罗敏敏
北京脑科学与类脑研究中心联合主任
新基石研究员
中国神经科学学会副理事长
1、过去一百年间，神经科学产生了哪些基础的概念？
2、细胞之间，人脑是怎么连接的？
3、未来十年间，脑科学可能的两个出口：基因治疗和脑机接口。
人类的脑子其实看起来不那么强大，比如我的眼睛和手机的相机相比，手机相机动辄就5000万像素，人的眼睛大概120万像素，但眼睛可以看到很多细节，可以看到真实世界里不存在的东西。
人的脑子不仅可以感知外界的视觉，它可以完成各种各样的行为，控制各种各样的行为，比如睡眠、进食、性行为、攻击、体温调节这些本能性行为，也包括很多复杂的行为，学习、记忆、运动、知觉、语言、意识和社会行为。
人的脑子不仅功能很强大，另外一个特点是能耗特别低，好几位科技主讲人都曾提到新的高性能计算设施，能耗是一个很大的问题。比如，“天河二号”用了2.4万W度电/h，人脑只有15W，相当于一个冰箱、电灯泡的耗能。所以大家肯定很好奇，人脑是怎么做到用这么低的能耗做这么复杂的计算。
人脑很强大、很节能，也很容易出问题。事实上，人脑出的问题导致的精神疾病、脑疾病所占社会成本占所有疾病的25%以上，包括脑卒中、癫痫、帕金森、抑郁症、脑肿瘤、老年痴呆和精神分裂等等。
人的计算功能和人的脑疾病归根到底都是与脑有关，神经科学院是研究脑子的，脑是动物和人行为的生物学基础。上图所示（左图），不同动物脑子的形状，比如小鼠的脑子0.4g，人的脑子1400g左右。大家都说人聪明是因为人脑子大，我可以告诉大家，也不完全是。比如，大象的脑子可能是4kg左右，鲸鱼的脑子可能是9kg左右，是人脑的很多倍。从质量上来说，可能人不是最聪明的动物。
作为神经科学家主要研究的内容：
第一，研究神经细胞信息加工的分子细胞机制；
第二，神经细胞如何相互连接形成脑网络；
第三，这个网络的活动如何整合产生思维和行为；
第四，脑相关疾病的发生和治疗。
归根到底，我们是想认识脑、增强脑以及治疗脑。下面介绍一下，现在所知道脑科学的整体现状。
前不久，一年级的学生开学典礼，我跟他们说，我经常开玩笑，一年级的研究生都是“傻子”（其实我们都是傻子）。我们对人脑的了解非常少，过去一百年间，神经科学到底产生了哪些基础的概念？
人脑可以分为功能分区，比如加拿大神经外科医生Penfield在做手术时用电刺激脑子不同区域，发现脑子可以分为运动区域、感觉区域。感觉区域可以分为视觉感觉、听觉感觉、触觉感觉，触觉感觉里又有负责脑、手感觉的区域，有负责头部感觉的区域，所以有比较强的功能分区。
如果有些病人不小心脑出血，特定的脑区出问题了，知道某个脑区哪些功能受损，了解到不同的脑区参与不同的功能。大体上，可以把人脑分为将近600个区域，大部分脑区的功能或多或少都有所了解。当然，有些脑区的功能可能比较复杂，我们给它取名“联合区”。如果把一个脑区作为一个计算工作站，脑区和脑区之间还有很多“网线”连起来，就是所谓的神经纤维连接。可以看到，上图右边是全脑的、不同脑之间的神经纤维的连接。
神经元是脑内的一类特定的细胞，它们可以通过轴突接收信息，通过长长的轴突把信号传出去。这个轴突可以很长，比如控制脚趾头的运动神经元，可能在脊髓，如果人高一点，比如篮球运动员的那根轴突可能1米多，才能控制他脚趾头的运动。
人脑有860亿个神经细胞，我们会觉得很多，但手机芯片里的CPU就有十几亿个计算单元、晶体管，小鼠有7000万个神经细胞，斑马鱼或果蝇有10万个神经细胞。10万个神经细胞可以做非常复杂的计算，如果不信的话，可以去抓一个果蝇看看，抓不住它。
神经信号主要是通过电信号，比如神经细胞会发一个动作脉冲，这个脉冲叫做动作电位。如果把神经信号放在耳机上听的话是咚咚咚、嘣嘣嘣，嘣一下就是一个动作电位，我们也知道动作电位产生的数学模型以及分子机制。人类的思维无论多复杂，或者多么抽象，无论是宗教还是哲学，无论是情感还是记忆，归根到底是由神经细胞的电活动来完成。当然，也可以通过改变神经细胞的电活动来改变动物的行为或人的思维。
