关于脑科学知识的研究课题报告

广东省东莞市东莞中学高二（3）班杨戈前言经过了这么久的研究，终于可以捧出一份完整的研究报告了。我想这不仅是一份作业那么简单，更重要的是这是我第一次独立地完成从收集，整理，到连接，再到得出结论，做出成果的过程。其实我并没有花费大部分精力在它上面，只是周末回到家中，打开电脑，搜寻资料，平时多读些与生物学有关的报刊等等。可能它并不是一份好的研究报告，但是我总是做了我能做的事。在这过程中，我也惊奇地发现，原来在我们的身边，在我们身处的社会里，有那么多为科学而孜孜不倦耕耘的人。我们的大脑，原来有着那么多我们所不了解的奇妙。科学是伟大的。这不是一句空洞的高调，这是我在探究之后感受到的事实。一．脑与脑科学1．关于大脑人的大脑分为两个独立的半球体-左脑和右脑，它们各自控制着身体相对应的半边，由一条粗的神经纽带相联。就人的左脑而言，它是负责管理合理的、有条不紊的和合乎逻辑方法的思维，是人类语言和数学思想本领的中枢；就人的右脑而言，它是非语言思维的部位，主管人的想象、颜色、音乐、节奏以及无拘束的胡思乱想等，是人类教诲、创造与视觉判断思想本领的中枢。整个脑髓重量约为1300克，包含1000亿个细胞。“这个数目和银河系一样庞大”。大脑可能是人身上最神奇的“构件”了，它掌管着所有的感觉和动作，哪怕你只是想抬一下你的一个手指，那么简单而短暂的一个动作，都是由大脑通过神经一步一步地传达过来的。人的大脑，每天可记录信息8600万条，其信息量相当于世界藏书量最大的图书馆——美国国会图书馆藏书量的50倍。美国国会图书馆藏有1000万册书，那么也就是说，人的大脑可以贮存50亿本书的信息。大脑神经功能细胞之间每秒钟可以完成信息传递和交换高达1000亿次，为了尽快地回收、筛选、储存和传输信息，大脑的神经细胞回路，比全世界的电话网络还要复杂1400倍。处于激活状态下的大脑，每天可以完整地记住4本书的全部内容。脑的重量和智力有很大的关系。从进化的角度来看，动物发展得越高级，其脑重量与体重之比就越大：鲸的脑重是体重的一万分之一；狮子的脑重是体重的五百五十分之一；大象的脑重是体重的四百四十分之一；猴子的脑重是体重的九十分之一；而万物之灵棗人的脑重是体重的四十分之一。然而可惜的是，到目前为止，并没有任何人可以从这样一个有无限潜能的组织中得到那么大的馈赠。人类对大脑的利用率只有5％，最杰出的科学家也只有10％而已。科学事实表明，大脑比传统的看法更加主动和积极的参与了我们眼中世界的形成。例如，对语言的研究使人们不得不认为人类大脑中存在一种被称之为“通用语法”的生物学程序。因为儿童对句法的掌握不是通过明显的“尝试——错误”的渐进方式，而似乎是一蹴而就的。同样，一名演讲者在做手势时，手在听众视网膜上所成的像随距离而变，但听众总能判断出它的真实大小。这就是说，我们对外部世界认知并不只是分析视网膜的映像，脑必须主动建立一个视觉世界。对人的精神世界进行探索并揭开它的秘密是一个艰苦而漫长，甚至是最终并不会有结果的过程。就目前而言，人们仍无合适的技术手段来把握人的主观世界，这就为从科学的角度对其深入研究造成了困难，同时，我们要想更好的揭示大脑的奥秘，还需要研究方法和思路上的更新。“神经活动可最终归结为在细胞和分子水平上所发生的事件”是近数十年来脑科学的主导思想，由此所积累的大量知识是我们全面、深入认识脑功能的基石。但是，这并不充分，对大脑的研究，还需要一种多层次，多角度的综合性思维。2．关于脑科学脑科学，或称神经科学，是用多学科的手段综合研究脑的正常功能和脑疾病机制的一门新的学科，主要研究知脑、保脑和创脑脑科学。即当前世界范围的脑科学研究主要致力的三个方面：认识脑、保护脑和开发脑。“知脑”的研究任务是，解析脑的功能和它处理信息的独特机制，例如识别、学习、智能、语言感情、思考、记忆、意识等机理，最后目标是搞清楚自我意识和社会意识以及语言和思考、知识的关系，并且把这些成果应用在教育、社会心理、产业心理和灾害心理等方面，为完成另外两个课题——“保脑”和“创脑”创造前提条件。