科学家发现大脑构成长时间回忆的分子机制大脑认知的原理是什么

美国《国家科学院学报》12日宣布陈述说，研讨人员已制作出大脑构成长时刻回忆的部分分子机制，有望为医治阿尔茨海默病等神经退行性疾病供给新的靶点。怎样保持健康的大脑发育以及智力发育，是十分重要的社会问题。终究大脑认知的原理是什么呢？

出品："SELF格致论道讲坛"大众号（ID：SELFtalks）

以下内容为中科院院士、中科院神经科学研讨所蒲慕明讲演实录：

曩昔200年，脑科学的开展

大脑是人体最重要的器官，也或许是世界间最杂乱的物体——结构杂乱、功用杂乱，比最大的超级核算机不知道还要杂乱多少倍。这个杂乱的物体是怎样呈现的呢？它是生物演化过程中的一个奇观。

大脑外面有皱褶的这层叫大脑皮层，是一切重要的脑功用的要害区域。了解大脑，不只需知道大脑皮层的结构和功用，还要知道大脑皮层里那些杂乱的核团的功用。为了解这些问题，科学家至少花了200年时刻。

大脑示意图

在曩昔200年里，脑科学究竟有哪些开展？

现在，咱们对大脑的了解，比方大脑怎样处理信息、神经细胞怎样编码和传导信息、信息怎样从一个神经元交互到另一个神经元……这些传导机制都了解得比较清楚；对不同的神经元做什么，在各种功用中会发作什么反响，也很清楚。

在曩昔的一个世纪里，诺贝尔奖触及的神经科学中的重要发现都跟大脑的信息编码、贮存相关。

可是，咱们只对神经细胞怎样处理信息了解得很清楚，对整个大脑杂乱的网络结构了解不多。

究竟是什么原理使得神经细胞在某种状况下发作某些反响，咱们并不是很清楚；对大脑中的信息处理不太了解，对各种感感觉、心情，还有一些高档认知功用——思维、选择乃至认识等，了解得比较浅显。

尽管脑科学已有适当的开展，可是不知道的比已知的要多得多。我常常打一个比方，脑科学现在的境况，适当于物理学和化学在20世纪初期的境况，有许多作业现已搞清楚，可是严重的了解和打破还没有呈现。

所以现在的脑科学是生物科学里比较奥妙的范畴，从这点来说，脑科学将成为未来生命科学开展中很重要的一个范畴。在座的年轻人将来想研讨科学的话，脑科学便是前沿科学，不光在这个世纪，乃至下个世纪仍旧是前沿科学。

现在最要害的问题？

脑科学中最要害的问题，是咱们对脑的各种功用和神经网络的作业原理知道得十分大略。

咱们知道大脑不同皮层的部位有不同的功用。比方说，大脑后方是管视觉的，最前方的上方有管运动的、管感觉的、管嗅觉的，前面还有管言语的区域。假设大脑呈现损害，比方脑卒中（俗称中风）今后，受损区域对应的功用会损失。

大脑皮层的各个区域担任不同的脑功用

现在，咱们仅仅大致了解脑区和功用的联系，但更多的细节就不清楚了。

举个比方，现在使用十分广泛的脑成像技能，即正电子发射图谱、扫描图谱的技能叫“PET”，大医院里都有。PET有什么优点？它可以告知人们,大脑里哪些区域有电活动，假设有电活动就标明该区域有功用正在进行。假设电活动反常，标明该功用呈现反常。

比方咱们对大脑功用正常的人进行测验，让被试者在机器里躺着，给他看几个字，你会发现其大脑后方有电活动，表现为葡萄糖使用量的添加。被试者体内的葡萄糖带有放射性，是被独自注射到血液中的。研讨人员据此可以很快知道被试者的大脑有活动。

给被试者听几个字，其听觉区就有电活动。咱们现在对此可以做到实时观测。叫被试者说几个字，大脑左边的言语区就有反响。

可是让被试者闭上眼睛不说不讲不听，回想方才看到的几个字是什么意思，其大脑里处处都有电活动。这个古怪的现象阐明考虑是一件十分杂乱的作业，它牵涉到大脑里的许多区域。

为什么仅仅想几个字的含义，大脑网络就悉数开端活动？要了解这点，现在还适当困难，需求知道大脑悉数的不知道奥妙。

正电子发射断层扫描脑成像 (PET)

《Science》杂志在庆祝创刊125周年时，约请全球几百位科学家列出他们以为当今世界最重要的前沿科学问题，终究概括为125个，其间有18个问题归于脑科学。

排在最前面的，包含认识的生物学根底、回忆的贮存与康复、人类的协作行为、成瘾的生物学根底、精力分裂症的原因、引发孤独症或许叫自闭症的原因，这都是咱们关怀且未被处理的严重问题。尽管该问卷是10年前做的，但咱们现在公认的严重脑科学问题仍旧未变。

