什么是脑科学？发展历程及发展趋势介绍

2021-06-11 15:39:55 作者：X-iao 3394

1、什么是脑科学

狭义的脑科学一般指神经科学，是为了了解神经系统内分子水平、细胞水平、细胞间的变化过程，以及这些过程在中枢功能控制系统内的综合作用而进行的研究。

脑科学过去一般被认为就是神经科学。但随着脑科学外延的不断拓展，神经科学已不能囊括脑科学的全部要义，而仅仅被认为是狭义的脑科学。广义的脑科学主要研究人和动物大脑的结构和功能，防治神经和精神疾患，发展模拟人脑部分功能的神经计算机。

2、脑科学发展历程

(1)混沌阶段(16世纪之前)

早在古希腊时期，著名医生阿尔克迈翁(Alcmaeon)发现眼睛后部与大脑相连，从而发现了视神经，但其对脑的认识仍以主观想象为主。另一位医生希波克拉底认为，人的情绪和感觉均源自于脑，大脑是人类神智的载体。与希波克拉底相反，亚里士多德则认为神智在心而不在脑。此后，关于神智、灵魂、精神及元气的争论长达数世纪之久，人们对脑的认知一直停留在感性层面。

(2)萌芽阶段(16世纪初至19世纪初)

文艺复兴时期，达·芬奇(L.da Vinci，1452~1519)通过人体解剖绘制出了大脑的4个脑室。1543年，维萨留斯(A.Vesalius，1514~1564)编著出版的《人体构造》对脑室进行了完整的描述。1664 年，英国医师托马斯·威利斯(Thomas Willis，1621~1675)出版《脑的解剖学，兼述神经及其功能》，其中插图与现在神经解剖学教科书上的解剖结构图基本相同。进入18世纪，生理学研究方法被应用到脑科学研究中。脑的兴奋性与肌肉反应之间的关系、信息传递工作原理成为研究热点。但在蒙昧、迷信的时代环境下，人们对脑的研究主要还是以零散的、偶然的发现为主，主动的、有意识的脑科学研究异常艰难，科学成果自然也寥若晨星。

(3)开拓阶段(19世纪初至20世纪60年代)

19世纪，脑科学进入快速发展阶段，取得了一系列开拓性成就，如生物电的发现、神经元学说的创立、脑功能的定位、神经网络学说的创立等。20世纪前后，人们对脑功能的研究取得突破性进展，尤其是乙酰胆碱的发现，加快了脑信息传递机理研究的进程。英国分子生物学家查尔斯·斯科特·谢灵顿(Charles Scott Sherrington)将神经元之间的结构命名为“突触”，认为突触是神经元之间信息沟通的“桥梁”。随后，约翰·艾克尔斯(John Eccle)与理查德·克里德(Richard Stephen Creed)证实了抑制性突触的存在。

20世纪50年代至60年代，科学家发现大脑皮层内和皮层下的边缘系统，组成了一个复杂的神经网络，来控制情绪的生成和表达，以及情绪记忆的形成、存贮和提取，从而建立起了相对完整的脑功能图谱。

(4)大发展阶段(20世纪60年代至今)

20世纪60年代，脑科学正式成为一门独立学科，其研究范围几乎涉及到生命科学的所有领域。例如，1961年，贝克西(Bekesy, Georg von)因发现耳蜗内部刺激的物理机制而获得诺贝尔生理学或医学奖;1970年和1977年的诺贝尔生理学或医学奖分别颁给了脑信息传递功能与情绪产生机理的发现者和研究者，他们发现神经元之间并不直接接触，而是以电脉冲的方式进行信恩传递。

