以下文章来源于格致论道讲坛，作者路中华
格致论道讲坛.
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“所有这些关于我们自己的问题，都与我们头顶上、头骨下方这个一公斤多一点的灰白色的器官，有着直接的关系。”
路中华中国科学院深圳先进技术研究院研究员
大家好，我是路中华，来自于中国科学院深圳先进技术研究院。今天我来跟大家聊一聊，我们头顶上的这个——脑子。
首先我想和大家一起回顾几个问题，我们为什么能够看到阳光？我们为什么能够闻到花香？我们为什么能够感受到清风拂过我们的脸庞？我们为什么能够走路？我们为什么会歌唱？我们为什么会学习？我们为什么能记忆？我们为什么会有喜怒哀乐？
所有这些关于我们自己的问题，都与我们头顶上、头骨下方这个一公斤多一点的灰白色的器官，有着直接的关系。
虽然我不能告诉大家大脑到底是什么，但我可以公平地说，它是我们人类，或者我们人类进行的科学试验所要研究的黑盒子之一，我们甚至可以把之一去掉。
定义大脑：大脑中有亿个神经元
在讲之前，我们先回顾一下，我们是怎么定义大脑的。从结构的角度上讲，最简单的定义就是“大脑中有亿个神经元”。大家可以想象一下，整个地球上才不到亿个人，大脑中却有亿个神经元！
我认为大脑之所以能够执行如此复杂的功能，引起我们无限的遐想，一个非常重要的原因，就在于它具有数目众多的神经元。
每一个神经元跟我们每一个人一样。我们认识不同的人，说着不同的语言，来自不同的地方，遇到不同事情的时候会有不同的反应，神经元也是如此。
正是因为具有这个由亿个神经元组成、被称之为Ensemble的巨大的集合，我们的大脑才拥有了无与伦比的功能。
一百多年前，在西班牙有一个非常著名的神经解剖学家RamnyCajal，他发现大脑中的神经元有一个非常关键的特性，就是它们长得都不一样。它们在形态上的差别要远远大于我们每个人之间的差别，所以他就非常细致地把他在大脑皮层中看到这些神经元勾勒了下来。
他当时发现了差不多几十种神经元，而我们现在所知道的大脑中所拥有的神经元的数量，要远远多于RamnyCajal先生在一百多年前发现的。
如今，随着分子生物学技术、光学技术的进步，我们可以更好的分辨大脑中到底有多少种不同的神经元。
了解大脑：它有什么功能？又是如何发挥作用的？
我们脑中有一个部分叫小脑，它负责控制运动的神经元，英文叫PurkinjeCell。运动神经元看起来像植物，但是自然界中没有任何一种植物长成这个样子。
运动神经元图像
它上边这些像树杈一样的东西，我们把它称作树突，这是神经元一种非常基本的结构。除此之外，再靠下一点的地方有个圆圆的东西，我们管它叫胞体。
如果把它想象成一个芯片，上面的树突就是用来收集信号，之后对信号进行处理，再通过下面这个小小的结构轴突（这里只显示了一部分），把它传递到与它连接在一起的神经元上。
这些控制运动的神经元排列在一起，就能形成互相之间传递和解算信息的有序结构，如下图。
此外，一般来讲，我们都认为大脑是智力的源泉，是学习和记忆的基础。
在人的大脑中有一种结构叫海马，这里有很多控制记忆的神经元，我们用现代分子遗传学的方法，把不同种类神经元标记成不同颜色后，看起来就如下图。
下面这张图看起来是不是非常像一棵一棵的树？这是控制睡眠的神经元。
大家可能觉得睡眠是一个非常简单的行为，困了自然就睡了。事实上睡眠是由大脑控制的一种非常精准的行为。
但上图的神经元并不是来自于哺乳动物的，也不是来自于人类的，他们实际上来自于小小的苍蝇，苍蝇大脑中控制睡眠的神经元就是这个样子。
刚才提到，大脑最根本的特性在于它有亿个形态和功能各不相同的神经元，那么大脑到底在做什么？我想大家每个人都知道一点。
一般当大家说到大脑的时候，都认为它是智力的源泉，但其实大脑同时还控制着我们的生理和运动功能，你正常的走路都是由大脑来控制的。如果你一侧的半规管出现问题，即它投向大脑的平衡信息出现问题的时候，我们就不能正常行走了。
睡眠是由大脑精密控制的一种行为。当人的睡眠开始变得不好，比如每天早上5点钟就醒了，可能是脑衰退的一种体现。
人不同于很多其他的植物，他有非常复杂的社交行为。比方说猫咪在抱着你的腿撒娇的时候，实际上这是猫咪的一种需要，我们人也有非常强烈的社会交往需要，我们在后面还会讲到。
