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源于:辽宁日报  2006-10-31 09:08:40
探索大脑的奥秘——访复旦大学脑科学研究院院长杨雄里院士

  人类只有认识了脑,才真正认识了自身;揭示脑的奥秘是当代自然科学面临的最重大的挑战之一



  记者:脑是世界上最复杂的东西之一,脑功能始终是一个引人入胜的谜团,人类在不懈地探索脑的奥秘,一个自然的问题就是:作为脑的活动的表现形式———人类思维,可能了解脑的活动,了解精神和思维本身吗?脑科学研究的目标是什么?



  杨雄里:人脑是大自然最复杂、最杰出的创造,是人类智慧的源泉,它接受外界信号、产生感觉、形成意识、进行逻辑思维、发出指令产生行为,形成了四大基本功能,即感觉、运动、调节(适应)和高级功能。其中高级功能是指认知、注意、学习、记忆、语言、思维等。从信息理论上讲,人类大脑可储存的信息相当于藏书1000万册的美国国会图书馆的50倍,大脑神经功能细胞之间每秒可完成1000万次的链接。大脑如此重要和神奇,揭示脑的奥秘成了现代科学面临的最大挑战。可以说,这是人类认识的最后疆域。近年来脑科学的巨大进展充分体现了面临挑战的脑科学家已经取得的成功,这又进一步增强了他们对未来的信念。脑科学家相信,人类能够了解脑。而且,他们眼下正干得很好!对脑和脑的活动的了解比任何时候都要深刻,并且还在与日俱增。当然,对于脑的复杂高级功能的了解还停留在初始期,还有待突破。阐明神经活动的基本过程、认识实现各种功能的神经回路基础、揭示脑的高级功能机制、阐明神经系统疾患、从病因、机制去探索新的治疗手段、为人工智能提供启示等,都是对大脑进行研究即脑科学研究的主要目标。



  记者:在近二三十年中,我们对脑和神经系统的了解超过了我们整个人类历史上对脑和神经系统了解的总和,这是一个怎样的过程?我们从哪些方面来认识大脑?



  杨雄里:在神经科学家或脑科学家来看,脑和神经系统是一个统一的、整体的两个部分。从严格的意义上,我们把认识脑和神经系统的功能以及它的工作原理统称为神经科学,用一个比较通俗的名字就是脑科学。从19世纪末叶起,人们逐渐认识到,要揭示脑的奥秘,一方面必须描绘脑的各种组构,搞清它们的相互联系,另一方面必须分析脑的各部分如何工作以及它们如何协同实现各种功能。这两方面构成了脑研究的两个传统分支———神经解剖学和神经生理学。这两个学科几乎是独立的,并行发展,且都取得了巨大的进展。到了20世纪60年代,两学科的壁垒逐渐被打破,同时细胞生物学、分子生物学等其他许多学科急速发展,并逐渐介入神经系统的研究。1962年,F.O.Schmitt在麻省理工学院创建了神经科学研究规划组织(NPP),这是一个由不同学科的科学家组成的国际交叉学科组织,它的创建及一系列研究使“神经科学”得到了广泛的承认和运用,许多相关学科的科学家大量涌入这一领域,使神经科学在40年来产生了飞跃的发展。



  众多神经细胞通过突触进行信息传递和加工,这是我们大脑思维活动的基本机制;而不同的脑区掌管着不同功能



  记者:脑科学研究首要的工作就是要弄清脑的组织、结构,那么,我们“智慧”的大脑是由什么构成的?脑组织活动的基础是什么?



  杨雄里:大脑大概是由10的11次方、上千亿个神经元(细胞)组成,这个数字相当于整个银河系的星体的总数。它们之间通过一定的连接点组成一个极其复杂的网络系统来实施整体性的功能。这个连接点,我们的专业名词把它叫做突触,突触的总数又是神经细胞总数的1000倍,也就是10的14次方。细胞在兴奋的时候就会产生一个动作电位,再讲得简单一点就是神经脉冲,神经冲动,比如我讲话的时候,我的语言区有许多细胞都会产生这样的神经冲动,您在听的时候,你们的听觉区也会产生许多神经冲动。但是产生的生物电并不是直接以电的形式流过连接点,这些冲动到达细胞的轴突的终端使之释放一些化学物质,这些化学物质叫做神经传递物质,或者简称神经递质。这种递质释放后越过突触间隙,与第二个神经元细胞膜上的一种物质———受体结合,这样就把一个细胞的信息传递到第二个细胞上去。打一个比较形象的比喻,就像一辆汽车行驶到河边的时候,不是通过河上面的桥直接过去,而是把上面所载的东西卸下来,放到船上去,然后这船再把所载的信息传递给下一个细胞。这样的化学传递具有一个非常突出优点即相当高的灵活性和可塑性,这也是我们的大脑具有可塑性的根本原因。我们的思维之所以不断地被环境、经验所修饰,能够学习,记忆就在于我们的脑具有可塑性。



  记者:感觉和知觉是大脑的基本功能之一,也是我们认识客观世界的基础,这个过程是如何形成的?



