本文內(nèi)容來自北京市科學(xué)技術(shù)協(xié)會主辦、北京科學(xué)中心承辦、北京科技報社協(xié)辦的首都科學(xué)講堂。講堂每周邀請院士專家開講，傳播科學(xué)知識、科學(xué)方法，弘揚科學(xué)精神、科學(xué)文化，促使公眾全面、正確理解科學(xué)。

作為人體最重要的結(jié)構(gòu)之一，大腦一直是科學(xué)家們不懈研究的重要領(lǐng)域。我們的行為到底受什么控制？新的靈感如何誕生，舊的記憶又儲存在哪里？小小的果蠅作為實驗動物和前沿的腦科學(xué)領(lǐng)域又有怎樣千絲萬縷的聯(lián)系？歷史上有哪些諾貝爾獎是與果蠅有關(guān)的？

本期首都科學(xué)講堂邀請中國科學(xué)院生物物理研究所腦與認知國家重點實驗室副研究員楊鄭鴻，帶領(lǐng)公眾走近不一樣的腦科學(xué)世界。

主講嘉賓：

楊鄭鴻

中國科學(xué)院生物物理研究所腦與認知國家重點實驗室副研究員

▲果蠅與腦科學(xué)（上）

▲果蠅與腦科學(xué)（下）??

眼見真的為實嗎？

眼見真的為實嗎？我們來看一下2020年獲得最強視覺欺騙獎的一個非常著名的視錯覺圖片——施羅德的樓梯。

我們最開始看這個樓梯是從左上到右下，但當(dāng)圖片旋轉(zhuǎn)了180度之后，它的方向并沒有顛倒！我們眨一下眼睛，它又變成了從左上到右下，就好像沒有發(fā)生過旋轉(zhuǎn)一樣。是不是非常有意思？用很簡單的方法激起了大腦的錯覺，是一個典型的視錯覺圖片。

原理解釋起來比較復(fù)雜，簡單地說，就是大腦認為它是一個樓梯，但實際上它只是由黑線和白線組成的圖案。這個圖案在我們腦海中留下一個樓梯的印象，當(dāng)圖案旋轉(zhuǎn)后，給大腦一個緩沖，它就回到了原來的印象。

除了視錯覺，在生活中，還有很多我們大腦被欺騙的現(xiàn)象。那么問題來了：都說眼見為實，可是什么才是真正的“看見”呢？我看見的，真的就是現(xiàn)實生活當(dāng)中的嗎？

在回答這個問題之前，我們再來看兩個非常有意思的病癥：皮層盲和安東綜合征。

皮層盲癥狀是上大學(xué)時候，教授講授給我的，它完全地激起了我對神經(jīng)科學(xué)和腦科學(xué)的興趣，甚至讓我走上了科研的道路。它有意思的地方在哪呢？顧名思義，皮層盲看不到東西。確實有這么一些病人，他們看不見東西。但去醫(yī)院檢查之后，醫(yī)生發(fā)現(xiàn)這些人雖然盲了，但他們的視網(wǎng)膜、角膜、眼球結(jié)構(gòu)、視神經(jīng)等全都沒有問題，但就是什么都看不見。

直到有一個醫(yī)生發(fā)現(xiàn)，這些病人在面對“眼前”白紙上的復(fù)雜圖案時（三角形、圓形和正方形），竟然有50%或者更大的概率，回答正確他隨手指到的白紙上任意一個圖案。

經(jīng)過研究才發(fā)現(xiàn)，原來這些“盲人”并不是看不見，而是他們不知道自己能看見。他們的眼睛能夠接受面前的圖案的視覺信息，他們大腦的初級皮層也能接受到電信號。但是在他們大腦的高級皮層，卻沒有去對這些視覺信息進行處理反饋，即他們自己是不知道自己能看見的。但如果你讓他們?nèi)セ卮鸬脑挘@些信號還是在大腦中留有一些痕跡，他們還是有極高概率回答正確的。

所以，從皮層盲現(xiàn)象來看，其實我們很難說清什么是真正的“看見”。

下一個病癥叫做安東綜合征。安東綜合征和皮層盲的病人正好相反，他們是真的盲了，但是他們不知道自己看不見，卻能表現(xiàn)得好像完全能看見一樣。

如果你邀請患有安東綜合征的病人一起看世界杯，他可能會和你積極討論球傳給誰了，誰進球了，你會發(fā)現(xiàn)他說的是完全錯誤的，但是他自己不知道其實他什么也沒有看到。

