【视频】2017创新大会 | 郭爱克：大脑探秘

2017创新大会 ｜ 探索者

往期回顾

编者按：古往今来，科学家们对大脑的探索从未停歇。卡哈尔、谢灵顿、赫布、克里克、冯德培、张香桐.....这些熠熠生辉的名字带领我们向脑海深处探秘。

脑与智力的关系、”赢者通吃“的规律、记忆是怎么回事，这些就好像是大脑封存的密码，错综复杂的人类大脑，对科学家来说仍处于“盲人摸象”的探索阶段。

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视频来源 | 2017创新大会实录

今天我想给大家讲几个脑科学的故事，请大家跟着我一起进入脑海深处。

首先从寒武纪讲起，寒武纪是五亿七千万年前至五亿五百万年之前发生的生命大爆发，大家注意它不叫大爆炸，叫大爆发，那时候产生了现代生命的很多祖先。根据这个现象，我们就要要想生命系统和脑系统是怎么演化过来的。

很多人都问，我们人类大脑为什么这么聪明？其实大脑不是被设计出来的，而是演化出来的。大脑是经过浩瀚的历史长河，通过选择和演化而产生的。所以我们认识大脑的时候一定不要忘记历史，因为大脑本身是个历史的产物。我们的大脑在一定意义上来讲，就是进化历史留下的记忆。

看看我们的大脑，尺度是一千四百立方厘米，但是黑猩猩是四百立方厘米，显然这个进化是非常有成就的。刚才很多老师都谈到“上九天揽月，下五洋捉鳖”，但是人类为什么能做到这样？靠的是我们人类的大脑智慧是集智慧之大成，所以对于大脑来讲，我们要有一个深刻的认识，要懂得大脑是怎么工作的。

人类大脑有100亿个神经元、1000亿个神经元胶质细胞，加在一起是银河系的十倍。神经元彼此之间要建立关联，要形成突触，这是十兆级的。而且人类大脑的神经纤维总长度是18万公里，这个数字是什么概念？毛主席有一句话叫做“坐地日行八万里，寻天遥看一千河”,就是绕地球一周是四万公里。我们人类大脑的神经纤维可以绕地球四周半！

所以我们在探讨大脑奥秘的时候，要回答这个问题——脑和智力的关系。这是由来已久的、经典的科学问题。但是在大数据时代之前，我们对脑的探索往往是基于一些简单的实验和数据，而不能够用大的数据集合来研究大脑，现在人们开始这样做了。

当年，物理学家薛定谔曾经谈到什么是生命，他认为生命是密码的、非周期的大晶体、是负熵等等，使我们后来对生命有了一个深刻的认知。但智力是什么？瑞士的一位发展心理学家皮亚杰说：“智力就是你在适应，不断地适应发展过程。”所以他的回答是，“智力就是你不知道怎么办而用的东西。”大家想想，我们不知道怎么办的时候，用什么了呢？要用学习、要用记忆、要用知识，这些都是智力全部包括的内容。

在探讨人类大脑的过程当中，有几位大师我一定要提到。一位是西班牙科学家卡哈尔，他证明大脑的神经元是各自独立的，是彼此不融合在一起的。这个观点很重要。

再一位科学家是谢灵顿，他认为“两个神经元之间有狭缝”。这个狭缝是纳米级的，它要通过一些化学信号进行交流，这个是非常非常关键的概念。我们大脑不是花岗岩，之所以不是，就是因为突触之间相互联系。

科学家赫布提到，神经元的活动之间有可塑性，神经元通过学习和工作会建立关联，而关联的效率提高是由神经元的工作情况决定。所以有的神经元可以退化，是因为没有联系了，有的需要加强，这就是神经系统的可塑性基石，由这构成了神经细胞的集群，掌控我们大脑的很多功能。

这位科学家叫克里克，他是DNA双螺旋结构的发现者之一，是一位大智慧的科学家。他在研究生命本质之后，觉得自己应该探讨最难的问题——意识，他是研究意识的先行者。

他们都是外国人，但是我觉得我们不能“言必称希腊”，我们中国也有高山。这里我列举了两位高山，一位是原来上海生理所的所长冯德培，他是早期发现突触传递的可塑性的，是最早的观察者。