《Science》杂志庆祝创刊125周年

要了解这些问题，就要知道大脑的神经网络。神经网络像电线（缆）相同杂乱，人脑中，上千亿的细胞连在一起，送出许多导线——咱们叫轴突，跟其他细胞做联接，终究构成了这一网络。

大脑网络十分杂乱，神经元数目许多。大脑有1000亿个神经元，而且每个神经元的放电形式不同，编码形式不同，信息处理方式也不相同。所以，要了解这个杂乱的体系怎样作业，会是一个很大的应战。

咱们可以从三个层面更好地了解这个网络。

方才所说的PET Imaging或是MRI Imaging等功用成像手法，供给给人们的是一个分辩度在厘米或毫米阶级的微观视界。在这个范围内，大致可以看到神经束在脑区之间的走向。

每个神经束都由不计其数的神经细胞纤维构成。要进一步知道细节，有必要在介观（介于微观和微观之间的状况）层面对神经环路进行研讨，了解每一个神经细胞怎样跟其他不同品种的神经细胞进行联接，并运送信息，在各种功用时有什么活动。

还可以在电子显微镜下对细胞进行调查，从微米到纳米层面，这样的微观规范会让人看得更精密。

三个层面的神经联接图谱

现在，神经科学最要害的一点，便是从已知的微观层面进入介观层面，从而了解大脑网络结构的构成与功用。

举例来说，咱们把小鼠的52个皮层的神经细胞用荧光符号后切片，重构其三维结构，其间每一种色彩代表一个神经细胞。

三维重构52个小鼠皮层神经元的轴突全脑

成果发现，大脑的杂乱性不可思议。这还仅仅是52个细胞，人脑有上千亿细胞，真实要剖析起来，困难该有多大！即便是这52个细胞，也还有不同的品种，它们在大脑中散布的规矩也不相同。

这是现在神经科学面对的一个严重应战。所以，未来脑科学的第一个要害点便是在介观层面上澄清大脑的网络结构，即图谱结构。

大脑的信息传导靠的是电，电活动像电波相同在神经细胞里传导。它跟电子在电线中的传导不同，由于这种横波是跨过细胞膜的离子活动构成的——阳离子从外面流入细胞内，构成了动摇，动摇不断向前推，其推进速度比电子流的速度慢许多，每秒钟只需几百米。

当电波传到神经轴突终端的时分，会把信息传递给下一个细胞，咱们称之为突触。一个神经细胞之所以可以把电信息传给下一个细胞，凭借的是开释一种叫作神经介质的化学物质。

当神经介质传到下一个神经细胞后，会持续触发下一个细胞的电活动，这便是电信号的传导形式。

怎样观测电信号以及电信号在网络中的处理形式等问题，是咱们如今要了解的要害问题。

脑科学的三个开展方向

关于脑科学的未来，其开展方向有三。

第一个最重要，要了解大脑，这是咱们了解大天然的终极目标之一。咱们常常说到奥妙的外太空，关于人类来说，世界中有许多未解之谜，比方暗物质和暗能量等。其实，咱们的大脑里也有一个世界，人体的这个内涵世界的结构是什么，它是怎样作业的，这是咱们未来所要了解的。

了解这些有什么优点呢？

一方面让咱们对天然有更深化的了解，另一方面可以有很重要的使用——模仿大脑，创造出像人相同才智的机器，这是人工智能的终极目标，也是脑科学的开展方向之一。

此外，在人口健康方面，大脑是如此重要，咱们要保护好大脑、促进智力开展，避免大脑的阑珊以及脑疾病的发作，也是脑科学未来开展的另一个重要方向。

我国科学家经过4年评论，才在2018年正式确认了我国脑方案的内容。世界各国都有脑方案，美国、日本、欧盟的脑方案规划都不小。我国的脑方案筹划了4年，很或许在2019年发动。

该方案是我国脑科技的未来。那么，它要做什么呢？

就像上面讲的三个方向，我国的脑方案具有一体两翼的结构。

主体结构是前面介绍的脑认知功用的神经根底，也便是网络根底，咱们有必要知道它的图谱结构，澄清楚联接图谱，结构图谱。在此根底上，建立各种渠道，协助解析上述图谱的功用。

为此，咱们期望发动一个由我国科学家主导的世界大科学方案，做全脑介观层面上的神经联接图谱。关于介观图谱，不只我国科学家感爱好，世界各国的科学家都有爱好。经过该方案，人们可以研讨动物特别是模型动物（包含小鼠、猕猴等跟人最附近的灵长类动物）的大脑图谱。

