神经科学的重要课题是什么呢？ 第1页

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从1906年Golgi和Cajal描绘神经元形态并获得诺贝尔生理学与医学奖，到1959年Wissel和Hubel揭示猫视觉皮层中单个神经元如何编码视觉信号，再到近些年人们已经能用脑机接口(brain-computer interface) 控制人造假肢， 我们对大脑的了解已经经过了漫长的过程。那么现如今，神经科学（Neuroscience）领域又有什么重要的课题呢？

大脑是一个复杂的系统，神经科学由上（抽象）至下（具体）也可大致分为几个分支：计算神经科学(Computational)，认知神经科学(Cognitive)，系统神经科学(Systems)，环路神经科学(Circuit)，细胞与分子神经科学（Cellular & Molecular）。每一个分支都是一个独立的小领域，从不同层面了解大脑；举个例子，同为研究计算机，有人研究软件，有人研究硬件，有人研究生产计算机的基础材料，这些人感兴趣的课题自然不尽相同。作为一个刚毕业的神经科学博士生，虽然无法面面俱到，我就抛砖引玉地就每个层次跟大家分享一个我认为领域内很重要的课题。

1. 计算神经科学 (Computational): 未来的人工智能

计算神经科学使用计算机模拟和建模的方法理解大脑，与计算机科学密切相关。其中，一个最现实的应用就是人工智能（Artificial intelligence），最近异常火爆的人脸识别、大数据分析、会下围棋的AI都是从人工神经网络（Artificial neural network)演变而来。但是，一个普遍的共识是，即便当今最先进的人工智能也和最基础的人类智能相去甚远。 人工智能能够处理海量的数据，但还不能对其做出归纳、推理、演绎；它们能够学习新技能，但还无不具有情感、理智、意识。所以，计算神经科学家们极为关注的一个热点问题就是：如何更深入地理解大脑中的神经网络，从而开发更高级的人工智能？

举一个例子，MIT脑与认知科学系的系主任James DiCarlo试图对比人工神经网络和大脑神经网络。他们发现，当我们训练一个人工神经网络来实现识别图像时，人工神经网络的每一层都和真实大脑中的一个视觉皮层相对应，连其中单个神经元的反应都很类似。

那么类似的，我们是否能学习大脑中的语言系统，从而设计能和我们对话的AI？能否让AI帮人类进行推理，决策，创新，甚至艺术创作？AI是否能拥有自我意识？这些问题同时具有深远的科学意义和现实应用价值。

2. 认知神经科学(Cognitive): “智能”的早期发展

认知神经科学研究人脑如何产生高级的认知功能：语言、记忆、推理、意识等，一定程度上属于心理学的范畴。近些年来，认知神经科学家们越来越多地关注一个问题：复杂的认知功能在孩子成长过程中是如何发展起来的？我们刚生下来的时候，不会说话，没有记忆，不会逻辑思维，甚至也不知道“自我”是什么概念；但是经过几年的成长，每个人都成长为了有着高级智能的个体。这个从无到有的过程始如何发生的呢？

结合最新的脑成像技术（例如fMRI），人们开始研究在孩子成长的过程中负责语言、记忆、社交的脑区是如何发展的。了解这些过程，能帮助我们还原“智能”从何而来。

3. 系统神经科学(Systems): 理解大脑的密码

什么叫系统神经科学呢？ 简而言之，系统神经科学将大脑作为一个整体系统来研究，关注不同脑区或者同一脑区众多神经元是如何共同工作的。系统神经科学领域的一个根本问题是：我们大脑中的神经元是如何编码世界的？

我的博士课题与海马中编码记忆的神经元相关，我就以此为例。过去几十年中神经科学一个重要的突破是发现了在海马中编码空间位置的神经元(place cell)： 小鼠记住了一个环境后，海马中的一群神经元会在小鼠处于某一特定位置时放电。 这一发现获得了2014年的诺贝尔奖。它告诉我们，海马中的神经元可能编码空间(space)，并由此存储空间记忆。

然而，近期的研究表明，情况恐怕没有这么简单。一项普林斯顿大学的研究指出，如果让小鼠同时做一个听觉训练，编码空间的place cells 也可以同时编码听觉信号。那么问题来了，这些海马中的神经元到底在编码什么？为何它们之中有的编码空间、有的编码听觉、有的二者都编码？换句话说，大脑中的神经元到底如何编码外部世界，这样的设计意义又是什么？

神经元编码的问题绝不仅限于记忆。神经元如何共同编码我们的感知、情绪、决策、意识？随着神经记录手段的不断发展（电极记录、钙成像），我们有可能在未来十年中更好理解大脑中的神经密码（neural code）。

4. 环路神经科学(Circuit): 控制“睡眠”的神经环路

神经环路（Neural circuits）指的是大脑中脑区与脑区、细胞与细胞之间的连接通路。利用解剖学、电生理、光遗传等手段，人们开始更深入理解记忆、进食、社交、决策、睡眠等行为都是由哪些环路来控制的。

其中，睡眠是一个近期的热点问题：“睡眠”的神经环路基础是什么？我们人生中的三分之一都用在了睡眠上，但我们对它的神经基础还了解甚少。来自UC Berkeley的Yang Dan组最近的一些列研究就揭示了中脑和丘脑中控制睡眠的神经环路；激活这些环路会使小鼠在短时间内快速进入睡眠状态。然而，还有众多的问题亟待解决：人为什么要睡眠？睡眠的多与少由什么来控制？怎么通过改善睡眠来加强人的认知功能？找到负责睡眠的神经环路无疑能帮我们更好地解答这些问题。

5. 细胞与分子神经科学（Cellular & Molecular)： 神经系统疾病的分子基础

细胞与分子神经科学关注大脑中的细胞和分子如何工作。这一领域备受关注的问题是：哪些分子和细胞与神经系统疾病相关？近些年，随着高通量测序的普及和更多小鼠转基因模型的建立，人们对神经系统疾病的分子细胞基础有了革命性的了解。现如今，我们已经能够在一些个别领域很有把握地通过基因准确预测个体患病的风险，例如ApoE4易感基因被认为与阿尔兹海默相关（Alzheimer's disease ）。然而，类似的例子还太少太少。我们还需要发现更多的自闭症(Autism)、精神分裂（Schizophrenia）、抑郁症（depression）、帕金森病（Parkinson’s disease）等等疾病的相关分子。

这些基因既是重要的biomarker，让我们对可能发生的疾病早早做出预防；同时，它们也是可能的治疗靶点，让患病的患者有机会战胜疾病。这背后的重要意义就不言而喻了。

简单总结一下：神经科学可分为几个重要的分支，每个分支领域都有许多关键的问题需要被解决。当然，当今神经科学的一个发展趋势是：不同分支领域结合更多，不同技术手段综合使用。 所以，作为当今的热点领域之一，神经科学在未来十年内应当还会带给我们许多惊喜。