關(guān)于這個病癥，目前研究得還不是非常透徹，科學(xué)家們還不知道到底是大腦哪個神經(jīng)出現(xiàn)了問題，但很大可能是視覺和意識語言相關(guān)的神經(jīng)。這類人群看不見的這個情況，他們自己是無法在意識或語言表達層面接受的。

這是兩個非常有意思的病癥，解釋了我們看見和看不見之間，其實是有比較模糊的關(guān)系的，并不是像我們第一時間認為的那樣——看見了就是看見了，看不見就是看不見。

人類大腦每時每刻處理的信息實際上非常有限，只有注意力所在的地方，才是我們大腦進行處理的地方——你在意哪些事情，大腦才處理哪些事情。比如我們眼中真正注意到的東西，實際上比眼睛視野范圍內(nèi)的東西要少得多。以人類為例，高等動物常常會出現(xiàn)這樣的“大腦節(jié)能”現(xiàn)象：如果所有信息都需要大腦進行完全處理的話，我們?nèi)粘５淖⒁饬蜁稚⒘耍芏喙ぷ魑覀兙屯瓴怀闪?。所以，我們只需要把注意力放在需要這個認真對待的事物上就可以了。比如說寫作業(yè)或者工作的時候，我們的注意力會專注在學(xué)習(xí)或工作上，而不用去考慮該進行怎么樣的呼吸頻率，身體血管要怎么收縮……這些都被“節(jié)省”掉了。所以，人類的意識也是一個非常重要的功能，是腦科學(xué)重點研究的方向。

帶你認識腦科學(xué)

那么，到底什么是腦科學(xué)？腦科學(xué)研究的重點領(lǐng)域方向又是哪些呢？接下來讓我們一起了解。?

狹義的腦科學(xué)可以理解為神經(jīng)科學(xué)，是對神經(jīng)進行研究的一大類科學(xué)。研究的對象就是我們的大腦，重點內(nèi)容包括了大腦結(jié)構(gòu)以及大腦功能，就是大腦長什么樣子，大腦神經(jīng)之間是怎么連接的，我們都能用大腦來做什么，還有關(guān)于大腦產(chǎn)生的心智、意識等認知科學(xué)的研究。

功能上，大腦分為基礎(chǔ)功能和高級功能。基礎(chǔ)功能包括了我們對世界的感知和知覺——我們能看見、聽見，能感受溫度高低和其他人的觸碰；包括了學(xué)習(xí)記憶——每天學(xué)習(xí)的新知識、身邊朋友們的名字、回家的路線等；也同時包括了情緒、情感、注意、選擇等感情及決策。

幾乎所有的動物都具備基礎(chǔ)腦功能，但還有一些高級功能僅限于高等動物的范疇。比如共情能力、同情心這些一般低等動物是不具備的，而一些高級猿類、人類才能做到“感同身受”。還有我們的意識和社會合作行為等也是比較高級的功能，可以進行自主學(xué)習(xí)，可以和小伙伴一起共同完成一件事情，也是高等動物行為的能力之一。

科學(xué)家們研究大腦的最終目的，就是去理解大腦是怎樣工作的。我們可能了解大腦的很多功能，但它到底是如何運轉(zhuǎn)的，我們幾乎還不知道，或者說知道的非常少。

為了理解大腦怎么工作，腦科學(xué)研究領(lǐng)域中就有兩個非常關(guān)鍵的問題。大腦皮層可以劃分不同的腦區(qū)，大腦的不同腦區(qū)負責(zé)著不同的功能：有視覺皮層負責(zé)視覺，有嗅覺皮層負責(zé)嗅覺，還有負責(zé)運動、語言、情緒的。這些不同的功能，大腦是怎么一一實現(xiàn)的，是我們需要回答的第一個關(guān)鍵問題。

第二個關(guān)鍵問題是大腦的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是怎樣工作的，它的工作原理又是什么。什么是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)？就是說一個腦區(qū)之內(nèi)單個神經(jīng)元之間建立的連接。比如說負責(zé)視覺的腦區(qū)里有非常多的神經(jīng)元，它們之間是怎樣排列組合的，誰跟誰連著，誰在誰的旁邊，相互間的信息又是怎么傳遞的。這是我們研究神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的一個層次。另一個層次是大腦不同腦區(qū)之間是怎么聯(lián)系的，舉個簡單的例子，我們在運動時，負責(zé)運動的腦區(qū)要和人體哪個“部門”進行配合？首先，為了更好地運動，至少要和負責(zé)視覺的腦區(qū)進行配合。那么，這兩個腦區(qū)之間是怎么配合的，它們之間的神經(jīng)連接又是怎么樣的，也是在腦科學(xué)中需要回答的另一個關(guān)鍵問題。

