当这束光照到小鼠的大脑后,它就会疯狂展开攻击,而且只杀不吃 | 罗敏敏
格致论道 科学大咖讲科学 | 2021年 北京
大家好,我是罗敏敏,今天给大家分享的主题是《脑:文明的科学基础》,将会介绍脑科学的研究现状以及未来的发展方向。
下图上方是我的眼睛,从参数上来看,它好像不太好。我眼睛的视网膜里,和大部分人一样,大概有100多万个神经节细胞,也就是100多万个像素。而像图片下方的手机摄像头,动不动就有几千万个像素。
虽然我的眼睛只有100多万个像素,但是通过连接我的大脑,却可以提供非常丰富的信息。比如我可以迅速地分辨观众里面哪些同学是男的、哪些同学是女的、哪些在微笑、哪些在说加油。而你的手机大概不能给你提供这么多信息。
眼睛不仅可以提供很多很基础但手机提供不了的信息,还可以提供一些在现实世界里看起来不可能存在的信息。比如下图动画中的三维旋转在现实世界里就不存在,而把不存在的东西变为可能,就是我们的大脑要做的事情。
我们的人脑不仅计算得快,还有一个非常重要的特点,就是它的能耗很低。我们人一天大概要用2-3度电,而人脑的功耗就只相当于一个冰箱的灯泡,大约15瓦。
这个功耗15瓦的脑袋可以做各种各样的行为,既包括睡眠、进食、性、攻击、体温调节等基本行为,还包括学习、记忆、运动、知觉、语言、意识、社会行为等非常多的高级行为。
举个例子作为对比,天河二号超级计算机,它的能耗有2400万瓦,是人脑的160万倍。那么,既然大脑消耗的能量这么低,计算能力又这么强大,它是怎么做到的呢?
事实上,主要的科学期刊包括Science和Nature,选出的最重要的未解之谜和最重要的一些问题都是有关脑科学的。比如人的意识是怎么回事?睡眠是怎么回事?学习和记忆是怎么回事?
我们对人脑的了解还是非常肤浅的,有许多最基本的行为、或者最复杂的行为我们都还不懂,以及很多的精神疾病我们都解决不了。所以年轻一代的学生和科学家们就有非常多的机会来做出重要的发现。
当然,过去一百多年来,脑科学也并不是一点进展都没有,还是给出了一些非常重要的发现以及重要的概念的。
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这些发现和概念归根到底是我们脑科学家、神经科学家在三个方面做的工作:第一方面主要是了解神经细胞,即神经元,信息加工的分子细胞机制;第二方面是研究神经元如何相互连接形成网络;第三方面就是在这么大的网络里,神经元的活动如何整合起来产生思维和运动。
人脑就像心脏、皮肤和肌肉一样,主要是由细胞组成的。人脑由860亿个神经细胞构成,每个细胞有三部分——胞体、轴突和树突。树突主要接受信息,胞体整合信息,轴突则是把信息传出去。
在人脑里,大概有一半的细胞是一种特殊的细胞,叫神经元。神经元是脑计算的基本单元。
神经元虽然是最基本的单元,但是每个神经元又很不一样,它们的形态差异非常大。以教科书版本的树突为例,可以看到有的有长长的顶树突,有的有比较多的底树突,有的则像浦肯野细胞有厚厚的一层树突。
神经元形态的差别和其功能、分子表达以及它们投射特点的差别是相关的。而研究神经细胞的分类,研究分子细胞水平的特点是脑科学研究里最重要的一个研究方向。
现代脑科学研究实际上是由一位科学家Ramon y Cajal(拉蒙-卡哈尔)启动的,他也被认为是现代神经生物学之父。
Ramon y Cajal是一个天才,他有惊人的观察能力。他利用100多年前一种叫Golgi staining(高尔基染色)的办法,将神经细胞稀疏地染成非常黑的颜色。然后用现在看来非常简陋的显微镜观察各种类型的神经细胞形态,观察它们的轴突可能会投到什么地方,绘制了脑神经元的神经细胞形态和投射,形成了一个早期的脑图谱。
他的工作到现在也是神经科学里最经典的发现。我们现在有很多有关不同脑区神经网络、神经投射的研究都还是用Ramon y Cajal的特点和风格来画图谱。现在绘制神经脑图谱也仍然是现代神经科学领域里最重要的一个工作,也是最近很多国家的脑计划要做的事情。
虽然脑图谱是静态的,但神经网络是动态的。它的动态表现在两个方面:第一,神经元有非常复杂的电活动特征。你的思维无论有多抽象,无论是有关于哲学的思考,还是有关宗教的信仰,归根到底都是由神经细胞的电活动来决定的。