  杨雄里:我们通过视觉、触觉、味觉、听觉、嗅觉等感觉的基础是相应感觉系统的活动———接收感觉信号经感觉通路中各种神经回路的复杂加工处理,最终引起感知。这个过程就是脑科学的关于感觉研究的重点,感觉神经生物学研究就是阐明感受器中的信号转导,信息在感觉通路和回路中的传递和调控,中枢对感觉信息的分析、整合。比如视觉,它是最重要的感觉,至少有70%的外界信息是由视觉系统接收、处理和感知的,视觉信号经视网膜的神经网络处理后,由视神经向中枢传递,通过丘脑外侧膝状体后到达视皮层。在视中枢进行复杂的信息加工,最终导致视知觉,研究还发现,在视网膜水平上已经开始了图像信息处理,从很多意义上来看,视网膜都是研究脑的工作原理的较理想的切入口, 视觉研究已跃居于神经科学的前沿。



  记者:大脑的众多功能中,学习和记忆是人的思维的基本环节,没有学习和记忆,智力就得不到发展,而其中的“记忆”尤其让人觉得奇妙、有趣。那么大脑的哪个部位在掌控着“记忆”?



  杨雄里:学习是脑的高级功能之一,它是通过神经系统不断接受刺激,获得新的行为、习惯和积累经验的过程。记忆则是将获得信息加以储存和再现的能力。记忆有两种,一种是显性记忆,对事实和所经历的事件的记忆,作出明确的、有意识的努力,如记住了某人的生日、某事件的过程;另一种是隐性记忆,指不上升到意识而是下意识的,如掌握了某种技能(骑车、打球等)。哪些脑区参与了学习与记忆过程,这是研究学习与记忆机制一个重要方面。从目前的研究结果来看,记忆的不同侧面(如对某一物体的颜色、大小、形状等不同侧面的记忆),是以平行的方式安放的、并不存在单一的记忆区,而是分布在许多不同的脑区。同时,有不同层次的回路参与活动。用条件反射等方法研究隐性记忆时,人们发现,不同的隐性记忆所利用的脑区是不同的。例如,运动技巧类的记忆,与基底神经节、小脑有关;带有情绪色彩的记忆,例如,因惊恐而引起的心跳变化的那一类记忆,与杏仁体有关,这是因为杏仁体是大脑边缘系统的一部分,而边缘系统与情绪有密切关系。涉及显性记忆的脑区可能更广泛也更复杂,因为它多半涉及到认知、语言表达等活动方式。国外有一位癫痫病人,接受了外科手术双侧记忆颞叶切除术,大脑两侧的杏仁体、钩回、海马回及海马前2/3都被切掉。结果发现,此人在智商(测试)、知觉、抽象思维或推理方面,均无不足之处,但他的显性短期功能已严重受损。通过研究发现,位于两侧大脑半球内面的结构———海马和杏仁体是记忆过程中的关键结构 。



  对记忆和语言的神经机制的研究表明,我们应该了解自己的能力倾向,根据兴趣和爱好更好地发挥大脑的潜能



  记者:为什么我们的记忆会出现“转瞬即逝”和“终生难忘”,甚至失忆的不同情况?我们每个人渴望变得更聪明,脑科学能否告诉我们如何才能学得更好、记得更牢?



  杨雄里:从神经生理方面分析,神经元的突触水平即突触活动的“长时程增强”是学习、记忆的神经基础。从神经化学分析,脑内蛋白质合成及多种神经递质参与学习和记忆的过程,如胆碱类、多巴胺类、神经肽类。研究表明,记忆的长短与刺激程度有关。长期记忆需要生成新的蛋白质,而较强的刺激可以引起蛋白质水平的巨大变化,有的变多,有的变少,导致突触的结构改变、功能增强,记忆也增强。而短期记忆通常没有新蛋白质的生成。另外,突触改变发生在大脑何种区域、神经递质的种类和神经传导通路的变化等,这些因素都可以影响记忆。由此我们说,如果你是凭着兴趣去接触某事、某物,这些事物为我们所热爱,那么我们就能记得更牢。



  记者:常听说大脑的左右半球的功能有所差异,到底有什么不同?



