盤點 | 過去十年間腦科學研究的十項成果

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大腦如何工作知之甚少”。20多年前，英國生物學家、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。

時至今日，大腦依舊是人類認知的黑洞。人類大腦大約有1000億個神經(jīng)元，它們?nèi)绾芜B接以及連接錯誤導致精神錯亂或是出現(xiàn)嚴重的神經(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擔，人類迫切地希望知道：大腦是如何工作的?？茖W家兼作家Lyall Watson曾經(jīng)說過：“我們永遠無法理解大腦?！痹谌祟惖念^顱中上億個不斷發(fā)出電信號的神經(jīng)元組成密密麻麻的網(wǎng)絡(luò)，已經(jīng)困擾了科學家?guī)讉€世紀。然而，近10年來，人們對這個神秘器官的認知迅速增長。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，科學家正開始解析這些重大發(fā)現(xiàn)，并用于對應(yīng)日常行為甚至疾病。加州大學舊金山分校的神經(jīng)科學家Michael Stryker表示：“現(xiàn)在的神經(jīng)科學已經(jīng)變得跟當年完全不一樣了，對于5年前退休的同事們來說真是太遺憾了?！薄犊茖W美國人》回顧了重要的10個腦科學研究，以及它們的重大貢獻。

1 神經(jīng)遺傳學

20年前，為了診斷神經(jīng)系統(tǒng)疾病，醫(yī)生會采用既昂貴又對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。有些父母擔心自己攜帶的遺傳疾病會傳給孩子。如今，許多退行性疾病、癲癇和運動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，人類基因組計劃（HGP）掀起了一波新型測序技術(shù)的發(fā)展浪潮，科學家由此推進了對導致神經(jīng)和精神異常的人類遺傳途徑的認識。

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)機理，從而解決諸多未解難題打開了重要的大門，科學家已經(jīng)在精神分裂癥、阿茲海默氏癥、抑郁癥和孤獨癥和其他疾病患者血液中追蹤到少量異常DNA。未來，快速識別疾病相關(guān)基因?qū)⒏淖冊\斷和治療腦部疾病的方法。

2 大腦圖譜

2000年初，為了完成認識人類大腦工作機制的偉大目標，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)計出各種遺傳工程小鼠，表達特定細胞類型或基因，這些基因與某些疾病或行為相關(guān)?，F(xiàn)在，艾倫腦科學研究所繼續(xù)建立各種圖譜，它最近推出了一個10年計劃，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）剛剛批準了870萬美元研究經(jīng)費，用于繪制小鼠和人類大腦中的神經(jīng)連接。研究的最終目標是要改變研究腦部疾病和障礙的方式。

圖為運用艾倫腦科學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，科學家長期認為成人的大腦是一個相對靜態(tài)的器官。就在16年前，他們還認為，大腦在嬰兒期和幼兒期可塑性極強，此后改變不大。雖然在生命初期大腦具有最強的可塑性，“但在這十年中，科學家真正開始認識和利用成人大腦可塑性，”Stryker指出。Lumosity等公司開發(fā)的大腦訓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的高級研究員R. Douglas Fields認為，更好的成像技術(shù)和熒光標記細胞新方法的出現(xiàn)，使科學家能夠在大腦學習新的信息之時對它進行研究，他說，“能觀察到實驗動物腦細胞的活動就能揭示了可塑性的機制”。

4 大腦導航的奧秘

長久以來，科學家們都在苦苦思索人們天生的認路能力的機理是什么，而直到1971年，倫敦大學的John O’Keefe教授的突破性進展為這項研究邁出了跨時代的一步。他在動物的海馬體，一個和記憶息息相關(guān)的重要大腦區(qū)域，發(fā)現(xiàn)了所謂“定位細胞”，該細胞只有在動物處于某個特定的地點才會產(chǎn)生神經(jīng)沖動，在其它的地點就不會。通過這個發(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)學原理。

而在2005年，來自挪威科技大學的May-Britt 和Edvard Moser夫婦在“定位細胞”附近的大腦皮層發(fā)現(xiàn)了一種全新的空間位置細胞——“網(wǎng)格細胞”。這兩位科學家在研究小白鼠在盒子里運動的神經(jīng)電活動時，意外地發(fā)現(xiàn)如果把大腦中被激活細胞的位置記錄下來，會出現(xiàn)一個網(wǎng)格形狀。這種“網(wǎng)格細胞”使大腦能像導航儀一樣實時地追蹤動物的位置信息?！熬W(wǎng)格細胞”和“定位細胞”共同運作，使得動物擁有定位能力?！斑@項發(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)學院地神經(jīng)生物學博士James Knierim在2007年環(huán)球科學雜志MIND板塊這樣評價。

