脑科学与认知神经科学

脑科学与认知神经科学内容提要：研究大脑，开发大脑，是世界各国科学家和学者所研究关注的热点问题之一，脑科学之所以受到各国科学家的积极关注，重点研究，是因为脑科学的研究，具有极为重要的意义，与现在科技创新密切相关。本文从“大脑脑科学我国的脑科学研究现状脑科学与现代科技创新”等四个方面研究脑科学在推动科技创新的重要意义。以介绍大脑的机能及大脑的运作程式为开始，通过“脑科学”“我国的脑科学研究现状”“脑科学与现代科技创新”来研究脑科学对现代科技创新的作用与意义。关键词：大脑脑科学现代科技创新研究现状行动中枢思维中枢大脑大脑是人体最重要的生理器官，是人的行动中枢和思维中枢，是决定人是最高级动物最重要因素。大脑由约140亿个细胞构成，重约1400克，大脑皮层厚度约为2--3毫米，总面积约为2200平方厘米，据估计脑细胞每天要死亡约10万个（越不用脑，脑细胞死亡越多）。大脑又称端脑，脊椎动物脑的高级神经系统的主要部分，由左右两半球组成，在人类为脑的最大部分，是控制运动、产生感觉及实现高级脑功能的高级神经中枢。脊椎动物的端脑在胚胎时是神经管头端薄壁的膨起部分，以后发展成大脑两半球，主要包括大脑皮层和基底核两部分。大脑皮层是被覆在端脑表面的灰质、主要由神经元的胞体构成。皮层的深部由神经纤维形成的髓质或白质构成。髓质中又有灰质团块即基底核，纹状体是其中的主要部分。广义的大脑指小脑幕以上的全部脑结构，即端脑、间脑和部分中脑。一个人的脑储存信息的容量相当于1万个藏书为1000万册的图书馆，最善于用脑的人，一生中也仅使用掉脑能力的10%。大脑分为左脑和右脑，左脑是知识司令，它的职责是以思维、分析思维、集中思维为主进行智力开发。左脑又可称为数学家的脑，右脑是创造司令，它的职责是以想象、直觉思维、扩散思维为主进行智力开发，右脑又可称为艺术家的脑，但是这种把左脑和右脑分开，功能明确划分并不准确，因为连接着左脑和右脑的是由大约几亿条神经纤维组成的胼胝体进行连接的，左脑和右脑在不断地相互交流传递信息大脑是个完整的不可分割的整体大脑主要包括左、右大脑半球，是中枢神经系统的最高级部分。人类的大脑是在长期进化过程中发展起来的思维和意识的器官。大脑半球的外形和分叶左、右大脑半球由胼胝体相连。半球内的腔隙称为侧脑室，它们借室间孔与第三脑室相通。每个半球有三个面，即膨隆的背外侧面，垂直的内侧面和凹凸不平的底面。背外侧面与内侧面以上缘为界，背外侧面与底面以下缘为界。半球表面凹凸不平，布满深浅不同的沟和裂，沟裂之间的隆起称为脑回。背外侧面的主要沟裂有：中央沟从上缘近中点斜向前下方；大脑外侧裂起自半球底面，转至外侧面由前下方斜向后上方。在半球的内侧面有顶枕裂从后上方斜向前下方；距状裂由后部向前连顶枕裂，向后达枕极附近。这些沟裂将大脑半球分为五个叶：即中央沟以前、外侧裂以上的额叶；外侧裂以下的颞叶；顶枕裂后方的枕叶以及外侧裂上方、中央沟与顶枕裂之间的顶叶；以及深藏在外侧裂里的脑岛。另外，以中央沟为界，在中央沟与中央前沟之间为中央前回；中央沟与中央后沟之间为中央后回。大脑通过神经原之间的电流交流，提取相同信息来完成思考。大脑的复杂结构，成就了大脑行动中枢和思维中枢的地位，同时，以大脑为研究对象的学科渐渐得到社会的重视。脑科学脑科学，狭义的讲就是神经科学，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整合作用而进行的研究。广义的定义是研究脑的结构和功能的科学，还包括认知神经科学等。研究大脑，开发大脑，是世界各国科学家和学者所研究关注的热点问题之一，脑科学之所以受到各国科学家的积极关注，重点研究，是因为脑科学的研究，具有极为重要的意义。首先，了解大脑工作的原理，为制作仿造人脑的高水平电脑提供科学依据。其次，治疗大脑疾病，提高人们的生活质量，因为脑是心理产生的器官，如果这个器官出了问题，人的心理或行为就会出现异常。例如：健忘、痴呆、智力低下、精神异常等。