脑科学与认知神经科学研究

  21世纪被世界科学界公认为是生物科学、脑科学的时代。在上个世纪末欧美“脑十年”和日本“脑科学时代”计划的推动之下,对人脑语言、记忆、思维、学习和注意等高级认知功能进行多学科、多层次的综合研究已经成为当代科学发展的主流方向之一,而认知神经科学的根本目标就是阐明各种认知活动的脑内过程和神经机制,揭开大脑—心灵关系之谜。注重大脑发展、感觉、知觉、学习与记忆、运动、睡眠、压力、老化与神经及精神疾病的研究,并包括负责神经系统功能的分子、细胞与基因研究。
  传统的心理学基础研究即认知心理学,仅是从行为、认知层次上探讨人类认知活动的结构和过程。而认知神经科学作为一门新兴的研究领域,则高度融合了当代认知科学、计算科学和神经科学,把研究的对象从纯粹的认知与行为扩展到脑的活动模式及其与认知过程的关系。对认知神经科学的意义与前景,国际科学界已经形成共识,许多人把它看成是与基因工程、纳米技术一样在近期内会取得突破性进展的学科。
  认知神经科学的特点是强调多学科、多层次、多水平的交叉。它把行为、认知和脑机制三者有机结合起来,试图从分子、突触、神经元等微观水平上和系统、全脑、行为等宏观水平上全面阐述人和动物在感知客体、形成表象、使用语言、记忆信息、推理决策时的信息加工过程及其神经机制。传统的研究手段有认知行为实验、神经心理学检查、单细胞活动记录、神经结构解剖等。
  近十年来认知神经科学的一个重要发展就是利用神经影像技术,对正常人在进行某种认知操作时的脑活动模式进行无创伤性的功能成像。例如,研究者可以要求正常实验对象躺在医院的核磁共振扫描仪中,从事上述认知任务。与一般临床神经影像检查不同的是,磁共振扫描仪这时记录的不是大脑的结构图像,而是与注意选择、控制干扰有关的脑区活动变化的图像。通过比较一致和不一致两种实验条件下脑区活动的差异,我们就可以清晰地看到了解服务于注意选择、控制干扰的脑区活动网络。脑功能成像的结果可以与用其他研究手段得来的结果相互印证,加强科学结论和理论的建立。
  认知神经科学的研究不仅可以帮助我们探索认知现象的本质,探索物质与意识的关系,解决古老的哲学问题,而且可以帮助我们理解现实社会的一些现象,提高我们的生活质量。认知神经科学的成果可以直接服务于社会。例如,研究表明,一些具有反社会人格的人或一些具有精神疾病的人在进行某些认知任务的时候,具有反常的脑活动方式;正常人在饮酒之后,如果从事我们上述的选择反应任务,不仅反应时间变慢,错误率增高,而且其相应的脑区活动也不同于常人。脑损伤病人在进行外科手术前,可以进行脑功能成像检查,以确定他负责重要的认知功能(如语言)的脑区,神经外科医生在手术时可以尽量避免损伤这些脑区。对具有阅读困难的儿童进行认知矫正,其阅读文字时脑活动的模式可以逐渐恢复到与正常儿童一样。对宇航员和飞行员的选拔和测试,我们不仅需要考虑他们的身体适应能力,还要对他们的认知功能及其神经活动,特别是在应急状态下的功能,予以科学的测定和研究。可以毫不夸张地说,认知神经科学已经深入到我们生活的每一个方面,虽然在大部分情况下我们并不觉知。
  与世界上的一些发达国家一样,我国政府和研究机构对认知神经科学给予了高度的重视。国家、科学院和一些重点大学已经开始部署认知神经科学的研究项目,组织专门的研究队伍。我国研究者在视知觉、注意、语言等领域也取得了一批世界关注的成果。但总的说来,我们的队伍还很小,研究手段也相对落后,不成体系。这种现状与我国的国际地位和科学需求是很不相称的。而认知神经科学作为一门新兴的研究领域,现在起步,达到国际领先水平所花的代价较小。因此,对于这样一个具有前瞻性、前沿性、多学科交叉的重大科学研究领域,我们迫切需要培养研究队伍、凝练总体研究目标,使我国的认知神经科学研究在国际前沿领域占有一席之地,促进我国生命科学事业的发展。
   电脑名为脑,其实比人脑笨得多,并且不会主动思考,原因是现在电脑的复杂程度尚不及蚯蚓的脑袋。设计出和人脑一样会学习、会思考的电脑,是科学家半个多世纪以来的梦想。

