第1章 绪论

如果有人告诉你大脑是个小宇宙，宇宙是个超级大脑，你能理解吗？你会相信吗？曾有研究证明大脑细胞的生成过程和构造与宇宙几乎一模一样。人脑被称为“三磅的宇宙”，它虽然就在我们体内，人人都有，但却难以琢磨而又令人神往。人脑的重量大约相当于一包糖，但却以相当于15W灯泡消耗的能量高速运转，是宇宙中已知最复杂、最精密的信息处理机器。大脑是人类思维活动的中枢，是接收外界信号、产生感觉、形成意识、进行逻辑思维、发出指令及产生行为的指挥部。20世纪最伟大的生物学家、脱氧核糖核酸双螺旋结构的发现者之一、诺贝尔奖得主Crick曾说过：要想正确地理解人类在周围这个极其广袤和复杂世界中的地位，就必须要比较细致地认识我们的脑。对人类而言，在科学研究中没有比研究自己的脑更重要的了，我们对整个世界的认识都依赖于它。另一位诺贝尔奖得主Edelman也曾说过：脑科学将奠定即将到来的新时代的基础，这些知识使我们可以医治大量疾病，建造仿照脑功能的新机器，对我们自己的本质和我们如何认识世界都会有更深入的理解。探索和揭示大脑的内部工作机制一直都是人类认识自然和认识自我的极具挑战性的重要科学命题。

脑科学是研究脑认知、意识和智能的本质与规律的科学，是要回答脑是怎样工作的，智力和创造性是怎样产生的，人类怎样成为有感情、有个性、有社会性的生命个体等问题的科学。脑科学被称为人类理解自然和人类本身的“终极疆域”，是21世纪最重要的前沿科学之一。科学界甚至认为，把研究人脑的神经科学称为“人类科学最后的前沿”也毫不为过。脑科学研究的最终目的是在各个层次上阐明人脑的结构和功能，以及行为和心理活动的物质基础及机制，提高对神经系统疾患的防治水平。深入理解脑运行机制不仅可以揭示人脑的高能效、高可靠性之谜，破译人机界面智能化的世纪难题，而且有助于脑疾病的诊断和治疗，具有重大的研究意义。

脑科学研究被发达国家视为科研领域“皇冠上的明珠”，成为近年来发展最快的学科之一。20世纪90年代初，以美国为主，欧洲国家、日本等以“脑的10年”计划为标志，掀起了脑科学研究的热潮。耗资100亿美元、总部设在巴黎的“国际人类前沿科学计划”被视为和美国的“战略防御计划”、欧洲的“尤里卡计划”鼎足而立的三大科学计划之一，而脑科学研究是“国际人类前沿科学计划”的重点研究方向。我国自20世纪80年代开始展开对脑科学的基础研究，对该领域的资金投入也逐年增加。国家科技部启动了“脑功能及其细胞和分子基础”“脑发育和可塑性基础研究”“脑结构与功能的可塑性”等一系列与脑科学有关的“973计划”项目。同时，中国科学院“知识创新工程”也开展了“脑-智科学交叉前沿研究”。

人类在探索自然界奥秘的过程中，面临的最大挑战大概就是对脑的认识，这不仅包括对脑的生理性疾病（脑梗死、脑肿瘤等）的认识，更重要的是对脑的功能障碍（失语、智力障碍等），甚至是脑的高级活动（记忆、理解等）的认识。其中最困难的是按照怎样的一个理论框架才能逐步研究出脑的功能状态，或者说从脑（神经）的工作原理中分析脑活动，最终揭示思维的奥秘。脑功能的研究之所以困难，不仅由于脑的发展历程极其漫长，脑结构极其复杂，需要诸多学科的交叉研究，还有一个原因就是窥测活体脑的工作过程极其困难。从解剖上看，脑被头骨封闭于其中；从生理上讲，血脑屏障阻止了从各种渠道影响脑工作因素的进入。因此，脑活动的观测多从行为实验出发，以及利用动物模型。但脑也留下了几个较少的观测活体的窗口，如脑电（Electroencephalogram，EEG）、脑磁（Magnetoencephalogram，MEG）等。如何在现代科技手段的帮助下，充分利用这几个信息窗口进行脑科学的研究就显得极为重要。