视频动画演示的是人脑在思维或做事情的过程中可能产生的电活动，不是某一个点，而是波浪式持续波动。人脑的运动就像水一样持续不断地流动，是不会停歇的，只要一个人活着，一个动物活着，这个电活动就是持续着的，包括在睡眠过程之中都有电活动的存在。
过去二十年间，神经科学取得的一些最重大的进展主要是在技术上的进展。可以通过大规模的光学成像来看不同特定类型的神经细胞，在运动或清醒过程当中发生什么变化？比如，可以戴微型显微镜观察小鼠的海马，小鼠刚才在走动时一闪一闪的，就是每个神经细胞兴奋的过程。
我们除了理解到神经细胞的电活动很重要，也对它电活动的分子基础有了很好的理解。我们都知道，神经细胞膜上有很多离子通道，所谓特殊蛋白，它们的开放导致细胞导电性的变化，从而导致动作电位的变化。细胞和细胞之间的传递主要是化学传递，一个细胞激活之后通过释放一个神经递质影响下一级的神经细胞。
脑区和脑区之间有很复杂的连接，脑区里有很多神经细胞，人脑有860亿个神经细胞。细胞之间，人脑是怎么连接的？这是最近神经科学领域里非常大的研究热点，所谓的连接组学。我们很想搞清楚不同脑区之间，不同的神经细胞到底是怎么连起来的。
静态的连接虽然是现在脑科学的一个研究热点，但仅仅是研究里所需要解决的很小一部分。人脑的连接、神经系统的连接就像今天听到的很多人工智能的人工神经网络系统一样，细胞和细胞之间的连接是动态的，这个动态可以随着发育发生变化，可以随着衰老发生变化。另外是随着经验，也就是人工神经网络里经常说到的一句话，细胞和细胞之间的连接可以随着经验而产生连接的权重调整，这种权重的调整就形成了我们的记忆和学习过程。
过去几十年间，我们对神经细胞之间连接的理解，事实上对现有的类脑计算带来很多启示。他们都是大规模的并行计算，刚才讲到Hybrid系统，都是模拟信号，比如神经递质的释放和数字信号，比如动作电位和脉冲混合的计算，它是精细连接和动态调整，可以形成学习；另外是存算一体，计算和存储相结合的；最后一点是我们的计算兼具模糊性和准确性。
人脑是带有偏见的客观，比如这个房间灯照在我的眼睛里，其实我看下面不是看得很清楚。因为我站在这个房间里，对这个房间有预期，下面很多模模糊糊的、圆形的东西我知道是人脸，但是假设我如果站在一个玩具店里，我大概知道这个圆的东西可能是玩具。环境影响了我们计算的感知判断。
因为这是面向未来的讨论，也是科普的报告，从我这个角度理解，面向未来100年的科学是关于如何认识脑、提高脑以及治疗脑。
脑科学最重大的机遇是新技术层出不穷，有新的电生理技术、成像技术、光遗传学技术、化学遗传学技术，很多技术是跨学科的整合，像生物学、信息科学、计算科学、光学、电子、化学等都得到了很广泛的应用。现在可以精确地追踪、刺激、抑制、记录大规模的神经网络，来解析神经环路和行为的因果关系。
原来我做学生的时候，一个电极大概可以记一个神经细胞的活动，现在动不动就往脑子里“插”一千根电极甚至几千根电极，通量已经有非常大的进步了。刚才说到，小鼠脑子里有7000万个神经细胞，人脑有860亿个神经细胞，一次记1000个不是什么了不起的事，但对比过去二十年间，这个通量已经有好几个数量级的提升。
有了大规模电生理的记录，现在可以记录人在清醒、运动、思维过程中某些特定脑区的电活动，来解码这个电活动所对应的感知或运动，并实现控制，这样就可以达到所谓的脑机接口。
脑机接口系统也是北京脑科学类脑研究中心要研究的一个很重要的课题，一个跨学科的、有组织的科研。比如脑中心的崔翯研究员，通过这个视频可以看到，猴子脑子里有大量的神经细胞，通过神经细胞解码并截获一个动态的外界目标。
随着新技术的发展和完善，脑机接口系统可以用来监测、替代、康复以及增强很多人的思维。还有很多需要解决的问题，比如长期的稳定性、生物的兼容性、大规模数据的实时处理，也需要用到很多计算科学、电子科学的整合。
另一个新的技术是大规模光学成像技术，包括清华大学戴琼海老师，北大的陈和平老师等，都开发出新型显微镜以及新型探针，这些探针允许我们通过光学手段来观察人或动物在运动过程中神经细胞的活动。
