脑科学与临床医学紧密关联

大脑被认为是宇宙中最复杂的物体，是思想、情感、感知、行为、学习和记忆的源泉，也被认为是人类探索自然科学的“终极领域”。

脑科学作为自然科学塔顶的明珠，成为一门迷人的学科——

在高科技领域，脑科学是人工智能、脑机接口、类脑计算背后的知识基础；

(资料图)

脑科学是小说、电影中意识上传、共享大脑、记忆交流的现实写照；

脑科学在生命健康领域不断破解被称为“生命禁区”的大脑谜团；

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那么，什么是脑科学呢？《2021年全球脑科学发展报告》指出，脑科学广泛研究脑结构和脑功能，主要包括脑形态和结构、脑分区和功能、脑细胞和工作原理、脑神经和网络系统、脑进化发育、脑生理功能等领域。这样，对脑科学的探索可能会解决大脑健康的谜团。

脑科学与临床医学密切相关

据世界卫生组织统计，人类已知疾病超过2万种，其中与大脑相关的疾病不到1.5%。这个数字看起来很乐观，但其实脑病带来的危害不容小觑。“在世界范围内，脑病的负担占疾病总负担的23%。在我国，大脑疾病已成为中老年人致死致残的主要原因。中国科学院院士、北京天坛医院神经外科主任医师赵继宗特别提醒。

脑病的社会成本和不断增长的治疗需求呼吁脑科学的发展。

“从阿尔茨海默病、帕金森病等神经退行性疾病，到多发性硬化等神经免疫性疾病，再到抑郁、强迫症等精神疾病，以及脑血管疾病、脑肿瘤等非神经细胞相关疾病，研究人员做了大量研究，许多成果已在临床应用中，但神经环路、功能区和与脑认知障碍相关的网络连接机制仍然是一个尚未解决的科学问题。北京脑科学与类脑研究中心主任、清华大学教授罗敏敏说。

幸运的是，近年来，随着脑科学研究的深入，我们对大脑健康的认识不断扩大。在抑郁症研究方面，中国科技大学生命科学学院薛天研究小组首次解释了白天和晚上相反的情绪影响及其内部机制，证明夜间异常光会导致抑郁症等负面情绪。暨南大学的研究人员在小鼠脑中找到了从视网膜到大脑外缰绳的神经通路，为人们进一步了解光疗抗抑郁的机制提供了线索。

“光疗更多的是针对季节性抑郁症。抑郁症的原因有很多，有的与激素释放有关，有的与炎症有关，有的遗传因素较重。目前的治疗方法也多种多样。”罗敏敏说。

另一个例子是，药物成瘾的研究与脑内分泌物多巴胺的研究是不可分割的。多巴胺是一种神经传导物质，它传递兴奋和快乐的信息，与人们的欲望、感觉和各种成瘾行为有关。多巴胺细胞是一种合成和释放多巴胺的神经细胞，被认为是大脑奖励系统中一种非常重要的细胞，在加强学习和调节动机方面发挥着重要作用，在记忆的形成中也发挥着重要作用。

“成瘾物质的摄入会导致大量多巴胺在大脑中释放。即使成瘾物质本身对人体没有好处，大脑仍然认为它是一种‘奖励’。例如，有些人知道他们的行为是错误的，最终无法控制，因为成瘾物质已经“绑架”了他的大脑，形成了病态的记忆，所以他们对成瘾物质表现出强烈的动机。罗敏敏解释说：“理论上，治疗成瘾需要消除相关的病理记忆，但要非常小心，不能消除正常的记忆。同时要有选择地降低成瘾物质的动机，不影响其他动机。如果有一天科学家已经实现了对记忆的非常准确的控制，那就意味着我们可以完全治疗成瘾。”

罗敏敏说：“目前，我们主要研究多巴胺细胞在不同脑区的不同功能，更仔细地了解相关的神经环路功能是一个非常困难的挑战。随着我们对多巴胺系统理解的加深，我们肯定会为药物成瘾的治疗提供新的想法。”。

脑科学与临床医学的关系不仅在实验室，还包括大量临床数据和数据的对接转化。

19世纪60年代，法国外科医生布罗卡发现了大脑运动语言区的布罗卡区。当时，一名铁路工人因脑损伤出现失语症状。当病人死亡时，医生进行了解剖，发现病人大脑的某个区域受损，从而判断该区域的功能与语言有关。赵继宗说，目前有很多这样的例子。例如，DBS（大脑深部电刺激）广泛应用于帕金森病的治疗。我们结合MRI（磁共振成像）研究了帕金森病的神经调节环路，并试图探索帕金森病的病因。“在治疗过程中，我们还发现DBS对阿尔茨海默病和抑郁症也有影响。我们进行了相关的临床试验，希望在研究阿尔茨海默病的机制方面取得突破。”