腦科學(xué)的研究方向有很多，概括來講，當(dāng)前重點研究方向分為兩個。第一是如何預(yù)防和治療大腦的疾病。比如自閉癥、智力障礙、雙向情感障礙，甚至精神分裂、阿爾茲海默癥等。

第二個重要方向是人工智能。人工智能方向細分也有很多領(lǐng)域，比如我們希望計算機能具有像人類大腦一樣的功能，甚至未來在某種程度上能夠模擬代替我們的大腦。還有一個是腦機融合，把人腦和一部分的機器（可能僅芯片大小）進行結(jié)合，從而共同完成一些非常復(fù)雜的任務(wù)。大家可以想象一下，如果有一天，我的大腦中被植入一塊芯片，它儲存著世界上所有的物理、數(shù)學(xué)、化學(xué)公式，答題的時候我就可以像計算機一樣，從芯片中調(diào)取相關(guān)記憶。

不知道大家聽說過“三磅宇宙”嗎？三磅的重量大約相當(dāng)于三瓶礦泉水，這個重量也是人類大腦的重量。雖然僅有1300-1500克，它卻是人類所有智慧的來源，像宇宙一樣復(fù)雜浩瀚。而對大腦結(jié)構(gòu)和功能的探索和了解，可以說將是人類認識自我和認識世界過程中最復(fù)雜的挑戰(zhàn)之一了。

腦科學(xué)這個挑戰(zhàn)，一直吸引著無數(shù)科學(xué)家去探索，也包括你們這些未來的小科學(xué)家去接踵而至地進行研究。

神奇的小生物——果蠅

下面，我們來認識一種神奇的小生物——果蠅。作為一個非常好的神經(jīng)科學(xué)的模式生物，科學(xué)家們使用果蠅來研究腦科學(xué)。截至目前，實驗室的“無冕之王”果蠅已經(jīng)幫助科學(xué)家們共贏得了6次諾貝爾獎。

不知道大家觀察過家里吃剩的水果沒有？比如說隔夜的西瓜皮、香蕉皮上，有時候會縈繞著一些小飛蟲，這些小飛蟲大多數(shù)情況下就是果蠅。

和哺乳動物不大一樣的是，果蠅雌蠅的體型會大一些，雄蠅的體型會相對較小一些，果蠅寶寶從一顆卵中誕生發(fā)育和長大。整個發(fā)育過程被稱為變態(tài)發(fā)育。什么叫變態(tài)發(fā)育？就是和小蝌蚪長成小青蛙一樣，果蠅小時候的樣子和它長大以后的樣子也完全不一樣。

果蠅的幼蟲形狀有點像大米粒，但比大米粒還要小不少，體長僅1-2毫米。這時候的它沒有翅膀，沒有腳，也沒有大眼睛，就是一個小蟲子。經(jīng)過3-4天的發(fā)育，它會變成一個黃色的像大米粒一樣的蛹。在蛹的時期，幼蟲體內(nèi)所有細胞都會消失，變成營養(yǎng)物質(zhì)從而服務(wù)于二次發(fā)育，最后破蛹而出的才是我們見到的果蠅成蠅。

成熟的果蠅長啥樣？它的身體分為頭部、胸部和腹部；有6只足（腿），前中后共3對；還有一對翅膀。通過顯微鏡的放大圖片，我們可以清晰地看到果蠅的五官。首先映入眼簾的就是它這一對無法忽視的大眼睛。它的眼睛上面細看有很多小的凸起，其實這每一個小的凸起都是一只單眼，一共有1000-2000只左右，組成了一對大的復(fù)眼。這個復(fù)眼，和我們有什么不一樣？

人類視網(wǎng)膜正中間的細胞密度最高（成像最清晰），所以當(dāng)我們想看什么東西，一定是從正前方的角度去盯著它看。除了關(guān)注的物體本身，可能視野周圍相對來說就不會太清晰，因為視網(wǎng)膜四周的視神經(jīng)會相對稀疏一些。

那么，果蠅看到的世界是什么樣的呢？通過做實驗和科學(xué)家的分析，我們認為果蠅看到的世界是由很多馬賽克組成的。為什么有馬賽克？因為復(fù)眼是由很多只小的單眼組成的，每一個馬賽克就是一個單眼在成像。1000-2000個單眼組成了它的整個視野。