神经科学的最终目的是在于阐明人类大脑的结构与功能，以及人类行为与心理活动的物质基础，在各个水平（层次）上阐明其机制，增进人类神经活动的效率，提高对神经系统疾患的预防、诊断、治疗服务水平。通常采取的研究方法有：解剖学方法（采用通常的组织染色方法可以在光学显微镜下观察神经系统各种组织的细胞结构，即神经元的不同形态，以及它们间连接的一般情况。运用电子显微镜可以进一步了解神经元和突触的精细结构。）生理学方法：（运用微电极细胞外记录、细胞内记录技术对单个神经元活动分析。近年来，片膜钳技术对离子通道进行深入的研究。）分子生物学方法（包括重组DNA技术：分析离子通道蛋白的结构和功能、生理特性和应用单克隆抗体和遗传突变体。）以及系统生物学方法（基因表达调控系统生物学采用实验、计算与工程的系统论方法，成为脑科学研究的发展现代趋势。）世界各国普遍重视脑科学研究，美国101届国会通过一个议案，“命名1990年1月1日开始的十年为脑的十年”。1995年夏，国际脑研究组织IBRO在日本京都举办的第四届世界神经科学大会上提议把下一世纪（21世纪）称为“脑的世纪”。欧共体成立了“欧洲脑的十年委员会”及脑研究联盟。日本推出了“脑科学时代”计划纲要。中国提出了“脑功能及其细胞和分子基础”的研究项目，并列入了国家的“攀登计划”。我国的脑科学研究现状2011年5月15日，中国教育学会脑科学与教育研究分会成立。在当天举行的成立大会上，教育部原副部长、中国工程院院士韦钰讲话指出：“5岁之前不要背诗，背了也记不住。”形象地描绘了脑科学与教育学研究之间的紧密关系。中国教育学会脑科学与教育研究分会将致力于推动脑科学、认知科学等多个学科的交叉和协作，开展面向教育重要现实问题的脑科学研究、脑科学与教育相关的国内外学术交流等，期待能揭示我国儿童青少年心理发展、学习与教育的规律，提升我国国民的心理健康意识和教育综合素质。中国教育学会脑科学与教育研究分会的成立促进了我国脑科学研究的发展，也推动了中国的脑科学与国际交流的力度。2011年11月18日，美国国际数据集团（IDG）与北京师范大学签署捐建协议，成立北京师范大学-IDG/麦戈文脑科学研究院（IMIBR-BNU）。IDG创始人兼董事长、麻省理工学院（MIT）麦戈文人脑研究院创始人麦戈文（PatrickMcGovern）与北京师范大学党委书记、教育基金会理事长刘川生、北京师范大学校长钟秉林共同签署捐建协议。教育部副部长郝平出席了签约仪式，并为研究院揭牌。根据协议，IDG将捐赠1000万美元用于北京师范大学-IDG/麦戈文脑科学研究院建设。同时IDG及IDG资本管理团队还将分别设立“IDG中国基金会”和“和谐基金会”，为该研究院提供长期支持与资助。经过十多年的研究和实验,中国科学家不久前在人的大脑中发现了一个和学习、记忆功能有关的新区域,并得到国际科学界的承认。作为中国近年取得的一项重大原始性创新成果和全球脑科学领域最引人注目的一项重大发现,专家认为,人脑“新大陆”的发现,提供了研究某些学习记忆障碍疾病发病机理的新途径,并将促进老年性痴呆、帕金森氏病等疾病的研究。由第一军医大学神经科学研究所舒斯云教授发现的这一新区域“边缘区”,被国际权威专家称为“舒氏区”,“边缘区”理论也被权威学者列人专著,并被国际神经科学界广为引用。对于人类来说,大脑至今仍是一个谜。作为宇宙中已知最复杂的组织结构,人类对大脑中许多区域的功能知之甚少。早在20世纪80年代,舒教授在研究大鼠脑皮层下的高级运动中枢—纹状体时意外发现,和纹状体的圆形或三角形细胞不同,其边缘有一群纺锤状的细胞,这些细胞组成一轮弯月的形状,在纹状体边缘形成一个特殊区域。“这是一个从未见过,也从未见人报道过的“新大陆”。而细胞形状不同,功能肯定也不同。”舒斯云乘胜追击进一步发现,不仅大鼠,而且在猫、猴子和人的大脑中都存在这一区域。脑科学与认知神经科学大脑是人类的思维和行动中枢，对人类的思想和活动起着指导作用，是人类创新思维的源泉，脑科学的设立与研究，可有力的推动现代科技创新，推动人来文明的进步与发展。