“保脑”的主要目标是解析脑细胞的功能和它传输信息的生化学机制，把握脑的老化、阿尔茨海默氏症、帕金森氏症、精神分裂症等多种神经和精神疾病、智力发育障碍、新陈代谢异常、遗传性疾病以及外伤、中毒和感染病症等的发病原因，并根据新的原理开发根本性的预防的治疗方法，保护脑不受伤害，最终实现控制人脑老化、开发人工神经、预防精神障碍等理想目标。“创脑”的任务更为艰巨。它要在解析脑所具有的极其精密的神经网络和神经系统的结构和功能的基础上，开发与当今计算机不同的处理信息、具有高档次的精神功能的计算机系统，如神经芯片、神经网络式计算机等。脑科学涉及到生命科学的各个方面，包括心理学等，是一门典型的边缘科学，所以研究的难度令人却步，但目前在世界各国科学家的共同努力下，脑科学研究已经取得突破性进展。脑科学的发展世纪展望在脑科学中可能不会出现象达尔文的发现或DNA双螺旋结构的发现所产生的改变生命科学全貌的情况，但是，在脑的高级功能的研究中，我们也许能期待新的发现和理论出现，导致对脑的认识的革命性变化。二．近期脑科学发展1．概况科学技术的发展使人的思维和意识——这个一度只有哲学家才会涉足的领地成为最前沿和最具挑战性的问题。1989年，美国国会通过了“命名自1990年1月1日起的今后10年为‘脑的十年’”的提案。这一提案旨在敦促和呼吁美国公众及相关的组织与政府一道，关心和促进神经科学的研究。这是美国国会第一次对一个具体的领域作出有效期为10年的决议。同样引人注目的是，7年之后的1996年，日本继1986年制定并实施将脑研究放在重要位置的《人类前沿科学计划》之后又推出了一个称之为“脑科学时代”的庞大计划，拟在20年内，每年投入1000亿日元，使日本的脑科学研究达到甚至领先于世界先进水平。在我国，脑功能研究列入了重大基础科学研究计划——“攀登计划”。欧共体在1991年成立了“欧洲脑的十年”委员会。这些举措充分反映出脑科学近年来蓬勃发展的势头，也预示着关于脑的研究是未来国际科技竞争的重要方面。人们最早开始采取实证的方法观察和研究大脑及其产物，是在19世纪末期。然而，直到上个世纪60年代，对脑的研究才真正进入飞速发展的黄金时期。首先，由于生理学、分子生物学、解剖学、遗传学、医学、物理学、计算机科学等学科的发展，为脑科学的发展提供了理论指导和技术手段。特别是核磁共振成像技术等无损伤脑探测技术的出现，更是大大方便了人们对活体大脑的研究。其次，来自实际的需求也拉动了脑科学的发展。一方面，神经性和精神性疾病一直是影响人类社会最严重的疾患之一。据估计，美国受神经系统疾病侵袭的人数高达5000万，用于这些疾患的治疗、康复及相关的费用，每年均超过3000亿美元。因此，阐明脑的工作原理，弄清楚各种神经疾患的发病缘由，将为设计出更加高效而副作用小的药物提供可能。另一方面，对大脑和神经网络机制的了解，是开发新一代仿脑计算机不可或缺的。信息的传递、处理和存储是未来国际竞争中的一个关键因素，谁拥有功能强大的计算机，谁就将掌握竞争的主导。在日本人雄心勃勃的“脑科学时代”计划里，一个重要的组成部分就是所谓的“创造脑”。其实质性内容就是开发仿脑型器件和结构，设计仿脑的信息产生和处理系统。到今天，对神经系统的基本组件、大脑的构成和功能划分的认识，人们已经有了大致的轮廓，并以从分子的水平对脑的运行作出阐释。对一些低层次的应激性神经活动，人们已经形成了比较一致的看法；对运动的控制、视觉听觉的形成、语言的发生等高级功能，也有了一些很好的理论假设。用“硕果累累”来形容近年来脑科学发展的研究成果，应该是恰当的。2．世界脑科学发展随着理论的完善和新实验工具的涌现，大脑最深层的一些奥秘开始浮出水面。科学家们在今年美国科学促进协会波士顿年会上说，在新理论、新技术和新模型的基础上，研究人类认知过程与大脑的关系首次成为可能，科学家已开始逐渐理解大脑的数百万个神经元，如何通过相互作用控制着人类认知行为的产生，并帮助人类根据环境而制定下一步的行动目标。