這樣的話，視野的空間分辨率就會比較低。不過，果蠅雖然犧牲了空間分辨率，但眼睛的時間分辨率卻非常高。人類看電影，靠的是人眼一秒20赫茲左右的時間分辨率，這樣我們才能把電影每個畫面在大腦里連貫起來。而果蠅眼睛的時間分辨率能到300赫茲左右，也就是說一秒鐘它能分辨出300個不同的相近圖案，比人類高非常多倍。這樣的果蠅去看電影，感受會是在看PPT，每一頁的圖像都是不連貫、卡頓的。

正因為擁有這樣的強大視力，果蠅雖然對靜態(tài)物體看得很模糊，但對動態(tài)的東西卻看得非常清楚，這也成了它躲避天敵天然的能力之一——迎面飛來的鳥具體長什么樣，有多大，這都不重要，重要的是已經(jīng)看到它朝著我飛過來了，三十六計走為上！

果蠅頭頂還有2個觸角，是嗅覺的來源。它的嘴，叫口器。這讓它吃東西的樣子也很有意思，它沒法像人類一樣張開嘴進行咀嚼，因為口器中也沒有牙齒。果蠅把口器伸出來當(dāng)勺子用，在水果上一勺一勺地把富有糖分的多汁美味直接送進食道和身體。

果蠅的英文是Fruit fly，全世界的實驗室里最常用到的是黑腹果蠅。有很多朋友好奇，果蠅是不是蒼蠅？No，雖然它們屬于同門同綱同目，都是節(jié)肢動物門下面的昆蟲綱雙翅目，而且長得有些像，都只有一對翅膀，但是果蠅和蒼蠅是很不同的。

果蠅屬于果蠅科，下有75個屬，全世界有大概4000多種。而我們通常說的蒼蠅其實是叫家蠅，屬于家蠅科，下有77個屬，有更多的種。

體型上，果蠅要小一些，2-4毫米左右，蒼蠅則要大得多，在5-8毫米，甚至更大。身體顏色上，果蠅呈黃褐色，而蒼蠅是灰褐色的。果蠅眼睛顏色偏鮮紅，而蒼蠅眼睛是暗紅色的。果蠅的腹部有黑色的條紋或者黑色的斑塊，而蒼蠅的背部一般有豎著的條紋。

同時，最重要的是它們吃的不一樣。果蠅吃得很講衛(wèi)生，以水果為主，而蒼蠅吃得更雜，也更不衛(wèi)生一些。它吃很多人和動物的排泄物以及腐爛的肉、魚類。因為果蠅自身免疫力很差，如果它沾染了細菌，很快就活不成了，但蒼蠅的免疫力非常強，它身上就算攜帶著病菌，也能安然無恙。

那么，腦科學(xué)和神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域的科學(xué)家們，為什么會對果蠅這么感興趣，選擇果蠅來做研究呢？

首先，果蠅的基因相對要簡單很多。2000年，科學(xué)家們對果蠅的整個基因完成了測序，在它13600對基因中，和人類同源相似的基因高達80%。

其次，果蠅的神經(jīng)系統(tǒng)也相對更簡單，它個子小，腦袋也小，相比有1億個神經(jīng)元的小白鼠，它只有10萬個神經(jīng)元。而我們?nèi)祟惖拇竽X保守估計大概有1000億個神經(jīng)元，加上神經(jīng)連接的話，保守估計大概是1000萬億個連接。所以，科學(xué)家們就退而求其次，先去研究一些簡單生物的神經(jīng)系統(tǒng)。

雖然果蠅的神經(jīng)系統(tǒng)簡單，但它在行為方面又具有相當(dāng)?shù)膹?fù)雜性。它除了可以完成很多比如覓食、交配、求偶、記憶、感知等基礎(chǔ)的腦功能的任務(wù)，生物鐘、晝夜節(jié)律等相對復(fù)雜行為它也都存在。所以，人類有的一些復(fù)雜行為，果蠅也有，那我們?yōu)楹尾挥煤唵蔚慕忸}思路去研究呢？

果蠅還有一個科研優(yōu)勢就是生長發(fā)育很快。在室溫下10-14天就能完成一次從幼蟲到成蟲的變態(tài)發(fā)育。也就是說，如果我們想研究果蠅的祖孫三代，僅僅需要1-2個月的時間。生命周期短，研究時間快，這也是科學(xué)家看中果蠅做實驗研究的重要一點。另外，果蠅的遺傳背景非常清晰，非常便于遺傳學(xué)的改造。???

