人类的大脑是生物演化的奇迹，它是由数百种不同类型的上千亿的神经细胞所构成的极为复杂的生物组织。理解大脑的结构与功能是 21 世纪最具挑战性的前沿科学问题；理解认知、思维、意识和语言的神经基础，是人类认识自然与自身的终极挑战。 脑科学的回顾 从神经解剖学和组织学开始，认识大脑 现代神经科学的起点是神经解剖学和组织学对神经系统结构的认识和分析。 从宏观层面，对大脑语言区的定位，对脑区的组织学分割， 对大脑运动和感觉皮层对应身体各部位的图谱绘制等研究，使我们对大脑各脑区可能参与某种脑功能已有相当的理解。 神经元如何工作，黑箱仍待解谜 由于每一脑区的神经元种类多样，局部微环路和长程投射环路错综复杂，要理解神经系统处理信息的工作原理，必须先具有神经元层面的神经联结结构和电活动信息。 20 世纪在神经元层面从下而上的研究也有了一些标志性的突破，使我们对神经元如何编码、转导和储存神经信息有了较清楚的理解，但是这些神经元的特性是如何通过局部环路和长程环路产生的，我们的理解还十分有限。  至于对环路中的神经信息如何产生感知觉、情绪、思维、 抉择、意识、语言等各种脑认知功能的理解更为粗浅。 问题的关键是，我们对脑功能相关的神经环路结构和神经信息处理机制的解析仍极不清楚。
脑科学领域：从图谱制作到机制解析 全脑图谱的制作 就像 20 世纪 90 年代“全基因组测序”是理解生物体基因基础的关键，“全脑图谱的制作”已成为脑科学必须攻克的关口。 以目前已有的技术，鉴别小鼠全脑的所有神经元的类型和介观层面的全脑神经网络结构图谱制作至少需要10—15年，而对非人灵长类（如猕猴）则可能需要20—30年以上的时间。 当然，与过去人类基因组测序一样，脑结构图谱制作的进展速度很大程度上依赖于介观层面观测新技术的研发，后者又依赖于对新技术研发和图谱制作的科研投资。 神经环路工作机制的解析 值得注意的是，在全脑神经联接图谱未完成前，神经科学家针对特定脑功能的已知神经环路，对其工作机制已作出了许多有意义的解析。 尤其是在过去10年中，使用小鼠为模型，利用光遗传方法操纵环路电活动，对特定神经环路的电活动与脑认知功能之间的因果关系的理解，取得了前所未有的进展。 许多动物都具有基本脑认知功能，例如感觉和知觉、学习和记忆、情绪和情感、注意和抉择等，这些功能的神经环路和工作机理研究，可使用各种动物模型 （包括果蝇、斑马鱼、鼠、猴等）；但是对高等脑认知功能，如共情心、思维、意识、语言等，可能有必要使用非人灵长类（如猕猴和狨猴）为实验动物。 介观神经网络的神经元类别、结构性和功能性的联接图谱绘制， 在未来 20 年将是不可或缺的脑科学领域。我国科学家有望在此领域发挥引领作用。 脑健康领域：脑疾病的早期诊断和干预 据世界卫生组织定量评价，全球各类疾病给社会 造成的负担中，脑疾病占 28%，已超过心血管疾病或癌症。其中备受关注的脑疾病包括: 神经发育疾病（如自闭症） 神经发育疾病是一类由脑部生长和发育缺陷导致的疾病，表现为情绪、认知等功能的异常。 不少病变发生的时期较早，在婴儿期或童年期就有表现。其中自闭症（又称孤独症）主要表现为人际交往、 情感、语言交流等方面的障碍，以及狭隘的兴趣和重复刻板等怪异行为。 我国 0—6 岁低龄儿童占人口总数近 8%，自闭症的发病率很高，一般平均在1% 左右。 根据局部抽样调查数据保守推算，我国患儿人数已过百万，受自闭症困扰的人群可能达千万。 精神疾病（如抑郁症） 精神疾病是由神经系统病变导致的行为和心理活动紊乱，表现为认知、情感、意志等精神活动出现不同程度的障碍。 其中抑郁症最为普遍，据中国疾病预防控制中心调查，我国抑郁症的发病率超过 4%，患者人数超过3000万，已成为影响我国人民生产生活的主要病症之一。 神经退行性疾病（如阿尔茨海默病） 神经退行性疾病是一类以神经元的结构和功能逐渐丧失以至死亡为特征的神经系统病变。 其中常见的是老年痴呆症（又称为阿尔茨海默综合征），在 65 岁及以上的人群中发病率约13%，并且发病率随着年龄的增长而大幅提高。85 岁 及以上的人群，约有一半以上患有此病。 2014 年我国老龄人口已突破 2 亿大关，并且将以每年 100万的速度 增长。我国属阿尔茨海默病的高发地区，目前患者人数超过 600 万，居全球首位，且呈明显上升趋势。 治疗脑疾病，人类仍需探索 目前科学界对这三类重大脑疾病（幼年期自闭症和智障，中年期抑郁症和成瘾、老年期的退行性脑疾病） 的病因仍不了解，治疗的措施也十分缺乏。早期诊断和早期干预将是对脑疾病最有效的医疗方式。人类需要继续探索这些脑重大疾病的致病机理，致病机理的完全理解仍有赖于阐明脑认知功能的神经基础。 在完全理解机理之前，急需研发出有效的脑重大疾病预警和早期诊断的各种指标，包括基因变异的检测、血液体液和脑脊液中的分子成分、脑影像及脑功能的指标等。对诊断出的早期患者，需要早期干预，以延缓或预防脑疾病的出现。我们需要研发早期干预的药理、生理和物理新技术和新仪器。
（文章节选改编自：蒲慕明, 徐波, 谭铁牛. 脑科学与类脑研究概述. 中国科学院院刊, 2016, 31(7): 725-736.） |
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