20世纪80 年代至90年代，脑科学在微观领域的细胞分子学研究、宏观领域的大脑皮层功能研究成就卓然。1981年，美国科学家斯佩里(Roger W.Sperry)因证明大脑左右两半球的功能存在显著差异而获得诺贝尔生理学或医学奖;1986年，意大利科学家利瓦伊·蒙塔尔奇尼(Rita Levi Montalcini)因发现神经生长因子而获得诺贝尔生理学或医学奖;1991年，德国科学家内尔(ErwinNeher)因发现细胞内离子通道、发明膜片钳技术而获得诺贝尔生理学或医学奖，其在神经突触传递和可塑性领域也非常权威。

除此之外，脑科学在视觉、听觉、嗅觉、脑损伤等方面的研究，以及在学习、记忆、语言、睡眠、觉醒等高级功能方面的研究，也取得较大进展。其中，瑞典科学家维瑟尔( Torsten N.Wiese)与美国科学家休伯尔(David H.Hubel)因阐明视觉系统形成的机理而共同获得1981年的诺贝尔生理学或医学奖。

3、脑科学发展趋势

随着脑科学的快速发展，全球需在信息共享、风险防范和道德伦理等方面加强合作，为脑科学创造更加健康有序、和谐稳定的发展环境。

(一)绘制高分辨率脑图谱将是脑科学研究的重要方向

脑图谱绘制将向微观和宏观两个方向延伸。在微观层面，通过绘制人脑细胞结构图谱，已从人类大脑皮层“颞中回”鉴定出75种兴奋性和抑制性神经元;通过重建1000多个神经元并追踪其在大脑中的分支路径，构建了最大的神经元数字集合。在宏观层面，模拟出完整的小鼠脑图谱，建立了脑细胞分子、解剖和生理注释的3D通用脑细胞图集，构建了小鼠大脑综合神经环路图;已绘制出人类小脑的高分辨率图谱。除此之外，脑科学与人工智能技术融合，为建立从机器感知、机器学习到机器思维、机器决策的颠覆性模型和工作方式提供了可能。

(二)类脑芯片将成为信息技术的重要发展方向

信息技术的快速发展为脑科学研究提供了强大的支撑工具，脑科学的进步反过来又会推动相关信息技术的发展。例如，近年来类脑计算成为信息技术的重要发展方向，以人脑为原型的类脑芯片逐渐成为研究热点。这就需要研发基于非常规计算的芯片架构，使芯片具备类脑功能，以满足新型智能体的脑机融合需求。构建类脑计算机不仅有助于更加高效地处理、利用海量脑数据，从而更好地实现脑机融合，进一步完善类脑芯片的设计与实现，研发基于非常规计算架构、具备类脑功能的、新型的智能体与机器人。

(三)治疗脑疾病的新方法将受到资本市场的青睐

目前，脑科学的产业化应用主要有三个方向，一是神经监测与成像检测，二是神经疾病治疗与调节，三是脑控制与模拟。其中，治疗脑疾病的新型药物无疑将极大造福人类，因而受到资本市场的青睐。近十年来，脑科学领域的融资活动主要集中在脑疾病治疗与药物研发、脑信息监测与检查两大方向。如美国蒙特利医疗公司(Monteris Medical)开发了可帮助外科医生消融脑肿瘤或脑部病变组织的NeuroBlate®系统，因而受到资本市场的追捧，融资金额已超过1.2亿美元。

(四)加强国际合作是推动脑科学健康发展的重要途径

为推动各国脑计划协同合作，美国、欧盟、日本、中国、加拿大、澳大利亚、韩国于2017年组建了国际脑科学计划(International Brain Initiative，IBI)组织2019年3月，中国科技部在上海主办了IBI的国际脑科学计划协调会议。与会各国研讨了IBI的发展方向、运行模式和实施路径，就推动脑科学国际合作、促进脑科学新发现与技术进步、提升人类福祉等问题进行了探讨。未来，IBI将建立有利于研究成果转化应用的创新合作机制，重视人脑与认知相关的数据隐私及多方数据共享，建立符合科学伦理的监管机制，推动脑科学领域成果的教育与普及。

来源：《众诚智库：2021年全球脑科学发展报告(37页).pdf》