,这也还只是我们了解脑的活动的基础工作。因为这些活动随着环境、刺激而瞬息万变。更重要的是,大脑在人出生以后,有一个发育成熟的过程,在此期间神经细胞的活动不断地发生变化,甚至当神经系统成熟以后,它的功能和结构都会因环境的变化而发生改变。这就是所谓的脑的可塑性。这一特点,充分说明它是一种动态的过程,不是静止不变的。与这样复杂的系统打交道不是轻而易举的。

  另一个巨大困难,在于大脑的高级复杂功能,固然有其物质的基础,但当这些物质运动,升华成为精神活动的时候,它就会凸现一些我们目前并不了解的特殊规律。以做梦为例,科学家们已掌握某些技术可探测一个人是不是在做梦,但是还没有客观方法来确定做的是什么梦,而做梦在同样的外在条件之下,具有明显的不可重复性,这给研究梦这样的脑的高级功能带来了很多困难。

  在他看来,对大脑的研究,有着除医学以外的意义。往深处想,如今我们感知这个世界,是通过视觉、触觉、味觉、听觉等各种功能的神经元接受信号,再经各级各类神经回路的复杂加工处理得来。但是,经过大脑的这样的信息处理,我们所感知的世界,还是不是真实的物理世界呢?在日常生活中,有很多错觉,现在的科学研究表明,这些错觉确实有其相应的神经基础。

  对于研究脑的功能存在的这些困难,我们是否都已做好了准备?

  大半辈子都交给了脑科学研究的杨雄里这样看:人类对大脑的认识是绝对真理,在某一个历史时期我们所认识的只是相对真理,通过神经科学家的艰苦努力,可以逐渐逼近这个绝对真理,但我们永远不能穷尽它。

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