恼人的脑
著名数学家阿兰·图灵在1950年预测,电脑有一天会达到人脑的水平。最初,科学家采用“从上到下”的方法来模仿人脑。这种方法是每当发现人脑的一种功能,设计师就编出一套软件,让电脑实现同样的功能。人们认为,随着程序代码逐渐积累,终有一天,电脑能够实现人脑的所有功能。但实践表明,这种从软件入手的想法行不通。
大脑的本事是能够进行神经元编程,在思想和感受器之间传递电流。然而,模仿这种功能成为工程师不可逾越的高山,“在解决这个复杂问题的道路上,每个人都一次次碰壁,撞得鼻青脸肿”。虽然电脑的性能日新月异,但至今人类也没有揭开“意识之眼”的秘密,没能制造出一台能够编写音乐或掌控公司运营的电脑,也就是说,电脑仍然不会思考。
    集成电路发明人罗伯特·诺依斯1984年建议,改用“从下到上”的方式模仿人脑,也就是先绘出一份详细的大脑地图,把大脑内所有弯弯绕的细枝末节搞得清清楚楚,然后按照这份大脑地图,组装电脑。这样做出来的电脑,应该能和人脑有得一拼。

脑的联络图

   “联络图”这个词,令人最先想起的是《林海雪原》中小炉匠藏起来的特务联络图。不过,美国德克萨斯A&M大学脑网络实验室主任布鲁斯·麦克科米克的打算是绘制一张脑的联络图。
   在他的计划中,关键是名为“脑组织扫描仪”的新型显微像机。这种像机先通过特制的刀把大脑切成微小的薄片,接着由激光束扫描切片,再用数码相机拍摄下极为精细的脑组织细节,其精细度可达l厘米的十万分之一,这比大脑中的单个神经元还小,最后所获得的数据被储存进硬盘。当扫描完全部切片后,就可以绘制出大脑超豪华结构的点点滴滴。
   和许多科学实验一样,布鲁斯先拿老鼠练手。他和助手用了一个月时间拍摄完鼠脑的全部照片,获得23万亿字节的信息。然后用这些信息构建高清晰度的三维鼠脑模型。布鲁斯琢磨从今年开始,在20年内绘成人类大脑联络图。
   不过,美国加州理工学院走了另一条道路来绘制大脑联络图。他们不是把大脑切成一堆肉片,而是使用磁共振成像技术等不产生破坏的办法观察活鼠、活鸟和活猴的大脑。这种做法一时不会得到布鲁斯那样的清晰图片,但如果假以时日,利用这种方法能够绘出发展中的大脑解剖图和神经结构变化图。
美国宾州大学神经工程研究所的克比纳·波恩也在研究夹在人的两耳之间的灰色物质大脑。波恩对大脑巧夺天工的内部结构羡慕得要死,“那鬼东西实在比我们能设计出的任何机器都更加有效”。
    他发现,大脑的根本结构比其控制的行为、观点和感觉等要简单得多。与电脑不同,大脑能够经常改变神经元之间的连接,修正处理信息的方式。波恩计划采取超常规灵活设计,研制能够根据接收到的信息自己编程的芯片。芯片虽然不能像大脑神经元那样自由改变连接方式,但依靠路由器,芯片也可以决定不同的信道。
    波恩实验室制造的第一种仿大脑产品是视网膜芯片。这个芯片有近6000个接收器,4000个人造神经连接器,为人类视网膜的八分之一大小。令人惊奇的是,这个芯片能耗仅为0.06瓦,比真眼还节省能源。波恩说:“模仿大脑的神经系统,不仅要实现大脑的性能,还要达到大脑的节能效果。”如果能解决芯片界面并设计出超微小的电池,视网膜芯片可能在一至两年内装入人眼。

