17、大脑：一片尚未完全探索的森林

大脑：一片尚未完全探索的森林

1. 大脑与思维运作的多种理论和观点

随着时间的推移，人们对大脑的类比不断变化。在20世纪60年代中期，大脑被比作电话交换网络；80年代中期，它被与数字计算机相提并论；到了90年代末，又被认为类似于大规模并行数字计算机；最近，大脑还被比作量子计算机和万维网。

从根本层面讲，大脑由众多相互连接的神经细胞（神经元）组成，这些连接构成了大脑产生记忆和学习的基础部分。不同领域的科学家对大脑和思维的运作提出了多种见解：
- 大脑作为联想网络 ：神经元的大量相互连接使许多人认为大脑以联想网络的形式组织，并受强化或联想规则等支配。
- 大脑具有多种分布式功能 ：已故的卡尔·拉什利教授（1890 - 1958）认为大脑的功能并非局限于某一区域，而是分布在整个大脑。例如，记忆功能在大脑皮层中广泛分布。
- 大脑作为动态系统 ：一些科学家假设大脑的电活动可以用动态系统理论来描述，由此衍生出以下观点：
- 混沌动态系统 ：大脑被视为混沌动态系统。
- 大脑作为振荡器网络 ：神经元是振荡器，它们调节其他细胞或细胞网络。大量神经元很少或从不“放电”，而是传播慢波分级离子电位。
- 大脑由多种智能组成 ：霍华德·加德纳教授提出人类具有一系列相对自主的智能，如语言、逻辑、空间、身体动觉、音乐、人际和内省智能。
- 大脑作为地图机器 ：实验表明，哺乳动物视觉皮层中的神经元根据其功能特性组织成多个地图，如视网膜拓扑图、眼优势图等。从视觉皮层的研究可以推断，大脑是一个地图机器。
- 大脑作为信息处理系统 ：大脑拥有神经网络，形成了大规模并行信息处理系统，这也是许多计算科学家的观点。

2. 大脑研究的开放性问题

目前，大脑研究仍存在许多开放性问题，没有人能完全声称已经理解大脑如何工作以及如何产生思维。
- 生化和分子机制 ：虽然我们知道大脑不同部分的一些功能，但对激活这些功能的生化和分子机制以及它们如何相互作用知之甚少。
- 大脑电路的精细结构 ：大脑中具有相似功能的神经元被组织成功能柱，但每个柱中的神经元并不相同，它们的连接方式复杂，这给研究带来了新的挑战。
- 追踪大脑“线路” ：追踪大脑的“线路”并非易事，需要特殊的仪器和技术来在纳米级分辨率下成像大脑结构。
- 大脑区域的相互连接 ：大脑各区域之间的相互关系尚不清楚，例如视觉和听觉通路之间的联系，以及大脑区域之间如何传递信息。
- 大脑区域的精确定位 ：大脑表面复杂，每个人的脑回和脑沟存在差异，这使得准确比较不同人的大脑区域功能变得困难。目前有四种检测大脑区域相同性的方法，但数据之间存在差异。

检测方法	具体内容
归一化到三维坐标	将受试者的大脑转换为标准化坐标
脑沟和脑回地标	根据大脑的曲率和形状，基于明显的脑沟和脑回地标进行定位
细胞结构	通过细胞类型、大脑层和大小等特征来描述大脑区域
创建大脑平面地图	可视化大脑活动的一种方式

3. 神经科学中的测量仪器

3.1 测量大脑电信号的仪器

• 脑电图（EEG） ：通过放置在头皮上的电极记录大脑的电活动，产生的连续轨迹称为脑电图，代表大量神经元的电信号。
• 事件相关电位（ERP） ：是EEG记录的一种特殊情况，记录大脑对特定事件的反应。

EEG和ERP的优点是测量成本低且非侵入性，具有较高的时间分辨率。但它们也存在局限性，如空间分辨率差、难以区分神经元活动类型、受背景噪声和脑噪声影响等。为克服这些局限性，可以使用大量电极进行三角测量和去除噪声，但目前这些技术仍不完善。

3.2 使用磁场的仪器

• 磁共振成像（MRI） ：在20世纪30年代被发现，70年代开始用于医学诊断，可用于确定大脑大小，使用强磁场，但附近的金属植入物或物体会影响磁场读数。
• 功能磁共振成像（fMRI） ：自20世纪90年代以来在人类大脑映射领域占据主导地位，通过测量血液中的平均含氧量来生成大脑活动的统计图像。其优点是非侵入性且具有较高的空间分辨率，但时间分辨率差，解释数据存在挑战，空间分辨率不足以解析单个神经元的活动，且fMRI信号与神经元信号之间的联系尚未完全理解。
• 扩散磁共振成像（包括扩散张量成像DTI） ：用于测量组织中水分子的受限扩散，可观察大脑组织中水分子的布朗运动。但该技术存在图像空间分辨率低、纤维交叉和弯曲难以区分、图像失真等问题。为克服这些问题，可以采用基于模型的方法和与模型无关的方法。
• 脑磁图（MEG） ：通过记录头皮上的磁电位来索引大脑活动，不受大脑组织、脑脊液、头骨和头皮厚度变化的影响，具有良好的时间分辨率。但大脑中的磁场非常微弱，需要高度屏蔽的房间，且无法检测某些方向的细胞活动，空间分辨率差。
• 经颅磁刺激（TMS） ：通过放置在头皮上的线圈产生聚焦磁场脉冲，刺激底层神经元。它可以确认病变方法的研究结果，但只能刺激大脑表面区域。

