大脑如此奇妙

再平常的人脑也绝不简单。成年人大脑中约有1000亿个神经元,每个神经元与周围细胞构成约5000个突触连接,大脑每秒钟产生和衰灭100万个新连接。信息在大脑中能够储存100多年,并且会按需自动分类、反复归档、编译剪辑。大脑能利用一系列传感器采集振动、电磁辐射、化学物质以及压力等信息,来重构周围环境,在几毫秒内分出事情的轻重缓急。大脑能支配640多块肌肉,还包揽产能、生殖和基本生命活动等机要工作。然而,有些大脑更不平常,甚至超越我们的想象。最天才、最聪明的大脑何以能脱颖而出?什么样的大脑能挑战人类成就极限?     

大脑如何衰老

直到不久以前,人们还仍然认为,人的大脑神经元是随着人的年龄增长而开始枯萎死的。这一理论是美国组织学家加罗尔特·布罗特提出的。他于1951年证实,在滋养和维持大脑的神经质细胞中,神经细胞的分布密度是随着年龄的增长而逐渐减少的。他甚至还列举了具体数据:大约从25岁起,大脑每天要损失几万个神经元,而到40岁后,则要损失约10～200万个。     

脑-机接口的前沿进展

<正>大家提到脑﹣机接口,就会联想到在黑客帝国等科幻片中出现的场景,这其实并不是天马行空的幻想,而是基于早已有之的"脑﹣机接口"技术的合理设想。要想了解脑﹣机接口这一概念,首先需要了解大脑的结构。大脑容量有1.3升,是宇宙中最复杂的结构,拥有1 000亿个神经元,这些神经元之间形成了超过100兆(Trillion)个连接。我们可以将大脑看成是一个信息处理装置,它创造了一切人类文明成果,包括科技和文化等。     

脑科学的革命性技术

正脑科学的研究希望解密大脑的终极秘密,比如我们为什么能学习记忆,为什么能思考,为什么有意识等等。自从脑科学诞生以后,我们基本弄清了大脑是由千亿个神经细胞(也叫神经元)组成的。我们也弄清了神经元传递信息的奥秘,由化学物质在细胞膜之间的传递产生了电冲动,编码了神经元将大千世界信息变成简单的电活动。但是,当我们完成了将神奇的大脑分解为一个一个神经元的工作之后,我们     

脑神经活动光学显微成像技术

大脑包含数亿至数千亿的神经元以及更为复杂的神经突触连接网络,是生物体中最复杂的器官.脑科学是21世纪以来最重要的前沿新兴学科之一,它的兴起标志着人类在认识自我、探索智慧和意识的本质中进入了一个新时代.在活体中对大脑神经活动进行长时间、大视野、高时空分辨率的观测,是解析大脑功能的关键.光学显微成像技术以其时空分辨率高,光学探针的特异性和多样性等优势,成为了脑神经活动研究的重要工具.针对大脑的高度散射、高速神经信号传递、超大神经元规模、精细突触连接结构等特性以及自由活动动物的脑神经活动观测需求,本文将从超深、超快、大视场、超分辨、微型化5个发展方向,概述包括多光子、红外二区、光声、光片、结构光以及自适应光学在内的多种光学显微成像技术在脑神经活动显微观测领域的发展进展及前沿动态,并展望脑神经活动光学显微成像技术的未来发展方向与前景.     

超级计算机复制人类大脑——记神经学家亨利·马克拉姆团队的人脑工程构想

马克拉姆团队意欲在2018年之前开发出具有意识和智慧的人造大脑●神经学家亨利·马克拉姆坚称,如果神经科学能按他设计的方向发展,他的"人脑计划"可以模拟人类大脑全部860亿个神经元,以及将这些神经元连接起来的100万亿个神经突触的功能,届时可建成一个"即插即用"的大脑:可以把它拆分找出脑部疾病的原因,也可以结合机器人技术开发一系列全新的人工智能技术,甚至还可以戴上一副虚拟现实眼镜以体验"另类大脑"的神奇。     

人类神经退行性疾病与模式动物研究

大脑和脊髓由神经元组成,神经元一般不会再生,所以过度的损害可能是毁灭性的、不可逆转的.神经退行性疾病就是由于神经元的退行性病变和凋亡所致,随着时间的推移呈现一个渐进性的恶化,以导致机体认知记忆功能和运动功能障碍.     

