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这确实是一个非常好的问题，其中涉及到1)外部刺激在大脑中如何呈现和2)大脑如何学习新刺激两个脑科学的根本问题。我们设想一个情形：一个从没有闻过香蕉（甚至不知道香蕉是什么）的小孩第一次闻到了香蕉的气味，并且在吃过香蕉后爱上了香蕉的气味（再次闻到相同的气味就会心情愉悦）。小孩的大脑是怎样"感知"香蕉的气味的？他是如何记住并爱上香蕉的气味的？ 当我们闻到香蕉的气味时，我们闻到的是什么：我们闻到的是香蕉气味中复杂的化学物质的组合。一项研究表明，看似“单纯”的香蕉气味是由至少二十余种盐、酯、酸等基本化学物质组成的复合气味(Schubert et al., 2014)。而我们大脑要做的，就是准备好识别这些基本化学物质的细胞和受体，并且用这些基本元素的排列组合来表示复合气味。  （参考：Sciences In the Mural Of Life） 以上图为例，左侧A-H分别是8中基本化学物质，上方1-14是14中基本嗅觉受体。A气味激活5号受体，B气味激活2、6号受体（可以多于一个）。换言之，一个复杂气味(=一组基本化学物质)就会激活一组嗅觉受体，而大脑通过检测哪些嗅觉受体被激活了（有必要的话还可以看激活的强弱程度）就可以反推出这个复杂气味是什么。不同的排列组合代表不同的气味。也许你会问，这些最基本化学物质的受体又是从哪来的呢？答案是在我们的基因中，生来就存在。我们的基因中有成百上千个专门来编码不同的嗅觉受体，这恐怕是在人类上万年的进化中逐渐学习地球的环境和其化学物质而形成的。美国的Richard Axel和Linda Buck因为发现并研究嗅觉受体基因而获得了2004年的诺贝尔生理学与医学奖(Buck & Axel, 1991)。 因此从某种意义上来看，绝对的“新气味”是不存在的，因为它仅仅是已存在基本化学物质的排列组合。但是这种不同的排列组合对我们大脑来说是“新”的，也就产生了一个大脑中抽象的“新气味”的概念。 那么，我们是如何记住一种气味的呢？ 靠的是巴普洛夫训练狗时利用的“联想记忆”(associative memory)： 回到最初的例子，当小孩第一次闻到香蕉气味的时候，他的大脑也同时接受到了一下刺激：  （形状、颜色）  （拼写）  （喜悦） 于是，“香蕉"这个概念包括其形状、颜色、拼写、读音以及其气味就在大脑中通过同时呈现联系到了一起。于是，当你看到Banana这词的时候你能够自然地想起其形状；当你听到有人说提到“香蕉”时也甚至可以想象出它的味道。与其气味一并联系到一起的还有小孩吃完香蕉后愉快的心情(香蕉-->喜悦）。所以，当他再次闻到香蕉的气味时，即便没有真正吃到香蕉，也会感到喜悦（就如同巴普洛夫的狗在训练后一听到摇铃铛就会流口水，即便巴普洛夫并没有给它食物）。这也就完成了对某种气味的学习和记忆。值得指出，这种对味道的记忆不一定是一次就能完成的，有的也需要反复训练。 总结一下：“新气味”在大脑中通过基本化学物质和其受体的排列组合在大脑中呈现；大脑通过associative learning将新气味和其它概念联系在一起，产生相应的行为后果，比如喜悦。 -------------------------------------------------------------------------------------------- 最后多谈一句，关于嗅觉和味觉。很多动物的视觉很差（比如老鼠），很多低等生物甚至没有成熟的视觉或听觉，但是即便最简单的没有“神经”的单细胞大肠杆菌也能够感受其周围的化学物质而做出反应——一种简单的嗅觉或味觉。作为生物进化过程中最为保守的嗅觉、味觉，对于它们的研究相对最为透彻，在生物界中也最为一致。虽然我们对视觉、听觉在大脑中的编码还远不如嗅觉，但是人们也会猜想，也许大自然对生物体的设计具有一种“哲学意义”上的统一性——也许我们至少应该借鉴嗅觉编码的知识来理解大脑是如何工作的。
