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神经科学概览（版权归作者所有）
“我专业是神经科学。“
“要经常和神经病打交道吗？“
“好好的为什么要学生物啊？”
“年纪轻轻的怎么想不开呢？“
每次介绍自己的专业，都有可能收到这样直击灵魂的提问。考虑到每个专业都或多或少被人误解，一开始还会被这样的问题问到自闭的我最终是免疫了。正好最近参加了中国神经科学学会第十三届全国学术会议，我打算来强行总结一下：让我们上千人坐在一起想不开的究竟是什么？
2019年10月10日-13日，中国神经科学学会第十三届全国学术会议在苏州召开（图片来源：http://www.cns.org.cn/2019/abstract_CNS2019.pdf）
提纲——Outline
一. 神经科学关注的问题——What
二. 神经科学的研究手段——How
三. 神经科学的研究意义——Why
<hr/>一. What？
按照中国科学院神经科学研究所（别问我为什么是神经所，因为我是这里的学生）主页上的划分，神经科学领域下有（1）分子与细胞神经科学；（2）发育神经科学；（3）系统、计算与认知神经生物学；（4）神经系统疾病4个主要方向（不过我不打算按这个顺序分别介绍）。涉及的层次从分子、细胞到系统，关注的信息处理过程从感觉（输入）、计算（处理）到运动控制（输出），研究的时间范围从发育到衰老，当然也关注在整个神经系统活动中可能出现的异常与疾病。
首先，我们来看一下Wikipedia对神经系统的定义：看（不）不（想）懂（看）也没有关系，我们无需拘泥于个中细节（因为我也说不清楚）。
神经系统是由神经元这种特化细胞的网络所构成的。其身体的不同部位间传递讯号。动物体藉神经系统和内分泌系统的作用来应付环境的变化。动物的神经系统控制着肌肉的活动，协调各个组织和器官，建立和接受外来情报，并进行协调。神经系统是动物体最重要的连络和控制系统，它能测知环境的变化，决定如何应付，并指示身体做出适当的反应，使动物体内能进行快速、短暂的讯息传达来保护自己和生存。 接下来我们从不同的方面来看一些神经科学研究中发现的或有趣，或发人深省的例子，从中对神经科学关心的问题有一个大概的了解。
- 神经系统的物理层次结构：分子——突触——神经元——神经环路——神经网络
The University of Texas at Austin的Yale Patt教授所著的“Introduction to Computing Systems: From bits & gates to C & beyond”一书（我真没有收广告费）从晶体管设计到门电路再到组合电路，逐级抽象最终到编程语言。神经系统的结构也可以类似地逐级分解：由诸多个分子组成的细胞作为神经系统的基本结构单位—神经元，多个神经元通过突触连接整合为为简单的神经环路完成特定功能，神经环路组合成庞大交错的神经网络产生复杂的认知能力。
从分子到神经网络（图片来源：https://www.researchgate.net/figure/Schematic-Representation-of-Levels-of-Structure-within-the-Nervous-System-The-large-scale_fig1_282772488）
（1）分子（Molecule）：爱情是什么？
研究表明，包括多巴胺（Dopamine）在内的多种神经调质参与了奖励系统的调控，而奖励系统在人的渴求、学习和正面情绪等过程中起重要作用。事实上有证据支持：爱情和成瘾高度相似，都涉及到神经调质和奖励系统的激活。基于现有的研究，Helen Fisher的TED演讲就阐述了恋爱中的大脑与常人的不同之处。（不过她讲得比较慢，不想练听力的可以开倍速观看）
图示为在爱情中起重要作用的多巴胺分子（图片来源：https://www.teepublic.com/sticker/2335884-i-love-you-dopamine）
那么问题来了：失恋的宝宝怎么办？既然爱情和成瘾的神经机制相似，从失恋中恢复是不是和戒毒一样困难？没关系，来看看Guy Winch准备的走出失恋大礼包：