解开人类大脑皮质中间神经元发育之谜

大脑皮质是人类大脑最大的组成部分,是人脑最大的信息处理中心,承担着脑的高级功能.中间神经元是大脑皮质两种主要的神经元之一.其数量随皮质体积的增加而增加,但人类的中间神经元的种类却与啮齿类动物相似.时颖超等人报道了人和小鼠指导中间神经元分化的十分保守的基因网络,解释了相同种类的中间神经元是如何在不同物种中出现的.梅赛德斯...     

一类混沌神经元的控制

大脑是一个由大量神经元组成的非常复杂的非线性系统,这些神经元中包含着复杂的动力学行为:稳定态,周期态,甚至混沌行为.人们已经认识到混沌在大脑对信息的处理中扮演着重要的角色.如Freeman在兔子的嗅觉实验中发现,当兔子闻到一种它已知的气味时,它的嗅觉小球的活动呈极限环状态;而当兔子闻到一种未知气味时,它     

脑机接口的物理学

<正>西德尼·珀科维兹深入浅出地介绍研究人员为研发更安全、更耐用、惠及更多人群的脑机接口所做的诸多前沿工作。人类大脑是一种复杂到惊人的机器。人类大脑皮层拥有800多亿个神经元,每个神经元又有1000个突触。我们的大脑每秒大约要处理100兆比特的信息。想象一下,要是在我们思考的时候,尝试实时测量、提取并解释我们大脑中的所有信号,会是什么场景？记录大脑曾经只是科幻小说和电影——比如《X战警》（X-Men）和《黑客帝国》（The Matrix）——才有的情节,但现在,我们真的有可能把大脑同计算机连在一起,并且通过这种系统控制机械手臂,或者把你脑海中的想法记录下来。     

人脑形态网络及其在脑发育研究中的应用

人脑是一个极其复杂的系统,数以万亿的神经元通过突触构成了庞大的连接网络,如何系统而全面地刻画大脑内部的组织模式一直是神经科学家致力解决的热点问题.随着非侵入神经成像技术的兴起,基于磁共振成像的脑网络研究为揭示人脑的复杂结构提供了新的契机.其中,脑形态网络因其图像易获得、质量稳定和分析方法简单等优势引发了研究者的广泛关注.传统的脑形态网络是利用一组受试者的某种形态学指标构建的被试间协方差网络,只能反映大脑形态的群组特征.个体水平脑形态网络则针对个体大脑刻画脑区间的形态相似性,保留了个体的形态信息.多指标甚至多模态数据的应用,进一步整合多种互补的结构信息,能够综合表征皮层形态的拓扑连接模式.近年来,脑形态网络在探究人类大脑发育进程方面体现了重要价值.研究发现,胎儿时期形态网络从高度模块化的原始状态开始逐渐整合,至出生时已形成小世界拓扑,出生后至童年早期网络变得分离,童年晚期至青春期又逐渐整合,初级网络率先达到成熟而高级网络长期持续发育.这些结论为理解大脑认知功能的形成和发育障碍的起源提供了重要的理论支撑.本文介绍了两种脑形态网络的构建方法和图论模型的基本概念,回顾了脑形态网络在胎儿、婴儿、...     

生生不息的神经元

正20世纪60年代初,有科学家声称,出生后哺乳动物大脑内可以生成新的神经元,这一结论引起了大量的怀疑和争论。之后的20年,陆续有研究在哺乳动物大脑中检测到了成体神经发生的现象。科学界曾认为,生物体在出生之后是不可能产生新神经元的,也就是说,大脑内的神经元结构在出生后就不会发生改变。但在脑部特定区域检测出成体神经发生的研究表明大脑比之前理解的更有可塑性,而且成体神经发生对自我认知、记忆以及神经退行性疾病都有影响。     

利用大脑活动图谱寻找神经元代码开启之锁

科学家们虽经几十年的研究,但迄今仍未搞清楚神经元放电是如何解码人类思想和行为的。为了解开此过程之谜,一组科学家提出了一项雄心勃勃的大脑活动图谱(BAM)项目计划,旨在将大脑中每一根神经元活动绘成图谱,     

“仿真脑”能为我们做什么?