 MIT神经科学PhD学生，本科毕业于清华大学生物系 谢邀。 为了回答这个问题，首先我们来界定下对于大脑来说什么叫做“休息”。睡觉时大脑是否在休息？熟练地骑自行车（不需要思考）时大脑是否在休息？冥想是大脑是否在休息？如果以大脑神经元的的“活跃性”(activity)来界定的话，在这些情况下大脑都不能算在休息。 以睡眠为例，下图为人清醒、快速眼动睡眠(REM)和非快速眼动睡眠(NREN)时的脑电波(这里用的是EEG)，颜色越亮可以理解为神经元电活动越兴奋：  参考: Free ebook sample of "An Introduction to Sleep" by Christine Laymon 可以看出，人在睡眠时（尤其是快速眼动睡眠）大脑并没有“休息”，而且还很活跃。这也不难理解，我们有时睡觉会“做梦”，梦里逼真的画面和真是的主观感受也都来自于神经元的兴奋活动。骑自行车的情况是：开始学骑车时需要注意力集中，学会了以后可以仅凭“下意识”骑车，但是此时大脑中负责程序性记忆（基地神经节）和运动输出、平衡的脑区（例如运动皮层、小脑）还在努力地工作中，否则我们一定会从车上掉下来。冥想时似乎我们“什么都没有想”，但是功能脑成像显示至少例如前扣带回皮层(Anterior cingulate cortex)等脑区比其它时候更加兴奋(参考: Brain activity and meditation)。这样来看，一个阶段性的结论是，至少从神经元兴奋性的角度来说，大脑并没有一个绝对的“休息”时间。 在我看来，和我们通常讨论的“休息”最接近的大脑状态就是通常说的“下意识”状态，也就是不需要主观意识活动的状态，比如之前提到的睡觉和骑自行车，或者发呆。相反的，也正是当我们集中意识和注意力做一件事做久了的时候（比如长时间做一个项目或者看一本书），会觉得有些“疲劳”，或者需要“休息”。这是我们会想办法轻松一下，做些别的事情，或者干脆闲下来。 人的注意力(Attention)资源确实是有限的，并且需要休息，一个例子是Kaplan在1980年提出的“注意力恢复理论”：他特别指出，融入自然等休息活动能够帮助人更好的恢复集中注意力的能力（参考：Attention restoration theory）。但是这种休息和我们所习惯的体力上的“休息”有什么异同呢？这个问题似乎还没有明确的答案，需要进一步的研究。 MIT神经科学PhD学生，本科毕业于清华大学生物系 首先我想说我同意“读PhD决不能伸手党“的观点，否则确实不如不读。如果想不出申请什么方向，也可以说明至少还没有一个很感兴趣的方向，这是个重要的问题。 对于可能的选择，我推荐下面这个网站： http://www.phds.org/ 这是个美国的网站，总结了各PhD Program的小方向和信息，比US News的排名精细很多。 最后，简单分享下我当初… MIT神经科学PhD学生，本科毕业于清华大学生物系 “生物类”是一个很大的方向，同在这个方向下，一个动物行为学家可能完全听不懂结构生物学的报告在讲些什么。所以恐怕要问的第一个问题是：你希望申请什么小方向？在我看来，这应该是申请的第一步。每个小方向对应的研究思路、实验技术、选校策略都不相同，早日确定才会让你的申请更有针对性。这是一个对大多数来说很”痛“的领悟，也包括我自己… MIT神经科学PhD学生，本科毕业于清华大学生物系 对于“大生物”方向的留学申请思路大致类似：增强科研实力第一，所有硬件材料过关。 