再一位是张香桐，他们两位是1907年同年生，是他发现了树突棘计算功能，也是历史上第一个观察到树突棘的重要性的人。

我们谈脑，一定要谈到达尔文。达尔文说自然界当中，生命系统当中，是如此的相似，相似性比不同要重要的多，所以他说“演化和选择创造了生命世界的多样性”。这是我今天要给大家讲的一个主题，就想强调我们怎么认识大脑，就要从演化和选择的角度，看到生命和大脑的多样性。

大脑留给我们的是一个最后的秘密文本，怎么探索呢？中科院在2012年启动了一个很大的战略性先导专项，叫做脑功能联结图谱，我是这个专项的首席科学家。这个项目有多大？它包容了中科院的十四个研究所，从自动化所、神经所、生物物理所、中科大、微系统所等等十四个研究所的六十个课题组，六十位PI(研究员担任课题组长)，现在执行了五年，今年该结题了。

为什么要研究脑功能联结图谱？是因为脑功能有各个层次，首先有微观层次，比如说纳米级的、毫米级的；还有介观层次，神经环路结构这个层次；有宏观层次，几十个毫米的层次。所以脑功能在各个层面都有表现，我们要从多层次来研究脑的神经环路、神经网络、神经联结图谱，研究它们是怎么相应地完成脑工作的。

我下面想举几个例子，是这个大项目当中的，几个精彩的脑科学研究的故事。

大家看这个图，我刚才讲我们人类大脑的神经元数是一百亿，这个数字从人类出生开始基本就是这样子，但是神经元之间的联结并没有完成，这个完成要经过一次剪接过程。最开始突触茂密地生长，经过一段时间进入了剪接过程。这个过程就是在脑内两个树突棘竞争资源的过程。胜利者发育，失败者退化。这个过程很重要，也非常严酷，但这个过程是发生在微观尺度上，所以可以说进化、竞争、胜者独享的过程是在各个时段发生的。这是第一个故事。

第二个就是，竞争不只发生在微观尺度上，还发生在整体动物水平上。如果把两个小鼠放在管道里面，管道很窄，两个小老鼠相向而行，最后它们一定相遇，“狭路相逢勇者胜”，一个小鼠一定会把另外一个顶出去，这就是胜利者。胜利者就可以享有更多的资源，甚至它可以在笼子里把别的小鼠的胡子都拔掉，因为它是胜利者，所以这是在小鼠动物界当中形成一个社会。

大家看这个图，有一个胜利者，还有失败者俯首帖耳的样子。这在动物王国里是分等级的，这就是大脑内的神经系统工作的结果。

最近进一步的研究发现，胜利者还有“胜利者效应”。它觉得自己是胜利者，大脑从丘脑到前额叶形成的联结效率会变得非常之强大，所以它在任何竞争场合都能获得胜利，并把这种胜利再贯彻于其他的学习范式当中。我自己想，这或许就是塑造“小鼠性格”的基本神经机制。

我在2001年和我的合作者曾经研究过果蝇的抉择，就是用颜色和形状的相对矛盾的情况，做出了一个果蝇“赢者通吃”的非线性的抉择范式。而这个类似的范式，后来在2006年，美国人用猴子在两种苹果汁当中让猴子做选择的时候，完成了一样的抉择曲线。就是说这种“赢者通吃”是普遍规律。

再说记忆，我们脑子可塑性决定记忆。哲学家说：“你不可能第二次跳入同一条河流中”。怎么研究记忆呢？神经所的一项研究成果表明，可以用恐惧记忆去研究学习之后神经元发生的变化。这就发现了有的突触联结增加了，有的减少了，这就是记忆的痕迹。

现在大家都关注老年痴呆，所以记忆的机制是很重要的，了解记忆最初是怎么存储的，才有助于我们解决老年痴呆的问题，这是这个研究的结果。这就说明了“一朝被蛇咬，十年怕井绳”，是一个记忆的痕迹。而且每个人一生的记忆有很多，最后形成了你的大脑跟别人的大脑是不同的，另外工作记忆也需要类似的脑区参与。