<正>人脑那自傲、强大而又神秘无比的信息处理功能一直令人痴迷。就在最近半年里,"造脑行动"又有了新的进展:IBM和Qualcomm两大巨头先后发布了基于神经拟态技术的"脑芯片"。IBM的Sy NAPSE芯片号称模拟了一百万个神经元细胞和超过两亿个神经突触连接,初具人工大脑的规模。Qualcomm公司4月公布的Zeroth芯片也在硅片上高效地模拟了脑神经元,装载了该芯片的机器小车还能运用"受到人脑启发的算法"完成寻路、躲避障碍等任务。不过,仿真脑的时代真的要来临了吗?其实我们不止存在着技术上的巨大困难,连制造仿真脑的目标也是一个值得思考的问题。     

“迷你大脑”展示出类似婴儿的脑活动

<正>从细胞最初被发现至今已有350多年了,但是从很多方面来讲,细胞仍然是个谜。随着显微镜技术的不断进步,研究人员逐渐揭开了细胞的秘密。整个大脑中的全部神经元细胞是一个群体,尽管单个神经元细胞都可以单独接收、处理并传递信息,但在神经细胞的传导过程中,电压的变化只有在神经元的震荡活动融     

神经科学的突破性方法:膜片钳技术

正膜片钳技术最初是为了记录离子通过细胞膜通道蛋白的电流而发展起来的,现在它已经成为神经科学工具箱中真正的中坚力量。大脑中的信息被认为是由数千个神经元细胞产生的复杂电脉冲模式编码而成的。每个脉冲,即动作电位,是由流经神经元膜的带电离子电流调节的。但是,这些离子是如何穿过神经元的绝缘膜的,多年来一直是个谜。1976年,埃尔温·内尔(Erwin     

探求人体衰老之谜

大脑与衰老 大脑是引起衰老的中枢器官,近年来的研究表明,脑的衰退是一个缓慢的过程,自30岁左右就已经开始,每天约有10万个脑细胞死亡.到60岁时就急转直下,一般人到了70岁,大脑重量只有年轻时的95%左右:80岁时为90%,90岁时仅剩下80%左右了.     

大脑里的天才按钮

人类的大脑一直是科学家研究的重要领域。脑科学家们公认,人的大脑还有大量的潜力可挖。不久前,美国加利福尼亚大学的布鲁斯·米勒博士在人的大脑内成功地发现了“天才按钮”。米勒对72名因各种原因使大脑受过损伤的病人进行研究,发现了一个规律:一旦人的右颞下受过伤,就有可能变成某个领域的天才。比如,一名9岁的男孩在部分大脑受损后,竟成了一名天才的力学专家;还有一位56岁的工程师,大脑右半球皮质的部分神经元因病受到损伤后,却激发出了绘画天分,成了一位大画家。米勒博士认为这是因为受损神经元坏死后,大脑“天才区”长期被压抑的天分…     

人类神经元 发现"微型计算机"

正仅仅依靠输入电缆,人类神经元就可以完成以前只能在整个神经网络中看到的复杂逻辑计算。这里重申一下:人类的神经元远比我们最初认为的更强大。如果深度学习算法——一种风靡全世界的、基于大脑的人工智能方法——能备受关注,那么人类神经元也可以。这些都是非常规的,带有火药味儿的话。70年来,神经元一直被认为是大脑的基本计算单位。然而,根据2020年1月发表在《科学》杂志上的一项新研究,我们大脑皮层——大脑最外层的"硬壳"——中的神经元,似乎已经以一种独特的进化来维持它们的输入电缆中难以置信的复杂计算。这就好像有人最终找到了证据,证明了计算机的电线实际上是由微型处理器组成的,在将结果发送到CPU之前,每个处理器都执行计算。这很奇怪,也是有争议的。然而,这也是首次在人类神经元中发现的事实。     

大脑结构中究竟有些什么？

●尽管神经科学取得了辉煌的成就,但我们对于大脑究竟是如何工作的仍知之甚少。继美国大脑神经组织解剖图编制计划、人脑连接组计划,今年1月,欧盟委员会为欧洲＂人脑计划＂注资10亿欧元,4月,奥巴马政府承诺为＂大脑活动图谱＂计划提供1亿美元的研究经费。或许,一个＂复制＂人类大脑的时代已经来临。