關(guān)于果蠅的科學(xué)實驗，都能夠幫助我們?nèi)ダ斫馑拇竽X，進而能夠幫助我們?nèi)ダ斫馊祟惖纳窠?jīng)和大腦。

果蠅也幫助科學(xué)家們獲得了很多諾獎，比如早在1933年，托馬斯·亨特·摩爾根（Thomas Hunt Morgan）用果蠅完成研究，創(chuàng)立了基因遺傳學(xué)。近在2017年，美國遺傳學(xué)家杰弗里·霍爾（Jeffrey C. Hall）、邁克爾·羅斯巴什（Michael Rosbash）以及邁克爾·楊（Michael W. Young）因使用果蠅研究出了我們現(xiàn)在熟知的生物鐘的機制，獲得當(dāng)年的諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎。

科學(xué)精神與科學(xué)家品質(zhì)

接下來，我也向大家介紹一下科學(xué)研究這個概念。從這個研究內(nèi)容上，科學(xué)研究分成應(yīng)用型研究和基礎(chǔ)型研究。

應(yīng)用型研究是科學(xué)家們要解決具體的人類生活當(dāng)中的問題。比如怎么樣把火箭送上天，怎么樣讓人能夠在火星上生活，怎么讓電動車跑得更快，怎么讓手機電池的續(xù)航更優(yōu)秀等。

而以果蠅研究為代表的一大類基礎(chǔ)型研究，探索的是新理論、新原理。新理論、新原理是在當(dāng)前世界上還不存在，我們要去未知世界中把它們找出來，為應(yīng)用型科研提供理論依據(jù)。比如說牛頓定律、相對論或者麥克斯韋方程組，可能是一些非常理論的東西，但這些東西指導(dǎo)了無數(shù)的應(yīng)用型科研。

所以可以簡單地說，應(yīng)用型研究的結(jié)果建立在基礎(chǔ)型研究的基礎(chǔ)之上。這有點像一個是造鏟子的，一個是挖金子的。如果沒有基礎(chǔ)科研這把鏟子，肯定挖不出金子。但鏟子沒有用武之地也沒有太多的意義，我們最終還是需要找到想要的金子。

科學(xué)是什么？中國科學(xué)院高能物理研究所研究員張雙南教授曾總結(jié)過科學(xué)“三要素”，分別是科學(xué)目的、科學(xué)精神和科學(xué)方法。其中，科學(xué)精神包括三個方面：質(zhì)疑、獨立和唯一。

我在這里想著重分享一下其中的質(zhì)疑精神。就是我們一定要對課本里學(xué)到的已有知識，敢于產(chǎn)生一定的質(zhì)疑，只有這樣，科學(xué)才能發(fā)展。如果咱們只是單向攝取知識而不去思考，世界和科學(xué)都會停滯不前。

當(dāng)然，科學(xué)精神是質(zhì)疑，但也并不是讓大家什么都質(zhì)疑。我們在小學(xué)、中學(xué)，甚至在大學(xué)階段，可能更多的不是質(zhì)疑而是汲取，但是到了研究生階段，到了獨立自主地去做科研的階段，就要利用已有的知識去產(chǎn)生一定的質(zhì)疑和研究，有可能就會有驚喜和突破。

所以，我認為如果想成為一個進行科學(xué)研究的人，需要具備的最重要的品質(zhì)之一就是好奇心。

如果你對這個世界、對自己的大腦、對自己的身體，沒有好奇心的話，你自然也就不會去研究它。所以你要盡快找到自己的興趣點：到底對什么最好奇，然后再去研究它。

接下來，你還需要具備邏輯思維能力。什么是邏輯思維能力？也就是凡事講因果。為什么有現(xiàn)在這種結(jié)果？我們要探求它產(chǎn)生的原因在哪里。通過合理的推理，一環(huán)扣一環(huán)地慢慢地找到真相。

當(dāng)然，還要具備毅力、變通和誠信的品質(zhì)。探求真理的道路上當(dāng)然不是一帆風(fēng)順，你需要學(xué)會接受失敗，并在失敗的基礎(chǔ)上有毅力堅持住，有自律一如既往地進行科學(xué)研究，永攀科學(xué)高峰。

變通性也很重要。雖然要執(zhí)著、要有毅力，但是不能一味固執(zhí)。真理只有一個，怎么就能保證你的一定會是真相呢？如果你的實驗結(jié)果證明不對，要學(xué)會變通，去其他方向?qū)で笳胬怼?/p>

誠信也非常重要。我們在科學(xué)研究當(dāng)中，一定要保證過程的真實性，也要保證結(jié)果的真實性，這樣才能對人類社會做出真實的貢獻。這些品質(zhì)方面，大家都可以慢慢地建立。如果你懷揣科學(xué)夢想，也許假以時日，你就會成為一個真正的科學(xué)家。

（本期圖片、視頻來自第777期首都科學(xué)講堂）

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