A．区域转换能力近日，德国海德堡马克斯－普朗克学会医学研究所所长贝尔特·扎克曼教授宣布，人类大脑皮层中的分工很细，包括主管视觉、听觉、味觉和嗅觉等诸多区域。一旦某个区域受到损害，人们的各种感觉就要受影响。但研究发现，人类大脑具有神奇般的能力，它能够将一个区域的感觉能力转移到大脑皮层的另一区域以弥补损失。扎克曼最新的研究成果证明，只要通过反复练习与使用，新的区域能够胜任原来区域的职能。扎克曼还要编制一套帮助患者康复的练习方法，最终目的是要让中风者能很快恢复语言能力，癫痫病患者能够很好地辨别方向。B．记忆是如何形成的这是一个长久困扰科学界的谜。由麻省理工学院瓦格勒教授领导的一个小组率先借助先进的脑成像技术，“拍摄”下了在记忆形成、存储和删除过程中大脑相关部位的活动方式。美国霍华德·休斯医学研究所科学家在波士顿年会上公布的最新成果则更进一步，他们利用脑成像技术不仅发现了造成老年人记忆困难的认知机制，还通过研究首次揭示了老年人大脑的左前皮层中存在大量未充分开发的认知资源，这些资源不仅没有因为衰老而受损，而且还有可能用来部分恢复因年老而造成的记忆障碍。其他科学家则在从神经生理学、细胞学和分子学等角度研究睡眠和记忆的关系。初步研究结果表明，睡眠可能对长期记忆的形成起到一定作用。C．神经细胞变化最近几年来人们最有趣的发现是：神经细胞在不断变化，它们在不断地同“邻居”建立新的联系，同时取消旧的联系。这种现象很可能是人学习过程的神经基础之一。如果一些神经细胞习惯于一起活动，那么，它们的联系就会得到加强，一个神经细胞活动就会带动另一个神经细胞活动。科研人员的另一个重大发现是：人虽然老了，但神经细胞不会死亡，或者说很少死亡，甚至在人的整个一生中都会有一些新的神经细胞产生。有一种很错误的看法是：人到了一定年龄，即长到25岁左右时，每天都会失去大量的神经细胞。一些科研人员散布这种看法依据的是60年代初到80年代的研究结果。但在那个时期，人们是很难计算神经细胞数量的。现在，计算过程已计算机化。新的计算表明，人在正常老年时期不会失去神经细胞(或者失去得很少)。但是，一些疾病，如阿尔茨海默氏症和帕金森氏症，则能够使人失去一些神经细胞。右图是运用脑成像技术制成的脑图.既然无病的老年人不会失去神经细胞，那么，应当怎样解释老年人认识能力的下降呢?实际上，这是由于老年人的一些神经细胞僵化了，失去了演变的能力，可塑性减弱了。老年人神经细胞的数量并没有减少，但神经细胞的个体能力减弱了。将近一个世纪以来人们一再重复的另一个错误观点是：我们每个人在出生时就储备有一定量的神经细胞，这些神经细胞不会再生。这种观点是神经生物学的教条之一。这是错误的。脑神经细胞产生于人的成年时期。在记忆机制中起主要作用、被称为海马的小部分皮质的情况证明了这一点。这种再生是不可忽视的。由神经细胞的再生现象我们可以想到，治疗大脑疾病的前景是很广阔的。人们已经在动物身上进行了很有希望的试验，但现在还不能把有关的技术应用于人类，大脑和身体其它部分是一个整体，大脑有病会引起其它的身心疾病，反之，身体其它部分也会通过激素影响到大脑。大脑有1000亿个神经细胞，每个神经细胞又同其它的神经细胞建立有1000种联系。这样算起来，数字将是极大的。大脑在形成的过程中产生的神经细胞数量会超过需要的数量。每个神经细胞都有自己的位置并同其它神经细胞建立联系。这种复杂的机制是每个人的单一性和不可“复制”性的保证D．大脑随人一起长人们一般都认为，人的智力与生俱有，即所谓“天资”。然而，最近在《自然》杂志上，美国一研究小组发表了他们多年的研究结果显示，人脑直到青春期还在发展，“年轻人的行为决定了他们的智力情况”。美国加利福尼亚的洛杉矶大学和加拿大的科学家，使用了磁共振扫描仪，对3岁到15岁的试验者进行了三维摄影，观察他们脑部的变化和发展。这是世界上第一次如此详细地研究人脑的发展变化和照片拍摄。试验者的年龄在3到15之间，观测的时间从两周到四年。他们主要观察连接人脑两半