  杨雄里:大脑的复杂功能作用半球之间有一定的分工。通过对裂脑人的研究,使我们知道了大脑的侧化(分工)问题。所谓裂脑人,是指因久治不愈的癫痫发作而离断胼胝体和前交联的病人。由于这种离断手术,其大脑左右半球便不再存在信息的交换。实验显示,如果完全没有视觉的帮助,裂脑人受试者能够说出放在右手的东西的名称,但是,如果把东西放在左手,他就无法说出其名称……类似大量的研究表明,对于极大多数人来说,大脑左半球专门处理语言和符号信息,右半球在视觉性空间功能和情绪功能方面能力更强。



  记者:语言是人类特有的交流方式,也是人类大脑的特殊功能,对于语言神经机制的研究是否有着极重要的意义?



  杨雄里:语言功能主要是在左半球实现的,但是对于语言的生动表达,还需要右半球在内的其他脑区的参与。语言和其他认知功能,无法按行为学家所说刺激———反应的规律来解释,而是一种创造性过程:我们每次说话,都是主动地把自己的思想组织为词语,而并非重复存储的句子。这种能力是天生的,而非后天习得的,大脑一定有一个人类特有的语言结构。但对于语言的神经结构和机制我们还知之甚少,目前只知道大脑对语言信息的处理主要是通过三群相互作用的神经结构进行的。第一群包括左右半球众多的脑区,对机体和环境的非语言性相互作用形成表象,脑对这些表象进行归类,在分类的基础上形成另一水平的表象,直至形成概念。第二群主要在左半球,形成音素、音素组合和词的句法规则的表象。这些系统把词集合起来,形成句子。第三群是中介性的,也主要位于左半球,它能由概念来激发词型的产生。语言学家正在利用大脑成像等技术进行实验,并试图将实验结果与语言学成果相结合以加深探讨语言的生成规律。我们每个人的大脑存在着差异,有着自己独特的地方,这就需要我们能更好地了解自己的能力倾向,有意识地培养自己的能力,扬长避短,发挥自己的优势。



  记者:大脑的神经元细胞能不断更新吗?大脑的老化与什么有关?我们面临着老龄化问题,如何防止大脑功能过早地衰退?



  杨雄里:通常,神经细胞在出生后便不再增殖。随着老化,脑神经细胞的总数减少,但情况因脑区而异。例如,下丘脑神经元很少消失,但黑质和蓝斑的许多神经元会因老化而消失。在帕金森病患者中,这些区域的神经元会有70%以上受损,比正常老化时高得多,从而严重损及运动功能。此外,据估算,在人的后半生中,每10年海马就会丧失其5%的神经元。但是,并不是神经元发生的所有变化都是破坏性的。研究表明,海马和皮层的某些区域的树突在中年期和老年的早期(70岁)出现净增长,只是在80岁之后才开始萎缩。这初始的树突净增长,被认为可能反映了存活的神经元力图弥补因老化所引起的周围神经元的丧失,从而提供某种功能的代偿。这些研究提示,甚至晚年大脑还能对其神经元连接进行重组。脑的老化在细胞和分子水平上出现的多种变化如何影响智力、思维,目前的研究由于设备等原因还面临着困难,而且导致老年人智力减退是多因素的,因此不可能有任何单一的化合物来阻止或延缓智力的变化。



   人们发现,与年轻人相比,老年人脑的神经元的丧失、酶活性的降低或某些蛋白质、RNA的降低约为5%-30%,这个数字不算低,但是,这种随年龄的渐变性的降低对思维的影响似乎十分有限。研究表明,80岁高龄的健康老人的脑的活跃程度并不亚于20多岁的年轻人,这说明脑有相当可观的生理储备能力。研究还表明,脑的老化有明显的个体差异。著名剧作家萧伯纳在90岁高龄时,还显示了活跃的创造力,发表了多本剧作。但有不少老年人,虽然并无明显的病症,却较早就出现了智力衰退,这种个体差异的原因很复杂。对脑的老化进行研究的一个重要目标是改善老年人的智力状态。



  人的智力是不断发展的,具有创造性;计算机智能在某方面可以超过大脑,但不可能穷尽大脑



  记者:当今,电脑的性能日新月异,有人认为电脑有智能、有思维,您怎样认为?人工智能与人脑有什么区别,将来有一天能代替人脑吗?