目前，在研究脑工作原理的方法中，应用较广泛的有借助于医学影像设备的功能成像技术，如正电子发射断层扫描术（Positron Emission Tomography，PET）、单光子发射层析术（Single Photon Emission Computed Tomography，SPECT）、功能磁共振成像术（functional Magnetic Resonance Imaging，fMRI），其优点是它们均实现了较高的空间分辨率。尽管如此，EEG/MEG在脑科学研究和临床应用方面仍有着不可替代的作用。首先，PET、SPECT、fMRI等被动型成像手段主要提供的是脑理化功能方面的信息，无法提供电生理功能的信息，而这却是EEG/MEG的优势所在。EEG/MEG是由脑内神经细胞群的电生理活动所产生的电势与磁场，经容积导体（由皮层、颅骨、脑膜及头皮等组织构成）传导后，在头皮表面的综合表现，它反映了脑的电活动及其功能状态。通过对EEG/MEG数据的反演研究，可以定量地提供脑内神经活动源的位置、强度及分布情况。其次，与对人体有侵袭性的其他技术不同（如PET、SPECT进入人体的示踪剂产生的放射线，以及fMRI的强磁场均对人体有一定的损害），EEG/MEG完全是检测生物体的自发（或诱发）信息，所以是一种真正的无创伤性的成像技术，具有广泛的应用对象（如孕妇、儿童），并且可以进行长期监测，为研究人员在人体正常活动的情况下提供了一扇窥视脑的窗户。另外，脑电磁技术对脑神经元活动的动态过程可以追踪到毫秒级，因为神经元本身在受到刺激后10毫秒内即可产生反应，而电磁信号的产生与神经的活动是同步的，所以EEG/MEG完全能够反映出脑神经随时间变化而改变的活动情况，从而实现对脑神经活动的实时检测。但PET由于受成像速度的限制（每次成像时间需1分钟），其时间分辨率很低，而fMRI在扫描数秒钟后才能监测到血流改变的情况（当神经产生动作时，供血量的变化在生理上会延迟几秒钟），因此用它们来观测毫秒级的神经活动不可能及时得到时间方面的信息。再者，PET、fMRI的成本过高（PET设备复杂，需配备小型加速器，并且现有示踪剂种类有限；fMRI设备要以每1T（特斯拉）花费100万美元的代价研制）。而MEG的检测设备也十分昂贵，这主要是因为脑磁信号极其微弱，磁感应强度在10-12～10-15T的范围内，仅为地磁场和环境磁噪声的十亿分之一。所以这些技术在应用普及上受到了一定的限制。但是记录和分析EEG所需的硬件设备就比较简单，且价格低廉，更经济实用。

就临床应用而言，EEG在确定癫痫、脑萎缩、脑血管病、昏迷、睡眠、颅内占位性病变等方面有着不可取代的作用，并且还可用于审核精神药物的作用位置、新生儿神经功能诊断等。特别是在探索脑的高级活动规律方面，可以根据对不同刺激的脑电响应确定脑功能分区的位置甚至范围，从而进行心理学和认知行为方面的研究。为了揭示脑是如何工作的这一谜团，需要应用大量的数学、物理学方法分析检测到的脑电数据，具有很强的多学科交叉特性。而随着对脑活动原理的更深入和更精确的了解，势必大大促进现代科技的进步，进而对社会经济生活的各个方面产生重大的影响。

EEG一般能够达到足够的时间分辨率（毫秒级水平），但所提供的空间分辨率却较低，这主要是因为由皮层、颅骨、头皮等组织构成的容积导体中，颅骨层的电导率极低，对头皮测量电位有很强的模糊作用，而这种空间模糊效应是不可能通过增加测量电极的数目来加以改善的。为了从EEG中提取出更准确的源的空间信息，人们通过对脑电正、逆问题的求解来提高脑电空间分辨率。所谓脑电正问题，是指在给出头颅内的脑电源分布特性和与神经兴奋传导有关的容积导体特性的基础上，求头皮表面电位；而逆问题则是根据测量到的头皮表面的电位信号，来推算脑中产生这些电活动的源的位置和大小。由电磁场理论可知，这两个问题的解决有赖于头部各组织结构的边界及它们的电导率分布情况。对于脑的实际形状可以通过MRI等解剖成像模式和图像处理技术获得。但遗憾的是，迄今为止尚无可行的方法直接测量活体脑的电导率，因此难以获得脑内各组织电导率完整而准确的描述。尽管如此，人们并没有停止前进的脚步，于是提出了均匀媒质球模型、真实头模型等多种近似处理方法，取得了较为理想的脑源定位结果。

人脑约有1011亿个神经元，每一个神经元会通过突触和其他神经元互相连接，神经元之间构成各种功能特异的神经环路，形成了一个高度复杂的脑结构网络。人脑的复杂性不仅体现在神经元和连接的数量上，而且体现在如何在不同尺度上进行连接，以及这种连接模式是如何产生认知功能、思想、感情及行为等的。在微观层面，最近的证据表明，人脑的功能是通过不同的时间和空间尺度上神经元之间的相互作用完成的。这样的网络结构和动态的相互作用产生人脑的生理活动，从而最终产生人类的认知行为。在宏观层面，越来越多的神经影像学研究结果表明，大脑的功能可以在由一些脑区组成的网络中得到体现，复杂而庞大的网络是大脑进行信息处理和认知表达的生理基础。