其间一翼要做脑疾病的确诊与医治，构成各种新式的医疗工业。

别的一翼是类脑人工智能、类脑核算、脑机接口等与人工智能相关的新技能,该范畴对未来的人工智能工业具有严重影响。

这便是现在我国脑方案的方向，也是咱们公认的最好的方向。与世界其他国家的脑方案比较，尽管咱们的方案发动得慢，但咱们的规划是最满意的，期望它的施行也是最满意的。

开展方向之一：了解大脑

那么，大脑认知的原理是什么？

第一个是根本的脑认知功用。咱们的感觉、对外界信息的接纳，包含感感觉、学习和回忆、心情和情感、留意和选择，这些都是根本的脑认知功用。果蝇、小鼠、山公，乃至斑马鱼、线虫等许多动物都有这种根本功用。

至于高档的脑认知功用，只需灵长类以上比较高档的动物才有。包含共情心与同情心——你沉痛了，我也感到沉痛；社会认知，在社会群体里边的认知；协作行为，人的协作行为是十分特别、十分杂乱的；各种认识，比方人的自我认识；言语，人类的言语是其他动物所没有的、十分杂乱的言语。

了解上述认知功用发作的机理，关于规划类人脑的下一代人工智能具有重要含义。

想要规划出不只可以了解语音、辨识语音，还能了解语义的人工智能设备，还需求知道人的大脑是怎样处理言语的。

要想做到这一点，有必要先有形式动物。咱们不能直接在人体上做试验，由于触及到道德问题。

由于猕猴的大脑结构跟人十分挨近，是很好的形式动物。所以咱们要先在猕猴等动物身上进行各种操作，查找作业原理，之后引申开来，看看人类的大脑是否与此相同。

认知功用的神经根底里边，最要害的仍是要制作出全脑神经联接图谱。咱们需求知道大脑里神经元的品种、神经元的类型怎样定出来。这是一项很重要的作业，现在世界各国都在做相关研讨，咱们也要做。

了解了神经元类型之后，还要澄清楚各脑区每一类神经元的输出纤维跟输入纤维，以及它们要送到哪里去，这是结构图谱。

有了断构图谱，咱们才干摸清它们的电活动，看看电波何时会呈现，又是怎样传导信息的，这便是活动图谱。

悉数图谱出来后，才干够解析神经环路的终究功用。

开展方向之二：疾病确诊与医治

在我国，脑科学的一项严重使用便是为健康我国服务。怎样保持健康的大脑发育以及智力发育，是十分重要的社会问题。保持大脑的正常功用，推迟大脑退化，这些都是健康日子所必需的。

关于老龄化社会而言，神经退行性疾病是个大问题。现在，我国65岁以上的晚年人有1亿多，是世界上老龄人口最多的国家，乃至超越了印度。与此一起，我国人的均匀寿数不断添加，新生儿的寿数期望值是65岁，我国已根本进入老龄化社会。

我国现在65岁以上的人群有1亿3千万

出世时寿数期望值

因而，防治各种与老龄化相关的疾病显得十分重要。以咱们最常听到的阿尔茨海默症（晚年痴呆）为例，假设没有很好的医治办法，到2050年，全世界会有超越1亿人患上阿尔茨海默症；在85岁以上的晚年人中，均匀1/3的人有发病的或许。这不是一个小数字。

据世界阿尔茨海默症协会（ADI）发布的陈述，到2050年，全球患有阿尔茨海默症的人数将添加至1.315亿人

假设我国脑方案可以在15年之后，把晚年痴呆的发病期从85岁推迟到95岁，这便是一个巨大的奉献。

其实，不只仅晚年痴呆，其他疾病也会给社会带来沉重的担负。

依据世界卫生组织的核算，包含各种神经类和精力类疾病在内的脑相关疾病，是一切疾病里社会担负最大的，占到了28%，超越了心血管疾病，也超越了癌症。因而，严重脑疾病的确诊和干涉是未来脑科技范畴一项十分重要的研讨内容。

各种疾病的社会担负

什么是严重脑疾病？比方说，幼年期的自闭症或许孤独症与智障，中年期的抑郁症和成瘾，阿尔茨海默症与帕金森症等晚年期的退行性脑疾病等等，都归于严重脑疾病。

只需充沛了解它们的机理，才干够找到最有用的处理办法。但咱们在这方面的了解有限，尤其是对抑郁症、双相（俗称躁郁症）、精力分裂等精力类疾病，并不清楚究竟是什么原因构成的。要把这些问题搞清楚，或许还需求几十年时刻。

不过，咱们也不或许比及把致病机理彻底搞清楚了才去看病，所以在致病机理彻底清楚之前，有必要研宣布各种脑疾病的前期确诊目标。

一旦有了确诊目标，就可以进行前期干涉。比方说回忆开端阑珊了，有哪些手法可以减缓或推迟阑珊。这些干涉手法可以是吃药，也可以是物理、心思或是生理干涉。

玩游戏也是一种干涉手法，它是一种心思和生理的干涉手法，你要动，你要想，你要做出快速反响。

假设可以规划出针对某一种功用反常的很好的干涉手法，对脑疾病患者来说也是功德。不一定需求彻底摸清机理，只需知道哪一个功用反常，所以关于功用的定量丈量又变得十分重要了。