基础研究者和临床医生需要共同探索脑科学的进步

与许多科幻小说中描述的人类完全控制大脑和实现记忆交换不同，大脑科学在现实中远没有达到如此高的水平。正如罗敏敏在采访中所说：“意识是什么，睡眠是什么，学习和记忆是什么，语言是如何产生的，情绪是如何控制的，日常饮食是如何控制的。这些都与大脑科学有关。可以说，我们仍然很少理解和理解。”

为什么脑科学研究这么难？

“大脑是一个非常复杂和动态的系统。大脑科学需要许多技术，如如何实时记录多脑区域和多细胞的神经活动，如何调节多脑区域的神经细胞活动，以及分子水平上的许多神经信号？目前还缺乏这些观察所需的技术手段。在罗敏敏看来，脑科学是一个非常重视技术和跨学科的领域。“我们从计算科学、电子科学、化学等各行各业学到了很多。在过去的20年里，我们最重要的技术——光遗传学实际上来自于植物对光感觉的离子通道的研究，基因编辑技术CRISPR-Cas9来自免疫学和微生物学，IPS(诱导性多能干细胞)来自医学。这些技术对脑科学研究有很大的帮助，但还远远不够。”

因此，脑病相关研究往往陷入困境。

“帕金森病自1817年首次发现以来已有200多年的历史。虽然在临床治疗方面取得了很大进展，但其发病率仍然很高。2015年，全球约有450万帕金森病患者。自1901年发现阿尔茨海默病以来，阿尔茨海默病的情况相似，没有更好的治疗方法。赵继宗说，近年来，抑郁症引起了社会的广泛关注。现在抑郁症不仅发生在成年人，也发生在儿童身上。“这些疾病都有一个关键问题，那就是发病机制不明。”

此外，治疗方法仍然有限。”虽然医院有各种各样的手术机器人，手术精度大大提高，但一旦定位到大脑区域，可以做的事情仍然很少，例如，大脑发现脑瘤或癫痫，或损伤病变，没有更有效、更安全的治疗方法。”罗敏敏说。

脑认知疾病药物研发的临床试验也充满了曲折。原因是，“脑认知功能研究，如人类认知、情绪和行为变化，不能完全被动物实验所取代。”赵继宗说，实验中使用的小鼠脑与人脑有很大的不同。许多实验数据和开发的药物对小鼠有用，对人无效。

脑科学的进步作为一门与临床医学紧密结合的科学，需要基础研究人员和临床医生的共同探索。”临床医学可以为脑科学的基础研究提供临床数据，以发现科学问题。基础研究的结果可以在临床上得到验证和应用。”赵继宗说。

脑科学有望给人类的发展带来实质性的进步

在《科学》杂志成立125周年之际，全球数百名科学家被邀请讨论和总结125个世界上最重要的前沿科学问题，其中46%涉及生命科学，其中18个属于脑科学，包括意识生物学基础、记忆储存和恢复、人类合作行为、成瘾生物学基础等，这些问题仍然是科学研究的前沿。

根据《2021年全球脑科学发展报告》，脑科学是生命科学最前沿、最前沿的领域，也是人类最难克服的“科学堡垒”之一。脑科学也是人工智能、脑接口、信息科学、仿生科学等许多前沿技术发展的基础。。。特别是在神经和精神疾病领域，我们迫切需要脑科学的进步，为其防治提供新的思路和方案。

2014年3月，中国召开香山科学会议，讨论中国脑科学研究计划的目标、任务和可行性。“中国脑计划的核心是‘一体两翼’，‘一体’是以阐述人类认知的神经基础为主体和核心，‘两翼’是通过计算和系统模拟加强脑认知障碍的预防、诊断和治疗，促进人工智能研究。赵继宗介绍，“十四五”规划和2035年愿景目标纲要将“脑科学与类脑研究”纳入科技前沿领域，脑科学的发展前景值得期待。

近年来，随着人工智能领域的发展，脑科学和类脑研究再次成为公众讨论的热门话题。在罗敏敏看来，目前的人工智能和人脑仍然是两种不同的智能形式。“我们人脑的计算是以偏见和情感的客观方式看待世界，特别强调情绪和觉醒的作用，而人工智能不会受到情绪的影响，就像一个持续高速运行的‘冷’大脑。当然，人工智能和脑科学也相互交叉和借鉴。脑科学可以借助人工智能进行相关研究，人工智能也可以借鉴人脑的一些特点，包括存算一体化。”

“当电气化刚刚出现时，许多人把大脑的操作理解为开关和电路；计算机出现后，人们开始用神经环路和集成电路的概念来理解大脑；现在，人工智能的不断发展给大脑科学研究带来了一些新的概念，但它仍然与人脑的计算原理有很大的不同。罗敏敏说，从某种意义上说，脑科学是一门非常年轻的科学。如果有人想从事相关的科学研究，并希望给人类的发展带来实质性的进步，他应该投资于这门新兴的科学。