人的学习和记忆，不止是在学校里读书学习课本上的知识。学习打牌，知道打牌输了的时候要往脸上贴纸条，这也是学习的一部分。
我们人还有一些非常特别的，经过自然选择保留下来的行为，比方说冒险的行为。大家觉得冒险非常简单，实际上一点都不简单，它是经过大脑非常复杂的计算，才能够执行的一个行为。
所以，大脑不光是智力的源泉，它也是情感的源泉。
总结一下大脑的功能，我认为可以分成四个部分。
第一是我们能够感知周围的环境。第二是运动控制，不止运动，包括我们的生理都是由大脑来控制的。第三是我们经常提到的学习和记忆，最后是情绪和情感。
对于大脑的结构来讲，其一个基本的特点就在于不同的大脑区域可以控制不同的功能。比方说你的前额叶皮层就是用来控制情感的，包括你的决策。
唐克扬老师说，他走到山上思考怎样建好建筑，思考如何进行抉择的时候，他的前额叶皮层应该是非常活跃的。
我们人有五种感知觉系统，你对外界的感受，都是由后边颞叶来控制的，小脑和大脑的一部分皮层是用来控制运动的。我们的呼吸、心跳，这些基本的功能是由脑干的一些非常重要的核团或者神经元控制的。不同的区域执行不同的功能，这是大脑在结构上的一个非常重要的特点。
大脑不同于人体的任何一个器官，虽然从细胞数目上来说，它和身体的其他器官没有显著的区别，但是大脑之间的神经元是通过电信号相互传递信息的，这是大脑不同于身体里其他器官的原因，以下这段简单的视频可以给大家解释。
每一个细胞、每一个神经元都相当于一片芯片。这个芯片会受到两种信号的影响，一种是红色信号，用以激活它，另外一种是蓝色信号，用以抑制它。经过解算后，它会决定要不要发出这个信号。
它发出的信号是电信号，在神经科学领域被称作动作电位。值得注意的是，它有红色和蓝色的信号集合。当这个信号达到一定程度的时候，一个信号就会传递到下游的轴突上，就是一个动作电位。
当动作电位传递到下游，每一个神经元再跟下游的多个神经元发生信息交互。大脑中含有亿个神经元，它们信息交互的复杂程度远远超过了我们的想象。
我认为这在一定意义上是对还原论的终极挑战，因为在一定程度上，想要用还原论的方法来解答生物芯片是怎样工作的，我认为是不可能的事情。
为什么研究脑科学？
那么我们为什么关心大脑？为什么关心脑科学？我觉得除了它是我们人类认知终极挑战的目标之一，还有一个非常重要的原因，即大脑功能如果出现了异常，会带来非常多的疾病。
举个例子，比如大家都非常关心的老年痴呆症，下图左边是一个正常人的大脑形态，右边是得了老年痴呆症以后的大脑。
可以看到上图右大脑皮层的厚度大大缩减了，我们用来处理学习、记忆、情感以及运动相关信息的神经元，有50%到60%以上都丧失了。
大脑丧失了这些非常核心的部分，也就导致我们丧失了学习和记忆的能力，你不知道你的家在哪了，你不认识你的女儿了。
下图中这位老人得了另外一种神经疾病，也是一种神经退行性疾病，叫帕金森病。可以看到他在静息态时，有非常严重的震颤。
那么这个震颤是由什么产生的呢？在中脑里，有一些神经元叫多巴胺能神经元。随着人年龄的增长，这些多巴胺能神经元会逐渐死亡，当它死亡超过85%的时候，就会出现这位老人在静息态的震颤症状。
除此之外，还有一些其他疾病，比如睡眠方面的疾病。不止人会得这类病，狗也会得。
如下图里的这只狗就得了一种非常奇怪的睡眠症，叫发作性睡眠症。大家可以观察到，它刚才还玩得好好的，但是当控制睡眠的神经元出现问题的时候，它就会不由自主地睡过去。
大家可以想象，如果人得了这样的疾病，还能开车吗？还能骑自行车吗？很显然是不能的，甚至连走路都不行，你走着路也可能会睡着。
但很快会再醒过来，因为这些神经元有一些监护性的机制，如果发现你在不应该睡觉的时候睡着了，就会把你叫醒。
大脑真的非常复杂，很多事情看起来容易，但其实每一件事情都是精密调控的，哪怕出现一点问题，都会给你的生活带来很大的困扰。
回到我们的主题，恐惧和焦虑。其实这只是一个引子，我会利用恐惧和焦虑两个例子，具体解释大脑各部分可以执行不同的功能。我最后的结论是，恐惧是由大脑中不同区域来执行的。
我们刚才提到的内容是用还原论的方法来拆分大脑，但实际上，我们在分析大脑功能的时候会遇到很多困难。
所谓恐惧，就是当你在树林里见到一只大老虎以50公里的速度朝你冲过来，你所有的生理和心理反应的集合就叫恐惧。
