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[转载]来自聂广科学网博客:脑科学发展史(2021-6-28)

已有 250 次阅读 2021-9-16 12:29 |系统分类:科研笔记|文章来源:转载

[转载]脑科学发展史

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已有 697 次阅读 2021-6-28 15:26 |个人分类:医学史话|系统分类:科研笔记|文章来源:转载

一、什么是脑科学?

脑科学有狭义和广义之分。狭义的脑科学一般指神经科学,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综合作用而进行的研究,主要包括神经发生、神经解剖学、神经生理学、神经通讯与生物物理学、神经化学与神经内分泌学、神经药理学、记忆与行为、知觉和神经障碍等九个领域。

广义的脑科学是研究脑结构和脑功能的科学,主要包括脑形态及结构、脑部分区及功能、脑细胞及工作原理、脑神经与网络系统、脑的进化与发育等领域的研究,以及对脑生理机能的研究,如脑是如何产生感觉、意识、动机和情绪的,如何学习和记忆的,如何传递信息的,如何控制行为的,如何进行自我修复和功能代偿的。总的来说,广义脑科学是从生物脑的角度探究大脑的物理构成、生物机理和工作机能,是一个认识脑的过程。

脑科学的研究范围不仅仅局限于认识脑,如绘制人脑发育图谱、探究嗅觉工作机理等,还包括如何更好地保护脑、开发脑、创造脑。保护脑主要包括促进脑发育、预防脑损伤、治疗脑疾病、延缓脑衰老等方面;开发脑是指开发脑的未知功能、提高脑的运用效率,以及通过类脑研究,模拟脑的功能和工作原理,尤其是模拟人脑的信息处理机制;创造脑是指通过构建大脑仿真系统,开发脑型计算机,打造以数值计算为基础的虚拟超级大脑。

目前,以新一代脑科学研究为核心,以类脑智能研究、神经性疾病与治疗、脑科学技术与方法、脑科学信息与服务为中间层,以大脑控制、脑机接口、大脑模拟、人工智能、新药研发、脑控仿生科技、新型教育教学等为应用层的脑科学发展图谱业已形成,并呈现出三大特征:一是神经科学与计算机、微电子、化学、材料、工程学、物理、数学等学科的交叉融合为脑科学的突破提供了契机;二是人造大脑成为主要研究目标,包括以模仿计算为主的虚拟超级脑,以及虚拟大脑与生物大脑一体化的融合超级脑两个研究方向;三是利用信息技术认识脑、了解脑、开发脑、模拟脑、创造脑、融合脑。

二、脑科学的发展历程

脑科学的发展历程可划分为启蒙阶段、萌芽阶段、开拓阶段、大发展阶段。

1. 启蒙阶段(16世纪之前)

在长达数千年的人类历史中,人们把一切精神活动都归于“心”的功能,在对脑的认知上是“心脑”一体的。早在古希腊时期,著名医生阿尔克迈翁(Alcmaeon)发现眼睛后部与大脑相连,从而发现了视神经,但其对脑的认识仍以主观想象为主。另一位医生希波克拉底认为,人的情绪和感觉均源自于脑,大脑是人类神智的载体。与希波克拉底相反,亚里士多德则认为神智在心而不在脑。此后,关于神智、灵魂、精神及元气的争论长达数世纪之久,人们对脑的认知一直停留在感性层面。

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2. 萌芽阶段(16世纪初至19世纪初)

文艺复兴时期,达·芬奇(L.da Vinci,1452~1519)通过人体解剖绘制出了大脑的4个脑室。1543年,维萨留斯(A.Vesalius,1514~1564)编著出版的《人体构造》对脑室进行了完整的描述。1664年,英国医师托马斯·威利斯(Thomas Willis,1621~1675)出版《脑的解剖学,兼述神经及其功能》,其中插图与现在神经解剖学教科书上的解剖结构图基本相同。

进入18世纪,生理学研究方法被应用到脑科学研究中。脑的兴奋性与肌肉反应之间的关系、信息传递工作原理成为研究热点。但在蒙昧、迷信的时代环境下,人们对脑的研究主要还是以零散的、偶然的发现为主,主动的、有意识的脑科学研究异常艰难,科学成果自然也寥若晨星。

3. 开拓阶段(19世纪初至20世纪60年代)

19世纪,脑科学进入快速发展阶段,取得了一系列开拓性成就,如生物电的发现、神经元学说的创立、脑功能的定位、神经网络学说的创立等。

20世纪前后,人们对脑功能的研究取得突破性进展,尤其是乙酰胆碱的发现,加快了脑信息传递机理研究的进程。英国分子生物学家查尔斯·斯科特·谢灵顿(Charles Scott Sherrington)将神经元之间的结构命名为“突触”,认为突触是神经元之间信息沟通的“桥梁”。随后,约翰·艾克尔斯(John Eccle)与理查德·克里德(Richard Stephen Creed)证实了抑制性突触的存在。

20世纪50年代至60年代,科学家发现大脑皮层内和皮层下的边缘系统,组成了一个复杂的神经网络,来控制情绪的生成和表达,以及情绪记忆的形成、存贮和提取,从而建立起了相对完整的脑功能图谱。

4. 大发展阶段(20世纪60年代至今)

20世纪60年代,脑科学正式成为一门独立学科,其研究范围几乎涉及到生命科学的所有领域。例如,1961年,贝克西(Békésy, Georg von)因发现耳蜗内部刺激的物理机制而获得诺贝尔生理学或医学奖;1970年和1977年的诺贝尔生理学或医学奖分别颁给了脑信息传递功能与情绪产生机理的发现者和研究者,他们发现神经元之间并不直接接触,而是以电脉冲的方式进行信息传递。

20世纪80年代至90年代,脑科学在微观领域的细胞分子学研究、宏观领域的大脑皮层功能研究成就卓然。1981年,美国科学家斯佩里(Roger W.Sperry)因证明大脑左右两半球的功能存在显著差异而获得诺贝尔生理学或医学奖;1986年,意大利科学家利瓦伊·蒙塔尔奇尼(Rita Levi Montalcini)因发现神经生长因子而获得诺贝尔生理学或医学奖;1991年,德国科学家内尔(Erwin Neher)因发现细胞内离子通道、发明膜片钳技术而获得诺贝尔生理学或医学奖,其在神经突触传递和可塑性领域也非常权威。

此外,脑科学在视觉、听觉、嗅觉、脑损伤等方面的研究,以及在学习、记忆、语言、睡眠、觉醒等高级功能方面的研究,也取得较大进展。其中,瑞典科学家维瑟尔(Torsten N.Wiese)与美国科学家休伯尔(David H.Hubel)因阐明视觉系统形成的机理而共同获得1981年的诺贝尔生理学或医学奖。

进入21世纪,脑科学研究呈现百花齐放、百家争鸣的局面。科学家们不但揭开了五觉(视觉、嗅觉、味觉、听觉、感觉)的工作原理、脑信息传递和优化处理的机制,揭示出精神疾病(如抑郁症、帕金森症、癫痫等)的产生机理,还成功绘制出大脑的动态发育蓝图,破译了人类大脑的两个组织轴,以及脑神经元网络结构适应环境的动态机制等。全球脑科学研究大事年表表1所示。

表1 全球脑科学研究大事年表

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