人类的大脑不仅有可塑性，还能够保存记忆，而且学习记忆本身最后会构成人类个性和社会性的神经基础。为什么人和人彼此不同？就因为我们个人的历史经验、社会教育等都有不同。

通过进一步发现了，人大概是两岁的时候就知道“我是谁”，这是一个很重要的概念。小孩两岁的时候看镜子知道是自己，我们神经所老师的实验证明，猴子也可以被训练认识镜子里的自己，这就是记忆学习构造了我们的大脑。

还有一个有趣的故事给大家看，人类是可以通过化学信号来助于识别性别特征的。这是七个小人走路，中间这个不伦不类；右边是男性走路的姿势；左边是女性走路的姿势。问你中间这个走路是男的还是女的，你的回答决定了你的性取向。

怎么做这个实验呢？让你闻一种气味，这种气味是一种化学信号，叫雄甾二烯酮，女性就认为这是男性在走路；如果让你闻雌甾四烯，你就会认为这是男性在走路。这个判断本身是很有趣的工作，证明人类这样一个高等灵长类动物，也要借助化学进行性别的识别，这证明了大自然进化是多么的相似。

脑科学当中有很多的研究，在中科院神经所有研究线虫的、斑马鱼的、小鼠的、大鼠的，有研究非人灵长类的、各种猴子的，最后还有研究人的。有人问为什么研究这些动物的各种不同？就是因为每个动物在历史的演化当中，都有特定的历史阶段，它都是一个历史的横断面。

所以我们研究一种机制的时候，也会切入到某一个模式动物上去，但你会发现它们的基本原理、原则是类似的或者一样的。所以我们神经科学家应该从这些原理当中，给人工智能的或类脑智能的研究者提供启迪，说明人类大脑什么原理是很有用的，你们可以用来发展类脑智能或者人工智能。

我给大家举个例子，比如坐大飞机。飞机非常豪迈地飞向蓝天，但是早期人们并不知道怎么飞，就做一个“鸟”来飞。其实关键是在于了解飞行的原理——空气动力学。我们现在研究人脑，研究各种动物脑，我个人觉得关键是要提出它的工作原理。

我们说得更远一点，现在我们进入智能社会，智能社会的时代特征是什么？庄子以前说过，“天地与我并生，而万物与我为一。”现在我们可以说，“天地人脑，万物互联。”所以我把牛顿放在图的旁边，从万有引力当中联想到了今天的万物互联，这是很重要的。

我们如何认知脑，有很多脑的奥秘我们并不知道。这里给大家讲一本书《脑中的幽灵》，这本书是讲脑中有很多奥秘，比如有位耳聋的年轻人根本没有学过钢琴，听了乐曲以后可以弹很好的钢琴。左手弹一首曲，右手弹另一首曲，嘴巴可以唱着。一个年轻人可以准确的说出今天每时每刻的时间，精确到秒。这说明大脑的很多奥秘，我们目前一无所知，我们还知之甚少。

于是我就想，我们如何认知大脑？大家看一下这张画，标题叫“天才的缺陷”。左手是位五岁的小女孩画的马，她有自闭症，很孤独。中间是谁画的？达芬奇画的。右手是一个同龄的小女孩画的。画马的这位天才小女孩五岁就夭折了，语言表达也不行，最后夭折了。我把徐悲鸿的画也摆在这儿，大家看，徐悲鸿也不过如此呀。

这位五岁小孩的天才大脑是怎么构造的？于是我就想提这么一个问题，对脑科学家、对物理学家都提这样一个问题。就是我们能不能构造一个系统，这个系统盗用了所有的天才特征，然后来构造一个更加完美的大脑。

这就是我最后想说的“敢为天下先”。毛主席说过，“要有所发现，有所发明，有所创造，有所前进”，我希望大家都可以做到，谢谢大家。

  

墨子沙龙

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