21世纪的脑科学
   2001年初,由中国科学院、新华通讯社联合组织的预测小组预测出“新世纪将对人类产生重大影响的十大科技趋势”。这十大科技趋势中的第四大趋势就是认知神经科学领域——揭示人脑奥秘,探索意识、思维活动的本质。专家认为,21世纪,人类将在脑科学和认知神经科学研究的几个重大问题上取得突破性进展。
    脑科学权威专家杨雄里院士认为,“探索和揭示脑的奥秘所具有的高度复杂性、所蕴涵的深邃的哲理,以及对人类的重要性,已成为当代自然科学面临的最重大的挑战之一。”
   中国科学院院长路甬祥称,21世纪将是生命科技的世纪。对于人脑和神经系统分子发育和工作机制的深入研究,将逐步揭示脑和认知过程的奥秘,促进认知科学、教育学和信息科学的发展,并可能为人的智力开发和电脑科学带来新的突破。
   中国科学院生命科学部生命科学发展战略研究小组在《生命科学发展战略调研报告》中认为,“脑的研究是生命科学的重大前沿,受到各国政府和社会的高度重视。当前的研究前沿和主要趋势是在分子、细胞和整体水平对脑功能和疾病进行综合研究,并从脑的发育过程了解脑的构造原理。”
    国外有人预计,超级大脑将改变一切。2025年之后,机器人将迅速代替人在工厂和农场中工作,而且它们将为所有的人提供基本的生活必需品。汽车、飞机和火车将会自动运转,到21世纪30年代,公路上的重大交通意外将被杜绝。到21世纪中叶,人类生命的本质也会发生变化。神经植入将扩展人类的知识和思考能力,并且开始向一种复合的人-机关系过渡,这种复合关系将会使人类逐渐停止对生物机体的需要。
    届时,大量非常微小的机器人将在大脑的感觉区里占据一席之地,并且创造出真假难辨的虚拟现实的仿真效果。与家人和朋友进行交流不再需要由你来亲自进行。你吃过的最好的食物可以在不同人的陪伴之下反复享用。到富士山旅行或者参观罗浮宫将会变得毫无意义,因为你的身体能够做到的事情或者感觉到的东西脑内仿真手段都可以提供。到2099年,将只有很少一部分人仍然保留着生物机体。大多数人将把自己的思想转换成电子电路,以获得永生。
无来由的烦恼
    虽然人造脑还是一片浮在空中的云,但一些人对人造脑的担心和相关反驳却滚滚而来。看着一群所谓的专家为不存在的东西争得面红耳赤,也是一种乐趣。
     英国雷丁大学控制论研究负责人凯文·沃里克确信,到2050年,机器将征服人类。研制人造脑的俄罗斯科学家维塔利·瓦利采夫自称,他新研制的电脑超越了以前的大脑模型。但如果受到虐待的话,这个全新的大脑可能会变成《弗兰肯斯泰因》小说中所描写的能毁灭其创造者的怪物。他说:“这个机器要像新生儿那样接受训练。对我们来说,最要紧的是要把它变成朋友,而不是罪犯或敌人。”日本高级通信技术国际研究所一个硅脑制造项目的负责人雨果·德加里斯承认,他创造的东西可能会把他“像苍蝇一样拍死”的想法一直搅得他心绪不宁。
其他研究人员则认为,这样的存在物拥有高超的智慧,不会不尊重各种各样的生命形式。伦敦帝国理工医药学院神经系统工程负责人伊戈尔·亚历山大说,机器会怀有恶意的想法是建立在这样一种错误的假设基础之上的,即智能机器行为方式将与人类非常接近,“具有人类的弱点和所有的特征”。但是,没有性别又知道自己是机器并且基本上可以永远存在的生物不会去竞争领土和配偶——这是人类残暴和虐待低级生命形式的两个主要原因。如果超级智能机器认为人类不适宜与它们共同生存在地球上,也许它们只会在自己身上建造一个助推器,然后飞向太空。一些机器总是要飞向太空的,去寻找新的知识,因为太空旅行对它们来说只是小事一桩。
    脑给我们带来什么:“喜怒忧思悲恐惊”的七情,色欲、形貌欲等六欲﹖人造脑真能解决生活中的所有问题吗?能够让我们把世间的纷扰看清楚吗?能够让我们不再彷徨无靠吗﹖有一点可以肯定,不论人造脑将是什么样子,日子肯定还要一天一天过,成功仍然是努力打拼出来的。

先天的遗传与后天的经验使人的大脑是独一无二的
基因决是了大脑发展的潜力、环境才能决定大脑是否能真正发展
人的一生脑细胞是不变化的,变化的是脑细胞的连接
哈里森复聪的例子说明儿童时期大脑有极强的重新组织能力