如何修复一颗破损的心？
https://www.zhihu.com/video/1167187563042897920
（2）突触（Synapse）：你知道怎么背单词吗？
每一个英语学习者都经历过背单词的阶段，可我们是怎么记住一个个单词的？1949年Donald Hebb提出了基于突触可塑性的学习记忆理论，后来被总结为“Fire together, wire together”。举个例子，第一次见到“apple”这个单词，我们并不知道它是苹果的意思，但“apple”和“苹果”这两个词同时出现，多次训练之后，脑中表征这两个单词的神经元突触连接就增强了，之后再出现“apple”，我们就能不假思索地知道这是苹果的意思。
说了一大堆，不会背单词还不是没用？来听听果壳网的总结：
（3）神经元（Neuron）：众里寻他千百度？
当我们专注于某个活动时，会很少注意到周围环境中的其他事物，这种现象在心理学上被称为无意识盲。举个例子，你有没有在食堂的茫茫人海中寻找饭友的经历？是不是有时候明明就在眼前我们却熟视无睹。那么是什么导致我们选择性忽视了我们看到的东西呢？注意力在其中起了很重要的作用。
事实上，单个神经元就具有复杂的信息处理能力。当一个细胞同时接受感觉输入和“上级命令”，这个细胞就有可能更关注输入信息中的某些特性，这有可能是注意力的神经基础。于是当你想要暴富的时候，更可能“见钱眼开”，此时你的脑子里可能会出现这样的对话：
大脑：“眼睛眼睛，请检测视野中是否有金币出现，按照最高优先级执行。”
（看到了疑似金币的物体）眼睛：“脑子脑子，我是眼睛，检测到目标，请指示，over。”
大脑：“这是肾么玩意儿？你怕不是个憨憨，给我继续找。”
（想在路上多捡点钱同学们的可以开始准备了）
何以解忧，唯有暴富（图片来源：http://www.shjdfd.com/bq/%BC%FB%C7%AE%D1%DB%BF%AA%B1%ED%C7%E9%B0%FC.html）
那就有朋友要问了，我就是开小差小能手怎么办？（我怎么知道怎么办，我也想知道怎么办）Amishi Jha已经给出了答案：
如何控制你走神的大脑？
https://www.zhihu.com/video/1166784292109135872
（4）神经环路（Circuit）：《痒》——来啊，快活啊
隔靴搔痒、无关痛痒……中文里的痒很多都和负面的感觉关联在一起，部分说明痒这种感觉不像歌里唱的那么快乐。事实上，有种和痒觉相关的疾病叫慢性瘙痒，它会明显地影响患者的正常生活。
2018年，中科院神经所神经环路与感觉信息处理研究组发现了脑内痒觉调控神经元，正常情况下老鼠对特定刺激会产生抓痒反应，刺激该神经元可以使得老鼠在没有该刺激的情况下产生抓痒行为，而损毁该神经元后的老鼠不再被该刺激触发抓痒行为。这是一条从感知觉到行为控制的神经环路，它的发现为治疗慢性瘙痒提供了新的线索，下面是这一研究结果在中科院神经所微信公众号和科学60秒上的报道。
（5）神经网络（Network）：马什么梅？什么冬梅？马冬什么？
应该有不少人经历过遗忘，或许不像《夏洛特烦恼》中的大爷一样夸张，但记忆确实是会消退的。有证据支持记忆是以神经网络的形式分布存储的，并且有一定的冗余性，这使得记忆可以在一定程度内从损伤中恢复，延长记忆的时间并提高准确性。
Catharine Young在Ted Ed中总结道：年龄增长、长期的压力、抑郁和缺乏社交等因素都有可能影响人的记忆能力。不过这不意味着我们对遗忘束手无策，坚持体育锻炼、保持健康饮食和合理的大脑训练（比如学习一门新语言）都可以帮助我们的大脑保存更多的记忆。
从以上研究的例子中我们看到，不同层面的研究侧重点虽然有所不同，但都从不同角度揭示了神经系统的不同特性。
2. 神经系统对外界刺激的反应：感知觉（输入）——信息加工（计算）——运动控制（输出）
我们把大脑看成一个黑箱，它会对外界刺激作出反应，即输入的信息经过大脑的计算最终产生了输出。
黑箱理论（图片来源：https://en.wikipedia.org/wiki/Black_box）
（1）感知觉（Sensation and Perception）：谁在欺骗我的大脑？