第二,这些电活动在发育、成熟、衰老的过程中都会发生变化,所以神经网络也是动态的。有关神经元的电活动的研究也是整个脑科学功能性研究里最重要的一环。
从脑机接口到脑脑接口:实现跨脑控制
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现在比较热门的一个概念是脑机接口,即用不同的记录办法,如通过脑电、皮层电等进入人脑的多个电极来记录各种神经细胞的电活动,并整合起来进行解码。
比如下图中,我想象在动右手,设备的许多电极就会记录我运动皮层里的电活动,并进行解码。
所以我们可以通过光学记录的办法,从一个小鼠大脑里提取这个核团的信号,来判断出它的运动速度,然后再把这个信号通过光刺激的办法,注射到另外一个小鼠的NI NMB核团。
类脑计算:模仿大脑
主要有以下几点原因:第一点就是大规模的并行计算。我们拥有860亿个神经细胞,至少可分为几百个脑区同时进行计算,通过模拟信号和数字信号动作电位的全或无来实现。
第三点就是我们的大脑计算和存储是一体的。这和电脑不一样,电脑计算靠CPU,存储则是靠硬盘。
以视觉处理为例,我们通过视网膜第一层投射到丘脑第二层,再投射到初级视觉皮层第三层,最后到高级视觉皮层第四层,这是以神经元为计算单元的多层网络连接起来的。而且由于这个权重可以调整,就产生出了人工神经网络的概念。
对脑活动的大规模记录和成像
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虽然我们研究了100多年,其实还有很多事情不太理解。但脑科学在过去几十年也有一些非常重大的进步,主要体现在技术上。比如成像的技术、光遗传学的技术、化学遗传学的技术以及其他不同领域的技术进步,如分子遗传学、蛋白组学、代谢组学、计算科学、光学、电子、化学等等。
现在这些技术整合起来就可以让我们准确地追踪很多脑区的电活动。我们可以刺激、也可以抑制神经细胞,还可以大规模地记录神经细胞来解析,并通过这些技术解析神经环路与行为的因果关系。
大规模的记录不仅对我们理解脑神经网络如何编码外界的刺激很重要,对我们的思维也很重要,对于脑机接口也是一项非常重要的技术。
还有清华大学戴琼海老师开发的8公斤重的大面积透镜(左下),可以通过光学成像的办法看到平方厘米面积里几万个神经细胞活动的特点。
此外,北京大学程和平老师开发出来的微型的显微镜——双光子显微镜(右上),也允许我们通过双光子这种精细的光学成像来观察自由移动的小鼠脑中许多神经细胞的电活动。
还有北京大学李毓龙老师开发出来的光学探针(右下),让我们可以观察到在清醒的小鼠的运动过程中神经递质的释放。
还有北京大学唐世明老师的实验室,可以通过双光子看到在视觉过程之中,猴子的视觉皮层中一大片脑区不同的神经细胞对不同视觉刺激的反应。
而我们实验室,通过光纤记录系统办法,可以看到脑内的有关奖赏的5-羟色胺能神经细胞,在交配的行为过程中会得到极大的激活,说明这个脑区是真正地编码了社会奖赏。
光遗传学:控制大脑
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另外一个有非常重大进步的脑科学领域,就是光遗传学。有些离子通道可以被光激活、打开,使离子进入或者流出细胞。所以我们可以通过光的手段来调控神经细胞的电活性。
事实上,光遗传学允许我们通过遗传学的手段快速准确地控制某种特异的细胞的激活或者抑制。
下面再举几个例子,说明我们实验室如何通过光遗传学来调控神经细胞的活动,影响动物的行为。
我们也可以激活它脑袋里编码了捕食攻击行为的核团,用光激活这个脑区后,这只小鼠就会疯狂地对蟋蟀展开攻击,而且是只杀不吃。
面向未来100年的脑科学
▲ 咖啡和茶的分子基础
爱喝咖啡和茶,是因为它们的咖啡因通过不同的靶点,影响我们的神经细胞,让我们觉得清醒。比如增加我们脑袋里多巴胺的释放,从而进一步成瘾,产生更多想去享用分子的念头。
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