左图是北大的唐老师用双光子显微镜观察猴子的视觉皮层，给它不同刺激时，一亮一亮表示神经细胞的兴奋。右图是我们实验室插了一个光纤到脑子的特定脑区了，所谓的奖赏中枢，看到这些奖赏中枢可以被各种各样的奖赏所激活，包括食物、水，也包括性行为，比如公小鼠每次和母小鼠交配时可以看到强烈的激活信号。
最近二十年间的一个技术发展是光遗传学，我们的神经细胞一般来说不会被光激活，但是大自然界里很多东西可以被光激活，可以把对光敏感的探针表达到神经细胞里，这样神经细胞的电活动就可以用光来调控，形成所谓的光遗传学。
我们可以把光遗传学探针表达到脑子里不同脑区去，插一根光纤来激活不同脑区，看行为的变化，从而理解这个脑区所参与的主要行为功能。比如，可以拿一根光纤激活奖赏的脑区，每次小鼠进入特定区域后，小鼠是激活的，我受到了奖赏，划地为牢。我们找到了攻击的中枢，笼子里放一些蟋蟀，小鼠平时不敢进去，一旦激活攻击中枢，它就开始疯狂捕杀蟋蟀，而且这些蟋蟀只是捕杀，并不会吃掉。
视频里可以看到，找到向前冲的中枢，一激活，最左边的是往前冲，左边第二个是往后退，还有左转，还有右转。
可以通过光纤的手段记录特定脑区对运动的控制信号，同时转化为一个命令式的信号，来激活另外一个脑区，形成脑脑接口。这样，一个小鼠可以控制另外一个小鼠，像阿凡达似的，可以在一个房间里记录一个小鼠的信号，同时把这个信号注入到另外一个小鼠里面去，可以看到两个小鼠运动实现了高度的同步。
这有什么用？大家可能会想，你不会给我脑子里插根光纤吧？有可能。一个比较现实的事情就是用来做复明，比如把一个盲小鼠表达上有一个光明探针，这个小鼠就可以感光了。我们现在在医院做这个临床试验，一些盲人就可能通过这个技术重新感光。
除了光的控制还有化学、遗传学的控制，我们可以在特定脑区里表达一个探针，可以用药来调节神经细胞的电活动。比如，我们用这个手段可以让一个小鼠狂吃，变得非常肥胖，也可以让这个小鼠不吃，变得非常消瘦。如果用这个手段，所谓的分子学基因治疗手段，可以非常精确地调节神经细胞电活动，来达到对行为的控制。
过去几年间，分子生物学有很多进展。神经细胞可以分为上千种类型，而不是简单的兴奋和抑制。此外，也有很多新型基因编辑技术，可以再对神经细胞的基因实现编辑，可以改变基因组的表达。在某些特定疾病里，如果是基因的变化，可以通过活体的基因编辑来达到治疗的效果。
现在AI在各领域得到了广泛的应用，AlphaFold让我们知道几亿个蛋白的结构，基于AI的药物开发也逐渐进入脑神经科学领域里，我们也期待AI可以推动药物的设计和药物的研发。可能在所有的靶点明确的疾病里都可以得到应用，需要解决的问题当然很多，还可以做很多学科的合作。
未来十年间，脑科学可能的两个出口，一个是基因治疗，另外一个是脑机接口。基因治疗在动物里已经得到大量广泛的应用。最近欧美也批准了第一款针对脑类的基因治疗方案，期待在这个指导之下，可以开发出更多的药物。
过去一百年间，我们已经理解了脑神经系统大体的概念。过去二十年间，我们也有很多新的技术。未来如果有更大的科学突破，我们需要有更多的技术突破，包括全脑大规模的精细记录，全脑神经环路的准确重构，多脑区协同的控制，脑分子表达图谱及相关病理变化做出理解，包括用大数据分析，来探寻脑的基本计算原则。
现在，脑科学已经有了比较深刻的、更好的理解，在分子水平、细胞水平、环路水平和系统水平，也有一些新的技术突破，我们有大规模记录、影像、调控、测序、基因递送、基因组编辑、AI等技术手段。部分技术可能允许我们很快形成新疗法，我们认为，国内已经有比较好的基础，有很好的人才、学术以及医疗机构，比如天坛、宣武都有世界最顶尖的大规模医院，也有新的产业，需要基础研究和临床紧密结合，需要多个领域紧密结合，从而开发出革命性的新疗法。
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