  杨雄里:如果计算机程序可以完整地实现人类的思维所实施的某种功能,我们为什么一定要排除机器具有思维呢!有一天电脑的思维活动会不会超过我们人类呢?我认为,在某些方面,如逻辑推理、计算上已经超过了。象棋世界冠军输给电脑就是一个很好的实例。但是两者之间的区别是明显的,例如,这样一台电脑,看到“马”字以后,可以让它说出这是一匹马,但这种理解是形式上的,是机械的,不像人在大脑里会产生一匹马的形象。就是说,人的思维是有内涵的,是有其语意的。最重要的问题是,人类的智力具有创造性。什么叫智力?我们可以做一非常复杂的解释,但是我更倾向于瑞士心理学家皮亚杰做的一个简单但非常生动的定义:智力就是在你不知道怎么办的情况下动用的东西。这样的定义就反映了智力的创造性。我认为智力的发展是无限的;电脑的思维,机器的思维可以在各个方面无限地逼近人脑的思维,但是它不可能,永远不可能超过人的大脑,我们的大脑的思维是不断发展的。



  记者:请您介绍一下当今世界脑科学研究的状况和趋势。



  杨雄里:科学家已开始逐渐理解大脑的数百万个神经元如何通过相互作用控制着人类认知行为的产生,并综合运用多学科发展起来的最新技术如膜片箝等,从整体、系统到细胞、分子水平研究神经系统的基本过程和高级功能。对神经活动的基本过程———信号的发生、转导、传导、突触传递等的研究将进一步深入;对神经系统的发育和再生的研究继续成为研究的热点,各种感觉的神经回路和信息处理的化学基础将被奠定,而对脑的高级功能如记忆、学习的认识必须首先揭示由大量神经元组装的复杂功能系统的工作原理,这也是脑科学研究的长远目标。确定遗传对人脑的高级功能作用和后天环境的影响,也将成为脑研究的一个重要问题,可以说,脑研究的复杂性决定了在探索的进程中艰难,但研究中地突然的新发现也会大大改变进程本身,我们期待着对脑研究革命性的变化。



  背景:



  恩格斯讲过,思维是地球上最美丽的花朵。



  揭示人脑奥秘,探索意识、思维活动的本质,是人类多年以来孜孜以求的梦想。在中国科学院、新华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”中把认知神经科学领域列为第四大趋势。科学发展到今天,人类的大脑在很大程度上仍然是一块未知领域,这就激发了许多科学家的探索兴趣,脑的研究成为生命科学的重大前沿,受到各国政府和社会的高度重视和广泛支持,世界各国在脑科学方面的竞争激烈,1989年美国率先把20世纪的最后十年命名为“脑的十年”,欧洲各国也提出了相应的提议。日本1996年制定的“脑科学时代计划”是把了解脑、保护脑和创造脑列为脑研究的三大任务。我国十分重视脑科学研究,早在1992年就把“脑功能及其细胞和分子基础”项目列入国家科委组织的攀登计划。脑功能和脑重大疾病的基础研究又被列入国家“973计划”,许多项目成为国家优先资助的基础研究领域。



  用思维认识思维,21世纪,我们要走的路已经明确。



  大脑组成



  大脑半球:大脑表面是一层灰质,称大脑皮层(或大脑皮质),为大量神经元胞体集中的地方,大脑皮层之下为大脑的白质。大脑皮层上比较大的沟裂把皮层分为额叶、顶叶、颞叶和枕叶。在功能上,每叶都是一个特定的中枢,如颞叶———听觉中枢,枕叶———视觉中枢等。这些特定的中枢在整个大脑皮层上只占1/5的面积,其余面积属于联合机能区。



  间脑:位于大脑半球下部,包括丘脑和下丘脑。丘脑是皮层下的感觉中枢,除嗅觉外,其他感觉都在丘脑中转换后再到大脑。下丘脑则调节内脏的活动和体内物质代谢,是植物性神经较高级的中枢,和情绪反应有密切的关系。



  中脑:位于间脑、桥脑和小脑之间。背侧称为四叠体,是视、听运动的反射中枢。腹侧称为大脑脚,与运动和姿势的维持有很大关系。



  小脑:主要是调节各肌肉的活动,以保持身体的正常姿势。与运动协调有关。



  延脑(髓):在脑干最下端,同人的基本生命活动,如呼吸、心搏、吞咽、肠胃运动、排泄等有关,被称为生命中枢。



  人物档案:



  杨雄里,1941年10月出生,神经生理学家。1991年当选为中国科学院院士,2006年当选为第三世界科学院院士。先后任中国科学院上海生理研究所所长、复旦大学神经生物学研究所所长,2006年起任复旦大学脑科学研究院院长。《中国科学》编委。第十届全国政协委员。曾任中国生理学会理事长,亚太地区生理学联合会副主席,国家重点基础研究规划项目“脑功能和脑重大疾病的基础研究”首席科学家,《中国神经科学杂志》主编。兼任国内外20余所院校的名誉教授或客座教授。长期从事视觉神经机制的研究,获得多项成就,如与合作者首先报道视杆一视锥间电耦合因背景光而增强,被国际上列为上世纪80年代视网膜研究的突出成果等;已发表学术论文200余篇,专著5部,译著多部。