在脑疾病诊治中所研宣布的各种干涉手法，在使用到人体之前，有必要先进行动物试验，这触及道德问题。

假设没有研发清楚，是不可以进行临床试验的。因而，建立起很好的猕猴等非人灵长类动物的疾病模型，就变得十分重要。

科研人员可以在研宣布的猕猴的疾病模型上测验确诊手法是否有用，之后再进行临床试验。

除了机理不清楚之外，脑疾病医治还面对着很难找到特异的药物靶点这个难题。

药物都有副作用，但其他疾病药物的副作用不像脑疾病药物的副作用那么大。这是由于脑疾病发作的原因在于大脑的某些网络呈现反常。

有些网络反常发作这种病，别的一些网络反常发作其他疾病。可是药物是针对分子和细胞的，而大脑网络都是由相似的神经细胞跟神经突触联接构成，咱们很难找到特异的药物。

这也是为什么大的制药公司做了20年的脑疾病药物研发，其间大大都都以失利告终，以至于大都大公司抛弃了相关研发。

由于每种药物的研发周期反常绵长，十几二十年时刻，几十亿美金的投入，研发失利率在90%以上，大公司觉得划不来，所以就抛弃了。

现在只能依托科研人员在试验室做出很好的产品，大公司才紧随其后投入进去做查验。

在临床前，为判别药物是否可用，也要进行动物试验。检测的首要目标便是药物的安全性，即看动物使用后是否安全，健康会不会遭到不良影响，以及药物的代谢问题等等。

曾经常常用猕猴等灵长类动物进行药物检测，但现在还短少灵长类动物的药效检测模型。

这是由于进行药效检测的条件是，猕猴等灵长类动物呈现相关疾病的症状，才干进行药效试验。但现在研讨人员手中并没有灵长类动物的相关模型，曾经的模型都是小鼠的，是不能用的，所以咱们也在尽力建模。

最近所做的克隆猴项目也是为了研宣布克隆猴的疾病模型，以便使用于脑疾病医治方面。

克隆猴

开展方向之三：类脑智能

脑科学研讨的别的一个重要使用便是脑机智能技能、类脑研讨方面。

在该范畴中，未来很重要的一个开展方向，便是脑机接口和脑机交融的新办法，还有各种脑活动的影响办法、调控办法以及新一代人工网络模型和核算模型。

尽管现在的深度网络核算模型很好，但与人脑比较，还差得很远。假设可以更进一步研宣布类人脑的新式核算模型和新的相似神经元的处理硬件，并将它们使用到新一代核算机上，有或许做出更优异、更高效的核算机，它们的核算才能也将更挨近人类，而且能耗更低，功率也更高。

此外，类脑核算机器人和大数据处理也是未来类脑研讨的方向。我要点谈谈图灵测验。

咱们或许听说过图灵测验，怎样判别一台机用具有人的智能？图灵在70年前就提出过这样一个想象：在互相看不到对方的状况下，别离与一台机器和一个人对话，并在对话过程中，分辩出对方是机器仍是人。

假设无法分辩出对方的身份，就可以确定这台机用具有人的智能。其间语义的了解是最要害的。

Alan Turing

多少年来，人们一向期望做出可以经过图灵测验的机器。经过测验的规范是什么？现在的规范是，只需有1/3的人在5分钟之内区分不出跟自己对话的是机器仍是人，即可确定机器取胜。

小冰是微软（亚洲）互联网工程院在我国推出的人工智能谈天机器人，可以经过对话不断提高自己，添加本身的常识储藏，增强回应才能。

尽管面世多年的小冰具有很高的对话才能，但人们仍是很简单就知道它不是真的人，而仅仅一台机器。

在今日，假设真实要做出好的类脑智能，有必要依托新的图灵测验。什么是新的图灵测验？

除了言语才能之外，测验目标还应包含对各种信息的感知才能与处理才能。

具体来说，可以让一个机器人和一个人各自操作一只机械手来玩一个玩具，一起要求他们互相间就动作状况进行对话，以便进行判别。咱们很简单发现，相似测验可比跟一台核算机对话杂乱多了。

团队协作方面也是测验内容。叫一个机器人与人类协作进行某些活动，比方进行竞赛，调查咱们是否可以区分出来队员中哪个是机器人哪个是人。这些都是新的图灵测验所包括的内容。

咱们可以等待，未来二三十年内，或许呈现可以经过新的图灵测验的、具有通用人工智能的类脑人工智能。

谢谢咱们！

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