5 有趣的記憶

大腦的一大神秘之處是，人們?nèi)匀粺o法準確說明記憶是什么，神經(jīng)回路如何儲藏特定的回憶。然而，在過去的十年中，關(guān)于記憶的限制，科學家收獲頗豐。紐約大學神經(jīng)科學中心學者André Fenton認為，記憶不一定像白紙黑字寫進我們的大腦，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。正在進行的生命活動導致記憶隨著時間推移而改變。

此外，思維定式和情緒可以影響人的注意力和記憶?？茖W家們正在研究一些實驗化學制劑，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，目前對這方面的研究還沒有探明完整的復雜機制。

6 診斷進展

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，提出對策，阻止不良信念。美國馬里蘭州一名臨床心理學家Mary Alvord介紹，CBT在20世紀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)癥已大大擴展。 2012年，對100個病例的綜合研究發(fā)現(xiàn)，CBT不僅是科學合理的焦慮癥療法，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：鼓勵參與者適應(yīng)現(xiàn)實的正念禪修，還有辯證行為治療。后者主要是基于CBT，但增加了新的方法，強調(diào)以情緒調(diào)節(jié)解決嚴重的心理健康問題，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 光遺傳學技術(shù)

　　2005年，斯坦福大學的科學家們公布了一項令全世界研究者都十分震驚的技術(shù)——光遺傳學技術(shù)。他們通過光線像開關(guān)一樣高精度地激活或抑制實驗個體的神經(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，美國加州大學的Stryker教授這樣評價：“這項技術(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細胞，然而現(xiàn)在這些問題全部迎刃而解了?！?舉一個實際的例子，當科學家們想要研究在小白鼠走迷宮時是哪一類神經(jīng)元起到定位導航的關(guān)鍵性作用時，傳統(tǒng)的做法是向白小鼠腦組織植入電極，一次通電會同時刺激上千個神經(jīng)元，這使得精準定位變得十分困難。而現(xiàn)在，科學家們通過光遺傳技術(shù)可以大幅提升定點操控的精準度。他們將光敏分子植入某一類腦細胞，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手段改造的小鼠，這是斯坦福大學發(fā)明的技術(shù)

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

8 神經(jīng)膠質(zhì)細胞的新作用

　　神經(jīng)膠質(zhì)細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，科學家認為這些細胞雖然在大腦中含量豐富，但僅僅作為包裝材料進行大腦的輔助功能。 “科學家認為比起令人興奮的神經(jīng)元來，它們是無關(guān)緊要的遲鈍細胞，”NIH的Fields說。然而，新的成像方法終于給了科學家研究膠質(zhì)細胞的機會，他們發(fā)現(xiàn)，在記憶和學習等重要的大腦功能中，神經(jīng)膠質(zhì)細胞起著關(guān)鍵作用。 “這是個全新的領(lǐng)域。神經(jīng)膠質(zhì)細胞更為復雜和多樣，并不像神經(jīng)元，“他指出，“膠質(zhì)細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)細胞

9 神經(jīng)移植技術(shù)

　　當人們因為受傷、疾病或者中風的原因，導致大腦某處十分關(guān)鍵的部位收到損傷時，恢復治療會變得相當困難。此時，神經(jīng)移植技術(shù)也許將成為修復大腦損傷的唯一手段。歷史上第一個被廣泛使用的可移植神經(jīng)裝置是人造耳蝸，一個在上世紀八十年代開始推廣的內(nèi)耳裝置。勞倫斯-利弗莫爾國家實驗室中心生物工程科主任SatinderpallPannu這樣評價到：“在過去的十年里，由于半導體制造業(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，第一個人工視網(wǎng)膜移植手術(shù)獲得了臨床實驗成功。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)改變了利用電流對大腦特定區(qū)域刺激的傳統(tǒng)方式。Pannu還大膽地預測了未來的神經(jīng)治療圖景——利用釋放化學物質(zhì)來修復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 決策的大腦機制

　　對人們來說，做決定總是一種煎熬。有時候僅僅是決定早上穿什么的簡單選擇都會讓人無比糾結(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因素。然而還沒有一項研究能有著名心理學家，諾貝爾獎得主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)了科學家們對認知偏差數(shù)十年的研究成果，并提出了一個被人們廣為接受的觀點：人們的大腦有兩個截然不同的機制共同協(xié)調(diào)做出決策，其中一個是自動的，無意識的思考，被稱為“系統(tǒng)1”，另一個更加的主觀，帶有強烈的個人因素，被稱為“系統(tǒng)2”。系統(tǒng)1負責做出快速反應(yīng)，比如面對高速駛來的摩托車人們會快速的跳開。而系統(tǒng)2則會幫助人們解決更加復雜的數(shù)學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)缺點上，Kahneman幫助讀者避免一些常見的錯誤，從而能夠做出更好的選擇。如同評論家Glenda Cooper所評論的那樣，“這部發(fā)行量超出一百萬冊的著作已經(jīng)獲得了‘大師杰作’，‘人類思想的里程碑’的贊譽”。而這部著作的作者本人則被冠以“當世最舉足輕重的心理學家”之美稱。