腦科學進展緩慢？這是一個上帝的難題

腦科學進展為何如此緩慢？

Mon1st，神經生物與行為學博士在讀

結論先行：

腦科學研究的困難在於腦是一個極為複雜的系統，在其他領域一樣是難題（例如天氣）。

得益於重要技術的不斷湧現，今天的腦科學正在飛速發展。

腦科學看似不成熟，一部分是因為其發現還沒有大量進入日常生活。

「腦科學進展為何如此緩慢」 是一個上帝的難題[1]：什麼時期，跟誰相比，如何判斷快慢？

下面從一些可能的角度來回答人的難題。

1. 經典物理學早在百年前就可以解釋日常尺度下物體的運動。為什麼對人腦運行機制的研究還沒有到能夠解釋人類行為的程度？

偽命題。經典物理學給出了物體運動的原理，但是測量初始條件以及進行計算完全是另一回事，不然天氣預報就會准了。

我們對神經系統的基本結構：神經元的理解已經到了納米級[2]，而單個神經元的活動模擬也可以還原為大多數基本結構（雙層磷脂膜，各種離子通道和離子泵等）已知的模型。

問題在於，人腦是一個極為複雜的系統，當你把相對簡單的一個個神經元組裝起來，整體的行為就變得難以預測。更何況有成百上千種不同的神經元，其連接模式尚未完全描繪清楚。

總結：一個人腦的複雜程度不亞於天氣系統，而對這麼複雜的系統腦科學沒有解，物理學也沒有，所以不能因此判斷腦科學進展比物理學緩慢。

2. 如果僅僅是結構複雜，運算困難，那麼為什麼還沒有好的腦模型？

技術限制。在二十年以前，研究人腦或動物腦，僅有的手段是腦組織損傷（包括研究中風或受傷的病人），電生理學（但是一次只能記錄少量細胞，並且無法辨別同一區域的不同細胞），低解析度的測量 / 成像（包括 MRI,EEG,PET 等），和切片研究。這些方法加起來有點像你可以站在月亮上用望遠鏡看地球。儘管如此，神經科學的前輩們仍然取得了大量的成果。

事實上這個問題可以引出為什麼今天的腦科學正在飛速發展。大量現在日常用的技術都是近二十年內發明，最近五到十年才真正得到廣泛應用的。下面列舉一些常用技術的發明時間。

光遺傳學（精確控制一個小範圍內特定種類的神經元）：2005 年[3]，CLARITY（把大腦變透明來研究連接模式）： 2013 年[4]，鈣離子功能成像（同時觀測大量特定神經元在活體動物中的活動）：2001 年[5]，電壓成像（比鈣離子成像更高時間解析度）：還在迅速發展中[6]。

這些技術對腦科學研究的意義大概相當於以前幹什麼都是用鎚子，現在終於有了電鑽。而這些技術的發明都依賴於其他技術的發展，也就是說，研究腦科學所必須的工具處在科技樹頂端，所以現代腦科學其實是一門非常年輕的學科。

例如，口渴的神經基礎似乎是一個很直接的問題，但是大腦中「表達口渴的神經元」直到 2016 年才被發現 （見神奇的「口渴神經元」，能預測吃飯和喝水對血液滲透壓的影響）原因就在於這個發現依賴於多個最新技術：插入腦中的光纖測量鈣離子熒光蛋白髮出的光子(fiber photometry)，以及光遺傳學抑制神經元活動。

3. 就算不能預測整個大腦的輸出，為什麼還沒有簡單行為的模型？換言之，我們已經能夠用神經科學解釋的行為為什麼這麼少？

這個就見仁見智了——我認為已經清晰描繪的神經迴路 / 各種現象的神經基礎超乎許多人的想像，當然也許是因為我比較 naive。

例如：小腦運算迴路（為什麼反轉自行車那麼難學？）；前庭眼反射 / VOR（為什麼我們搖頭的時候視線可以維持在同一個點？）；後腦決定左右的迴路（敵人來了，向左跑還是向右跑？）；等等。但是這些發現離進入人們的日常生活還有一定距離：每當你我用手機時，可能會感恩量子力學——至少大多數人知道微電子設備離不開量子物理學的發展。但是當你走在街上，眼睛盯著迎面走來的美女時，你可能不會感激自己的 VOR 運作良好——儘管神經科學家們已經發現了這個迴路，離進入日常運用還有一定的距離。可能當腦機介面 / 虛擬現實真正普及的時候人們才會體會到腦科學的發展吧。

[1]上帝的難題與人的難題 - 潛台詞 - 知乎專欄

[2] Tang, Ai-Hui, et al. "A trans-synaptic nanocolumn aligns neurotransmitter release to receptors."Nature(2016).

[3]Optogenetics

[4] Chung, Kwanghun, and Karl Deisseroth. "CLARITY for mapping the nervous system."Nature methods10.6 (2013): 508-513.

[5] Nakai, Junichi, Masamichi Ohkura, and Keiji Imoto. "A high signal-to-noise Ca2+ probe composed of a single green fluorescent protein."Nature biotechnology19.2 (2001): 137-141.

[6] Gong, Y., Huang, C., Li, J. Z., Grewe, B. F., Zhang, Y., Eismann, S., & Schnitzer, M. J. (2015). High-speed recording of neural spikes in awake mice and flies with a fluorescent voltage sensor. Science, 350(6266), 1361–1366.

[7] Koyama, M., Minale, F., Shum, J., Nishimura, N., Schaffer, C. B., & Fetcho, J. R. (2016). A circuit motif in the zebrafish hindbrain for a two alternative behavioral choice to turn left or right. eLife, 5, 1–23.

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