当你走在路上，离树林还有公里远，你就担心遇到大老虎，这叫焦虑。
但是控制焦虑的脑区域为什么看起来跟控制恐惧的脑区是一样的？说实话，我也不明白。
左：控制恐惧的脑区和神经环路
右：控制焦虑的脑区和神经环路
但有一些我是理解的，比如大脑中的一些特定结构，是跟恐惧和焦虑有着直接关系的。
大脑中有一个跟杏仁差不多大小、长得也像杏仁的结构，叫杏仁核，如果它的功能消失，人就完全没有恐惧了。他可以在大街上朝着汽车走过去，完全没有任何恐惧的感觉。
在恐惧和焦虑出现异常的时候，会通过很多精神疾病反映出来。
比如有一类精神疾病叫情感障碍（affectivedisorder），它影响成年人更多一些，包括抑郁症、焦虑症、恐惧症、强迫症等，这些都和刚刚提到的那些神经元的功能失常有关系。
下面几张图是一位小朋友作的画，色彩非常斑斓。虽然我不太懂绘画，但我觉得挺好看的。
这些画实际上是一个只有5岁的英国小姑娘IrisGrace画的。她在绘画方面有着不同寻常的天分，但与此同时，她也是一个患有自闭症的孩子。
IrisGrace
虽然这个孩子可以画出那样美轮美奂的图画，但是她一句话都不会说，她没有办法跟人进行正常的交流。很显然她的大脑在发育的过程中出现了一些异常。
那么出现这些异常的原因到底是什么？我们能不能找到异常在哪里，并且给予干预，让她有一个正常的生活，这就是我们正在研究的很关键的一个方面。
什么是自闭症？自闭症又叫做孤独症或者孤独性谱系障碍，是广泛性发育疾病的一种代表疾病。
在这里强调一点，我们通常认为自闭症是孩子的疾病，实际上不是的。自闭症是一种完全失能的疾病，即得了自闭症的孩子，他一生都需要其他人的照顾。即使聋哑人也有工作和学习的能力，但是得了自闭症的孩子是完全失能的，会给家庭带来非常沉重的负担。
一般提起自闭症，大家都会想到《RAINMAN》这部电影。达斯汀霍夫曼饰演的角色有着无与伦比的数学计算能力，但他完全没有办法跟人交流，没有社交能力，这也是自闭症名字的由来。
我们在科学上可以用比较准确的方法来鉴定自闭症，找出这些孩子到底有怎样的缺陷。下图的例子就是他们在视觉上的缺陷。
我们将两幅图分别展示给患自闭症的孩子（图左）和正常孩子（图右），用仪器追踪他们目光停留的地方。可以发现，左边得了自闭症的孩子的目光一直停留在图画的中央，而右边正常的孩子就可以看到图画的不同部分。
自闭症它不是一种单一疾病，它是一种广泛性发育障碍，它包括非常多的亚型，其中一些我们到现在也没有办法准确界定。
在所谓的医师手册中，有一系列行为案例，比如说一共有15个不太正常的行为，如果孩子出现了上述行为中的五个，就可以认为他患有自闭症，如果他出现了十个，就可以认为他是非常典型的自闭症。
所谓的行为异常都有什么呢？包括缺乏展示，缺乏语言沟通和互动，缺乏兴趣和快乐分享，对名字缺乏反应，有重复动作等。大家可以看到这些都是对外在动作的判断，并不是非常准确的界定，我们对于它内在的本质还是缺乏了解的。
总结来说，什么叫自闭症？在临床上它可以用两句话来概括，就是他缺乏应有的行为，出现了异常的行为。但这是非常笼统的定义。连诊断都谈不上，更不要谈如何干预和治疗自闭症。
对于自闭症诊断还有一个非常重要的挑战。自闭症实际上是发育障碍的一种，在自闭症的孩子中有70%到80%会出现智力发展缺陷，它会出现合并症，这在自闭症的诊断中是一个非常重要的因素，而且难以剥离。
很多患者会有神经发育方面的疾病，比如ADHD（多动症），再如很多孩子有学习障碍、沟通障碍、脑瘫、癫痫之类的疾病，除此之外还会有并发。
因为大脑是非常复杂的器官，所以我们不应该只用其中一个作为核心症候，而将社会交往的行为缺陷单独剥离。
此外，自闭症与很多疾病的特点相似也是一个在诊断方面难以解决的问题，对此整个学术界，包括医疗界也还存在很大的争议。
那么自闭症的病因到底在哪里？它到底是由遗传因素决定，还是由环境因素决定的？
在这里需要先普及一个知识，即如果是同卵双胞胎，则意味着%的遗传物质是一样的；如果是异卵双胞胎，就只有50%的遗传物质是一样的。
所以如果同卵双胞胎的患病几率远远高于异卵双胞胎，就证明遗传因素在其中有非常关键的作用。
根据上图可以看到对于孤独性谱系（即自闭症），遗传因素是非常关键的。
同时，遗传因素也在精神分裂、情感障碍、多动症这些精神疾病的发病过程中起到了非常重要的作用。
另外我们还会