网传心理测试（图片来源：http://www.orgs.one/show/370229）
一直盯着图片看，你看到了什么？
A. 有黑色小点在闪动
B. 有很多黑色小点在快速闪动
C. 图中黑白分明，没有小黑点在闪动
相信大家做过很多这样所谓的心理测试，比如这一张图片可以根据你的选项测试出当前的压力状况。事实上，Nathan S. Jacobs在Ted Ed上对这样的错觉背后的神经机制做出了一些解释：
当然，这并没有解释你看到的结果和当前压力状况之间的关系，也就没有反驳这样的心理测试的正确性。不过继十二星座生成器之后，基本零门槛的心理测试生成器也开始出现，对类似的心理测试结果，我们还是应该更加谨慎一些。
某趣味测试生成软件（图片来源：https://m.91ud.com/mip/app/37867.html）
（2）信息加工（Information Processing）：人类就一定比猩猩聪明吗？
这里的信息加工强调神经系统对接收到的信息主动处理的过程，这与感知觉过程有一定区别。
工作记忆是研究这一过程的一个经典实验范式。与短时记忆不同，工作记忆除了要求记住信息，还要对信息进行操作加工。一个简单的比方是，人怎么记住一串电话号码，并将这串号码倒序输出？
记住号码并倒序，图示为中科院神经所电话
有趣的是，研究人员发现猩猩甚至在某些任务上比人类更聪明。实验中被试要记住瞬间出现在屏幕上的数字及其位置，之后要按照数字从小到大的顺序依次点击屏幕上相应位置的方块。出人意料的是，猩猩的表现明显优于人类
视频来源：https://www.youtube.com/watch?v=qyJomdyjyvM： 
你比猩猩更聪明吗？
https://www.zhihu.com/video/1166763994391175168
（3）运动控制（Motor Control）：脑机接口只是梦想吗？
运动控制要基于神经系统对当下信息输入的判断。缩手反射是一个简单的运动，其显示了生物体避害的本能。羽毛球运动员击球是复杂运动，需要实时对瞬息万变的信息作出反应。相同的是，两者都要求精确地调控大范围的躯体协调运动。对运动控制的研究推动了脑机接口的研究，《阿凡达》、《黑客帝国》等影片中的设想已经一步步成为了现实。
现在，高位截瘫的病人已经可以借助脑机接口完成喂食、控制鼠标等任务并获得从机械手臂传回来的感觉反馈。如下视频所示，Caltech的Richard Andersen教授实验室成功让被试通过大脑控制机械手喝到了水，激动之情溢于言表。感兴趣的同学可以访问实验室主页获取更多信息。
被试第一次自己操控机械手喝水
https://www.zhihu.com/video/1166768520049377280
从以上的例子中我们可以看到，从不同的信息处理过程来分析大脑的功能可以给我们许多启发与帮助。
3. 神经系统发育、衰老与疾病
生老病死，时至则行；方生方死，方死方生……人类不可避免地要经历这样的人生阶段。从单个受精卵发育成成熟的个体，我们的大脑经历了什么？从壮年走向老年，什么导致了不可逆转的衰老？接下来我们将看到，在生命的各个阶段，神经系统发生着什么样的变化？
由生至死（图片来源：https://www.irishtimes.com/life-and-style/health-family/the-association-between-our-dates-of-birth-and-death-1.3745984）
（1）发育（Development）：孟母三迁，是真的有用吗？
昔孟母，择邻处。很多家长都希望给孩子创造更良好的成长环境，但同时也有强调个人努力的论调，那么环境的影响到底有多大呢？研究表明，在更丰富的环境中的成长促进了小鼠大脑中诸多环路的建立与成熟。这样的小鼠更不容易焦虑，同时与其他老鼠建立更好的社交关系。
欢乐的老鼠（图片来源：https://www.luvbat.com/picture-163-cute-mice-smiling.html）