3.3 使用放射性物质的仪器

• 正电子发射断层扫描（PET） ：通过注射短寿命的放射性示踪剂同位素来观察大脑的代谢活动，可绘制大脑的血流图。但它是一种侵入性技术，不适合对同一受试者进行多次扫描，获取图像的时间受同位素半衰期影响，需要昂贵的回旋加速器，且对一个人的大脑活动成像不足。
• 单光子发射计算机断层扫描（SPECT） ：分辨率比PET差，获取图像的时间更长，也是一种侵入性方法。

3.4 使用光学的仪器

光学成像通过测量皮质光反射率的变化来获取大脑信息。

mermaid流程图：

graph LR
    A[测量仪器] --> B[测量电信号]
    A --> C[使用磁场]
    A --> D[使用放射性物质]
    A --> E[使用光学]
    B --> B1[EEG]
    B --> B2[ERP]
    C --> C1[MRI]
    C --> C2[fMRI]
    C --> C3[扩散MRI]
    C --> C4[MEG]
    C --> C5[TMS]
    D --> D1[PET]
    D --> D2[SPECT]
    E --> E1[光学成像]

4. 测量仪器的局限性总结

不同的测量仪器在大脑研究中都有其独特的作用，但也都存在一定的局限性，以下是对这些局限性的总结：
|仪器类型|局限性|
| ---- | ---- |
|EEG/ERP|空间分辨率差，难以分辨神经元活动类型，受背景噪声和脑噪声影响大|
|fMRI|时间分辨率差，解释数据有挑战，空间分辨率不足以检测单个神经元，信号与神经元活动关系未完全明确|
|扩散MRI|图像空间分辨率低，纤维交叉和弯曲难区分，图像有失真|
|MEG|需高度屏蔽房间，无法检测特定方向细胞活动，空间分辨率差|
|TMS|只能刺激大脑表面区域|
|PET|侵入性技术，不适多次扫描，受同位素半衰期影响，需昂贵设备，成像不足|
|SPECT|分辨率差，成像时间长，侵入性|

5. 解决测量仪器局限性的方法分析

为了克服测量仪器的局限性，科学家们提出了一些方法，以下是对这些方法的分析：
- EEG/ERP ：
- 使用大量电极进行三角测量 ：通过增加电极数量，试图更精确地定位大脑电活动的来源，但目前精度仍不理想。
- 去除噪声 ：如使用独立成分分析（ICA）和约束盲源分离算法（CBSS）去除眨眼伪影和电源线噪声，但这些技术仍不完善。
- 扩散MRI ：
- 基于模型的方法 ：需要对局部纤维配置有一定的先验知识，如多纤维高斯张量和球卷积技术。
- 与模型无关的方法 ：如Q球成像，可重建方向扩散函数，据说能解析亚体素结构。

mermaid流程图：

graph LR
    A[测量仪器局限性] --> B[EEG/ERP局限性]
    A --> C[扩散MRI局限性]
    B --> B1[使用大量电极三角测量]
    B --> B2[去除噪声]
    C --> C3[基于模型方法]
    C --> C4[与模型无关方法]
    B1 --> B11[精度仍不理想]
    B2 --> B21[技术不完善]
    C3 --> C31[需先验知识]
    C4 --> C41[可解析亚体素结构]

6. 大脑研究的整体挑战与展望

大脑研究面临着诸多挑战，从对大脑运作机制的理论理解到测量仪器的技术限制，都给科学家们带来了巨大的困难。然而，这些挑战也为未来的研究提供了广阔的空间。
- 理论整合 ：目前关于大脑的多种理论和观点，如大脑作为联想网络、动态系统等，需要进一步整合，以形成更全面、统一的理论框架。
- 技术创新 ：开发更先进的测量仪器和技术，提高空间和时间分辨率，减少噪声干扰，是解决当前研究瓶颈的关键。
- 跨学科合作 ：大脑研究涉及多个学科领域，如神经科学、计算机科学、物理学等，加强跨学科合作有助于综合各学科的优势，推动研究的进展。

通过不断地探索和创新，我们有望逐渐揭开大脑这片神秘森林的面纱，深入了解大脑的工作原理和思维的产生机制。

总之，大脑研究是一个充满挑战和机遇的领域，未来的研究需要科学家们共同努力，不断突破现有的局限，为人类对自身的认知带来新的飞跃。