一个生物实验室老师最看重学生什么？一定是科研能力，而绝不是他的TOEFL口语成绩或者大学时当过学生会主席。切忌本末倒置！这一点只要换位思考到对方教授的角度其实是比较显而易见的。 做实验简但来说就是两件事：hands & head。手上有… MIT神经科学PhD学生，本科毕业于清华大学生物系 一个神经元就像个小型计算机，整合上游成百上千兴奋性或抑制性的输入，然后将其整合并输出。 神经元怎么接受信号输入呢？一个神经元在其树突上有成百上千的突触(Synapse)，每一个突触接受不同上游神经元的输入，换言之，一个神经元接受成百上千上游神经元的输入信号。输入信号可分为两类，兴奋性或抑制性的，这就好比汽车的油门和刹车。这是因为大脑中的神经元大致可以根据其释放的神经递质分为兴奋性神经元或抑制性神经元两类，接受兴奋性神经元输入信号的突触是兴奋性突触，其产生的信号是兴奋性的；接受抑制性神经元的突触是抑制性突触，其产生的信号就是一致性的。换言之，每一个突触释放兴奋性或抑制性神经递质基本是固定的，突触后的受体也是基本固定的，这都取决于上游神经元的特性。比如，我们有一个神经元X，它接受800个兴奋性神经元和200个抑制性神经元的输入，那么大致来说它是依赖于800个独立的兴奋性突触和200个独立的抑制性突触来实现的。  (Chen et al., 2015) 神经元怎么整合兴奋性和抑制性信号呢？还是以汽车为例子，汽车同时装有油门和刹车，就好像神经元同时有兴奋性和抑制性输入一样。踩5下油门，2下刹车，汽车可能会加速；踩1下油门，4下刹车，汽车就会减速。我们的神经元X，如果它同时接收到500个兴奋性输入和10个抑制性输入，它就会兴奋；如果它同时接收到10个兴奋性输入和200个抑制性输入，它就可能会被抑制。所以，兴奋性和抑制性信号是可以互相抵消和叠加的，但是这种抵消的背后是神经元“听取多方意见”之后做出的综合决策，是一个积极并且重要的神经元功能。 MIT神经科学PhD学生，本科毕业于清华大学生物系 从神经科学的角度，抹去记忆不难，抹去特定的某一段记忆非常难。在动物模型中抹去特定记忆是目前热门的研究方向，在人脑中抹去记忆在短时间内几乎是不可能的。 记忆被抹去的例子很多，比如遗忘症，或者阿尔兹海默症，这说明记忆是可以被抹去的。但是，抹去特定记忆的难点在于，我们还不清楚特定的一段记忆储存在大脑的什么地方（如果都不知道在哪，自然没办法抹去）。目前盛行的观点是，一段特定记忆储存于大脑中一群特定的神经元以及它们之间的连接中，但是这一观点还有待进一步考证。 在动物模型中人们开始尝试操纵（包括抹去和人为激活）记忆。2009年，Science上的一篇文章报道，杀死杏仁核中特定的一群神经元可以抹去小鼠的一段恐惧记忆（Han et al., 2009）；2012年，Nature报道，激活小鼠海马的一群特定神经元可以人工激活一段恐惧记忆（Liu et al., 2012）；2014年，反复利用大脑的可塑性(LTP和LTD)，可削减可以把小鼠的一段记先抹去，再激活（Nabavi et al., 2014）。这些研究都在论述，操纵记忆不是不可能。如果感兴趣，可以具体了解这几篇工作。 然而，在人脑中进行以上实验有两个短期内不可逾越的障碍：1）对记忆神经基础了解的缺乏，虽然上述工作论述了操纵记忆的可能性，这并不代表科学家们能够拍着胸脯说类似的实验在人脑中一定成功；2）医学实验的安全性，上述实验不是需要往小鼠脑内注射病毒，就是需要在鼠脑内安插电极或者光纤，这在普通的医学实验中暂时还是不可能的。 |
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