養出個大腦

大腦運行依然成謎

大腦堪稱進化史上的奇跡，而人類對其知之甚少。

人腦對信息的并行處理能力非常優秀，大腦中數百億個神經元可以同時處理多種信息。一個匆忙的保險經理在上班路上可以一邊跟客戶講解保險，一邊端著手上的豆漿不讓它灑出來，一邊抽空咬一口包子，還能時刻注意前方和身邊避讓同樣匆忙趕路的路人。在此過程中，大腦需要同時調控視覺、運動、語言、咀嚼、吞咽等功能。要知道就連我們看來最簡單的走路這個動作，目前最先進的機器人也無法100%模仿，而大腦卻可以輕而易舉地同時進行多項任務。

人腦還有很強的神經可塑性。亞里士多德認為，人類的記憶力就像蠟，熱（年輕）的時候可塑性很強，冷（衰老）后就變硬，很難記住東西。這種觀點被大量實驗推翻了，因為老年人也可以通過向大腦輸入大量學習資料來提高思維能力和記憶力。例如，英國有一位七旬老人，當眾完整背誦了1萬多行的長文《失樂園》。

人腦的容錯性也極強。阿爾茨海默病是目前困擾老年人的一大神經退行性疾病。20世紀80年代，一些科學家從老年人的尸檢報告中發現了奇怪之處：一些尸體的大腦明明已經出現了阿爾茨海默病的病理特征，但死者生前卻沒有表現出相應的癥狀。

一些科學家猜測：如果把大腦解決問題的神經通路比作公路，那么不同的人大腦中的“公路”數量是不同的，即便兩個人大腦中“公路”數量相差無幾，“公路”之間的信息傳輸效率也有高低差別——有的公路狹窄多彎，有的卻寬闊筆直。那么，那些大腦已經出現損傷、卻沒有表現出癥狀的人，其大腦有更多“公路”，也就是思維工具，即便其中一些“公路”損壞無法通行，其他“公路”依然能夠通行。

因為大腦如此神奇，所以破解大腦奧秘對科學家充滿了誘惑。然而，迄今幾乎所有的腦科學研究都是建立在動物大腦（尤其是果蠅、斑馬魚、小鼠、豬等動物）基礎上進行的，在動物大腦實驗中得到的結果，并不一定能重現在人類大腦上。

好消息是，隨著干細胞技術的出現，我們可以在特定條件下利用體細胞培養出特定的器官或組織，其中利用多能干細胞培養出來的人腦被稱為“類人腦”。

精神分裂癥患者的大腦里發生了什么？

1809年，法國科學家皮耐勒發表了歷史上第一篇關于精神分裂癥的學術報告，并指出精神分裂癥不是當時普遍認為的鬼上身所致，而可能是一種受遺傳基因影響的腦部疾病。

精神分裂癥患者的初次發病一般都在20歲左右，這種精神疾病或多或少困擾著全世界1%的人。隨著對精神分裂癥的研究不斷深入，科學家發現，早期發育中的某些異常會增大患精神分裂癥的風險，甚至有些影響從胎兒在子宮內時就已經產生了。看來，要想徹底搞清楚胚胎發育過程中的哪些因素會提高日后患上精神分裂癥的可能性，科學家就不得不獲取正在發育中的人腦，而這個方案在倫理上是行不通的，好在，類人腦出現了。

2019年，兩位美國科學家在培養皿中培養出了一顆顆“小湯圓”——類人腦。一開始，許多科學家并不看好類人腦，認為這些“小湯圓”只能反映分娩前胎兒大腦的情況，也是大腦最初期、結構和功能最簡單的階段。不過，后來的研究表明，當類人腦生長到9個月時，具有和嬰兒大腦非常接近的發育模式。看來，精神分裂癥這類困擾了醫學界數百年的大腦疾病，其發病過程也許可以在類人腦上重現，我們或許能首次全程記錄精神分裂癥在大腦中的發展過程。

2021年，科學家從21名精神分裂癥患者大腦中提取了腦細胞，并通過干細胞誘導法，培育出了一些類人腦，它們可以模擬人腦發育最初三個月中的變化。科學家發現了這些迷你大腦的共同點：BRN2（一種神經轉錄因子）和PTN（多效生長因子）這兩種對大腦發育至關重要的因子表達不正常。

科學家還發現，這些類人腦在發育初期產生了過量的內皮細胞。如果大腦血管中存在過多內皮細胞，那么大腦對普通感染就會過度反應，從而引發高強度的局部炎癥，影響大腦功能，而這可能也是精神分裂癥患者出現妄想等癥狀的原因之一。

自閉癥研究，類人腦立大功

攻克自閉癥治療難題是研究大腦的重要目標之一。患有自閉癥的兒童好像活在自己的世界里，幾乎不關心周圍的人和事，他們中有的會重復一些動作，這讓他們看起來就像小怪人，從而難以被社會接受。

男孩似乎比女孩更容易患自閉癥。在全世界范圍內，男孩患上自閉癥的風險是女孩的4～5倍，這點引起了不少科學家的注意。他們猜測，男孩和女孩的大腦發育過程是不同的。

研究表明，男孩大腦中負責合成小膠質細胞的基因活性比女孩的高。小膠質細胞相當于大腦的免疫細胞，修剪神經元之間的連接是小膠質細胞的重要作用之一。就像園藝師修剪花草樹木一樣，恰當的修剪可以提高大腦的運行效率，讓神經元傳遞路徑更高效。但如果修剪過度，大腦神經元之間的連接便不夠充分，就可能引發自閉癥。

那么，是不是只要抑制與小膠質細胞相關的基因，讓它們不要過度表達，就能有效預防自閉癥呢？很可惜，這樣做還遠遠不夠，因為目前的研究證實，有數百個基因會不同程度地引發自閉癥，而且這些基因如何導致大腦發育異常、從而引發自閉癥還是個謎。好消息是，2022年2月，科學家在該領域取得了重大突破。

他們發現，盡管引起大腦發育異常的基因有好幾百個，但它們影響的神經元和引起的神經發育改變只有那么幾種。通過培養類人腦并測試不同的基因突變對大腦的影響，科學家從數百種基因突變中總結出了共同點：某些神經元發育的先后順序出錯了。科學家解釋說，我們的大腦皮質（大腦中負責高級認知功能的腦區）是以非常精細的結構一步步發育形成的，每種類型的神經元都有自己特定的發育順序。如果一些神經元太早或太遲發育，那么就會改變神經元之間的連接模式。

類人腦的出現，大大方便了科學家研究大腦發育過程中神經元出現的順序和發育程度，這在以前是難以辦到的。

隨著傳統計算機芯片的運算能力不斷逼近極限，一味增加功耗和算力已無法帶來計算科學方面的突破，研究類腦計算就成了當務之急，也就是說，讓計算機以類似大腦的運作機制來運行。類人腦的出現，為人類破解大腦運行奧秘提供了有力工具。我國某公司就推出了自主研發的類腦計算芯片，它融合了計算能力快而準確、人腦高抗噪聲性等優點，非常適合處理人工智能計算問題。

1906年諾貝爾生理學或醫學獎獲得者、西班牙病理學家圣地亞哥·拉蒙·卡哈爾曾坦言：“只要大腦的奧秘尚未大白于天下，宇宙仍將是個謎。”人類如果不能徹底地認識自身，就不能真正地了解世界。類人腦的出現，讓科學家離徹底認識自身和宇宙的目標又近了一步。