新思想、新观念产生的时期，也是创造性思维过程中最关键的时期。由于新思想的产生是没有固定的逻辑通过的，为此，就需要充分发挥右脑的想象、直觉、灵感等非逻辑思维功能。想象，是人脑对已有表象进行加工改造、重新组合，而形成新的形象。在创造性活动中，人们要揭示事物的本质、把握哪些不能为人们直接感知到的事物的隐蔽联系，填补知识链条的空白，创造出不曾有过的新产品，就必须借助于想象去设想事物内部过程相互联系，相互作用的图景，寻找解决问题的一般性原则和中介环节，构思新产品的形象。想象，可使人们突破个别经验认识的框子，而把握普遍性；通过有限，而深入到无限；超越现实的时空界限，而推测过去，预示未来：摆脱具体事物的束缚，而自由地重新组合。正因为有了它，人们创造性思维的行程才有了很大的自由，人们的思想才可以自由地飞翔。右脑的想象功能不但在文学艺术创造中，而且在科学研究、技术发明中，都起着巨大的作用。直觉，是人脑依据以往的知识和经验，在无意识的条件下，从整体上，迅速猜测，预感或观察隐藏在现象背后的事物的本质属性或本质联系的一种思维方式。其特点是：跳跃式地进行，直接接触到问题的实质，似乎不存在中间的推导过程，主体不能明确意识到该过程的进行，也因之不用言语将其清楚地描述出来，大有“知其然，不知其所以然’之感。在创造性思维过程中，一方面由于问题都是不明确的，所需的事实和证据也常常十分有限，另一方面由于不存在一种凝固不变逻辑通道，去引导我们按图索骥地构思实验，建立模型，提出假设，寻找问题解决的中介思维环节。因此，左脑的分析思维是难以施展和奏效的，而只能依靠右脑的直觉思维，直觉思维方式虽然不能保证成功，但却容易引导成功，既是创造性解决问题所必需，当省时省力。可见，在创造性思维活动的过程中，右脑的直觉功能在确定研究方向、选择有前途的研究课题、识别有希望的线索、预见事物的发展进程和研究工作的可能结果、提出假设、寻找解决问题的有效途径、领悟机遇的价值、在缺乏可供推理的事实时决定行动的方案、在未获得决定性佐证时形成对新发现的看法等等方面，都具有重要的作用。灵感，是创造性思维过程中普遍存在的一种客观现象。对于一些曾集中精力、长时间反复探索而又尚未解决的问题，人脑有时会有意无意地突然出现某些新的形象、新的思想，产生一下子使问题得到澄清的顿悟，这种现象即灵感。在创造性思维活动的过程中，既有长时间的准备和积累，又有短时间的攻关和突破，既有经久的沉思，又有一时的顿悟。灵敏就是在创造性实践和思考活动的基础上，思维运动发展到一定关节点时，而产生的一种质的飞跃。有关的调查和科学家们的自述表明，无论是文学家、艺术家、还是自然科学家、社会科学家，他们在创造思维过程中不但都经常出现灵感，而且其许多新思想、新观念的涌现、新思路的产生、新形象的形成，都与灵感密切相联。大量事例证明，灵感大多出现在思维长期紧张工作之后的暂时松驰状态，如散步、钓鱼、洗澡、听音乐、观花赏月乃至睡梦中。此时，主体精神放松、抑制解除、遇想丰富、想象活跃，右脑正处于积极活动之中。不少事例还表明，灵感常常是受某事物的启发而产生的，这种起启发作用的事物被称之为“原型＂。在我们周围的客观世界中，无处不隐蔽着大量的启示，提供人们作为原型，以取得丰富的创造性设想，发现原型与所要寻求事物的相似之处，看出它们之间的隐蔽关系，也即从变化的背景和改变形式的事物中将所需要的东西再认出来，是创造性突破的关键一步。鲁班被草割伤后发明了钜子，阿基米德洗澡时发现浮力定律，牛顿被苹果砸后发现万有引力定律……许多发明是在人们通过大脑对偶然想象的深入反思得到的。可见，在创造性思维过程中有重要作用的灵感，与右脑活动有密切的联系。脑科学重在研究大脑的活动规律，和大脑的保健。脑科学有力地推动了科学创新。现代社会学习，生活，科研，国家竞争的压力日趋激烈，如何在自己短暂的人生最大限度的开发利用自己的大脑，实现自己的人生理想，报效祖国和社会，以及对自己大脑的保健，是每个人不得不思考的问题。一个国