问题来了，家长要为孩子提供终身的良好环境吗？除了大家培养观念的不同，我们从神经科学的角度可以意识到，认知能力的发展有一个关键期，在此期间内的学习至关重要。研究发现，只有在特定时间段听到成鸟的歌声，小鸟才能对其进行模仿并最终学会。类似地，人类学习语言也有所谓的黄金时期，一个极端的例子是狼孩卡玛拉，她被发现时的年龄估计为7-8岁，已经错过了语言发展的关键期。直到9年后死于伤寒病时，她仍只学会了40个左右的单字。
不同能力发展有各自的关键期（图片来源：https://en.wikipedia.org/wiki/Critical_period#cite_note-Siegler-52）
也许更多的相关研究能帮助我们找到更合理、更遵循自然规律的培养模式。
（2）衰老（Aging）：向天再借五百年？
《最好的告别》可能告诉了我们一个道理：人生的目标之一不是好好的死，而是好好的活，有尊严地过每一分钟。我们害怕的不仅仅是衰老和相伴而来的身体机能，包括认知能力的下降，更重要的是，我们害怕失去对自己生活的掌控，成为一个没有目的的生存机器。
有什么办法能延缓衰老吗？研究表明，衰老会减缓大脑中新的神经元的生成速度。Sandrine Thuret在她的Ted演讲中提到了对人脑海马体神经元生成的诸多影响因子，如学习、压力、睡眠剥夺、性生活、运动、食物（包括食物中的某些特殊成分、间歇饮食的习惯、食物的软硬和数量等等）。看完这个演讲，我们或许可以尝试决定自己衰老的速度。
如何长出新的脑细胞？
https://www.zhihu.com/video/1167185147798712320
（3）神经系统疾病（Nervous System Disease）：老年痴呆，只是老了吗？
阿尔茨海默病（Alzheimer disease），或者大家更熟悉它之前的名字“老年痴呆”，长期以来都被认为是伴随衰老而来的正常生理现象。事实上，有研究表明阿尔茨海默病患者的大脑和正常衰老的大脑有着明显的不同。Samuel Cohen在Ted上的呼吁我们正确认识：它不是简单的衰老过程，而是可以治愈的疾病。
阿尔茨海默病不是普通的衰老
https://www.zhihu.com/video/1167188880934801409
2012年开始，我国已经开始为老年痴呆更名，正式采用阿尔茨海默病这一称呼，这是抗击阿尔茨海默病一个好的开始。
小结
到此，我们已经大致地阐述了神经科学关心的问题。显而易见的是，这么一个浩大的工程，需要长期的、许多人共同的努力。
How？
神经科学是交叉学科，就我所见到的中科院神经所人员的样本分析，神经科学需要生物、医学、心理学、物理、数学、化学、电子、信息、计算机等等专业的密切合作（多忽悠一些人过来总没错）。
实验中使用的具体细节并不是这篇简介的重点，其内容也颇为繁杂（其实是我根本就不知道），此处不再赘述。
Why？
一. 理解（Understand）
意识是什么？这是吸引许多人进入神经科学的一个重要问题。当下的研究更多像是盲人摸象地总结事实，但这并不会阻止我们的探索的脚步。对人类心智的神经机制的好奇，是激励一批又一批神经科学人的重要的驱动力。
二. 保护（Protect）
与疾病斗争的历史是人类历史的重要组成部分。当下，我们可以看到诸如自闭症、抑郁症、阿尔茨海默病、帕金森病等神经系统疾病相关研究的艰难进步。这一直是，也还会长期是神经科学研究的重要方向。
三. 创造（Create）
2015年AlphaGo的横空出世，激起了相关问题的隐忧——人类能创造出高于人类的智能吗？如果能，人类要何去何从？对此的争议并没有达成广泛一致，我在这样一篇不负责任的文章里亦无法断言。但就现阶段而言，人工智能将不断给人类社会带来便利并革新人类的生活理念，这一点应当毋庸置疑。
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关于作者
一个叫多多的普通青年
非生物专业的神经生物学研究生
2019年起就读中国科学院神经科学研究所
<hr/>参考资料
- 维基百科
- 中国神经科学学会第十三届全国学术会议暨第七次会员代表大会
- TED
- TED Ed
- YouTube
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发表于 2022-9-20 20:56:26