脑网络突破了以往将大脑看作离散解剖单元集合的研究方式，而是将大脑看作复杂的统一整体来研究不同时空尺度上脑网络拓扑结构、动力学属性等内容。脑网络作为脑功能的基础，是推进脑功能与脑机制研究的一个新方向，将为理解脑的信息加工过程及脑的高级功能提供全新的视角。在宏观和系统层面上对脑整合功能的研究已经成为当代神经科学发展的一个重要趋势。脑网络引起了全球多个国家的重视，许多国家相继开展了与脑网络相关的研究项目，试图在解密大脑工作的内在机制、阐明脑功能失调的原因并开发新的治疗方法等研究方面有所突破。

美国国立卫生研究院（NIH）于2010年推出了“人类连接组项目”（Human Connectome Project），旨在通过比较人脑各区域神经连接的不同以及如何由此导致认知和行为方面的个体差异，最终描绘出人脑的所有神经连接情况。2013年，美国奥巴马政府宣布开展“推进创新神经技术脑研究计划”（Brain Research through Advancing Innovative Neurotechnologies，BRAIN），旨在绘制显示脑细胞和复杂神经回路如何快速相互作用的脑部动态图像，有助于研究大脑对大量消息的记录、处理、应用、存储和检索，了解大脑功能和行为的复杂联系，最终用于治疗精神类疾病。欧盟委员会于2013年年初宣布，“人脑计划”（Human Brain Project，HBP）入选“未来新兴旗舰技术项目”，该计划的实施不但有助于脑疾病的诊断和治疗，而且可以揭示人脑的高能效、高可靠性之谜，对人工智能研发具有重大作用。2014年日本启动了“脑智（Brain/Mind）计划”，主要着重于对脑疾病的研究，目标是构建出有助于脑疾病研究的脑图谱。

中国早在2001年就加入了“人类脑计划”，成为该计划的第20个成员国。2010年1月，科技部正式启动了国家重点基础研究发展计划“基于影像的脑网络研究及其临床应用”，旨在建立基于影像的脑网络计算理论体系，从脑网络的角度为几种脑疾病的早期诊断和预后判断及疗效评价提供客观的高精度影像学指标。国家自然科学基金委员会医学部于2011年启动了“情感和记忆的神经环路基础”重大研究计划，主要支持“情感”和“记忆”二类认知功能及其障碍的脑网络表征及其相关技术的研究，该计划引入连接组、功能组等系统化的研究理念，结合临床情感和记忆障碍疾病特点，对情感和记忆的神经环路的结构和功能进行定量化描述，旨在揭示神经环路在重大神经/精神疾病发生、发展中的变化规律。中国科学院于2012年启动了“脑功能联结图谱”战略性先导科技专项（B类），主要支持“感/知觉”“记忆”“情感”和“奖赏”4类认知功能及其障碍的脑网络表征，以及所需要的先导技术研究。该计划力求完整地描述正常生理状态和生病状态下，大脑在承担感觉、情绪、学习记忆、决策等重要功能时，各个脑区特殊种类神经细胞群之间的连接构造和运作机制，以绘制一张完整的脑活动图谱。2012年，“脑连接和脑机接口技术研究”被列为我国神经科学的优先发展领域与重大交叉研究领域。2014年，在主题为“我国脑科学研究发展战略研究”的香山特别会议上，专门探讨了中国脑科学研究计划的目标、任务和可行性，经多次论证，2016年3月发布的“十三五”规划纲要将“脑科学与类脑研究”列为“科技创新2030重大项目”，也被称为中国“脑计划”。与欧美、日本的“脑计划”相比，中国“脑计划”主要以研究脑认知的神经原理为“主体”，研发脑重大疾病诊治新手段和脑机智能新技术为“两翼”，目标是在未来15年内，在脑科学、脑疾病早期诊断与干预、类脑智能器件三个前沿领域取得国际领先成果。

复杂而庞大的网络是大脑进行信息处理和认知表达的生理基础。2005年，美国印第安纳大学的Olaf Sporns教授受基因组（Genome）概念的启发，提出将绘制脑连接模式图谱的研究称为人脑连接组（Human Connectome）。随着近年来相关技术的发展，脑连接研究从基因、蛋白、突触、神经元、神经环路、脑区到整个大脑的每个单一尺度上取得了许多新进展。然而，单一尺度等的研究结果只能从某些方面反映大脑是如何形成及如何工作的。整合各种技术、方法、模型和数据，并将各种研究合并成一个统一的研究框架或平台，变得越来越重要。蒋田仔等国内学者提出了脑网络组（Brainnetome）的概念，强调了脑网络研究从结构到功能、从静态到动态、从微观到宏观、从实体到仿真等不同层面开展的必要性。脑网络组是神经解剖学、脑科学、认知科学、临床医学、信息科学等学科综合交叉而形成的新的科学前沿，是继基因组、蛋白质组之后人类对生命活动规律探索发起的又一个新的组学。从脑网络的连接模式及其演变规律阐明脑的工作机理及脑疾病的发生和发展机制，将为人类理解脑、保护脑、开发脑和创造脑提供前所未有的新机遇，为研究人脑内部复杂的信息处理过程与高效的组织模式提供有效的途径，为理解脑的信息处理过程及脑的高级功能开辟新途径，为实现类脑的智能处理器奠定基础。