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【科学讲座】刘力:“知道吗?大脑有时在欺骗你”

2018年9月13日晚七点,中国科学院大学科学前沿进展名家系列讲座Ⅲ第156讲在玉泉路校区阶一4教室开讲。中国科学院生物物理研究所研究员、副所长,中国科学院大学教授刘力老师从认知脑科学的角度介绍我们的大脑——“知道吗?大脑有时在欺骗你”。

刘力老师首先提到脑科学中的一个基本问题:我们认识外界究竟是直接感知整体,还是认识了各个细节后整合在一起成为整体呢?

《Science》曾提出过125个重要的科学问题,其中有关脑与认知科学的4个位列25个重中之重的问题。刘力老师说21世纪被称为“生命科学、脑科学的百年”, 脑科学在各国备受关注,而我们也希望由研究大脑的运行机制来发展人工智能。

大脑是否有功能定位呢?刘力老师介绍了这样一段历史:德国神经结构学家高尔将大脑划分为不同的小“器官”来代表不同功能,强化不同功能会使得相应器官膨大,从而使得露骨凸起。这个理论源于他的一位中学同学,这位同学有超强的语言记忆能力,却也有着明显的暴突眼。虽然这个“颅相学”理论现今看起来立不住脚,但是也给我们提供了一定思路。

法国医生保罗·布若卡曾经接受了一个能理解他人话语,却不能表达自己而只能发出“Tan”音的病人——“Tan先生”。不幸的是,“Tan先生”不久之后就去世了。布若卡解剖了他的大脑,发现其大脑下前额叶某个区域受到了损伤。布若卡感觉到了不寻常,他又研究了多个失语症患者的大脑,发现了同样的情况。1865年,布若卡发表了论文《我们用大脑左半球说话》。后来,人们就用他的名字命名了这个区域——布若卡区。刘老师介绍了一个相关议案:在这篇论文发表后,一位名叫古斯塔夫·达克斯的青年人找上门来,声称自己的父亲马克·达克斯早已做过相关研究,而且将结果发表在报刊上。他怀疑布若卡已经看过了这篇文章,这个荣誉应该归于自己的父亲。这个疑案至今未决,所以我们也称达克斯-布若卡理论。

无独有偶,德国医生布尔·韦尼克发现了能表达却听不懂语言的病人的大脑的病变,这都提示着我们大脑有自己的分工。讲座上,刘老师通过案例一一介绍了不同区域的功能。

我们研究大脑结构时,经常用到Nissl染色法,这是Nissl在完成导师布置的观察大脑结构作业时发明的方法。细胞核中有很多酸性物质,而大脑代谢快速,用碱性物质染色,我们便可以观察到一个一个的胞体。这些胞体分布具有层次,于是我们可以据此将大脑分为六个层次,其中4、5、6层较厚。这与不同层次的分工有关:第四层是感受皮层,而第五、六层是运动皮层。

还有另一种更适用的高尔基染色法,它通过硝酸银与重铬酸钾反应在细胞膜内形成铬酸银颗粒黑色沉积,随机地将1%的神经元染色,方便观察,这就是著名的“Black Reaction”。

刘老师介绍到高尔基和凯扎尔都是用这一方法研究,但是高尔基提出大脑像是海绵一样组合在一起,而凯扎尔却认为是单个的神经元联结在一起。这场旷日持久的诺贝尔之争直到研究者们用电镜观察到神经元的突触才以凯扎尔的胜利结束。

大脑4/5的大脑是联合皮层,真正用于认识外界。刘老师提到,当我们提供普通物品和提供面孔图像时,大脑的反应出现了明显的差异。但是将面孔打乱成扭曲的图像时,大脑的反应就像是对待普通物品一样。这说明大脑认识面孔时是整体认知,在漫长的进化中我们有了对面孔的独特神经元,这具有种族、亚种特异性。就好像我们很容易分辨出黄种人的面孔,却很难分辨黑种人、白种人。刘老师介绍,大脑里可能存在着不同的神经元群,对面孔的不同角度进行识别。此外,大脑中既有针对整体的神经元,也有针对细节的神经元,这就是物体识别的双加工模型。

大脑太过复杂,所以我们的研究永远是进行时。而任何一小步,就有可能是人类的一大步。(文/黄姹  图/赵然  作者系国科大记者团成员)

刘力老师为同学们做报告

主讲人介绍:

刘力,中国科学院生物物理研究所研究员、副所长,中国科学院大学教授。主要从事视觉信息处理以及学习记忆等认知行为的神经回路及细胞分子机制方面的研究。在Nature、Science等杂志发表论文30余篇。现为中国神经科学学会的常务理事,中国认知科学学会理事。曾获得国家杰出青年科学基金(2006)、中国青年科技奖(2007)、国务院优秀科技者政府津贴(2008)。

延伸阅读:

“科学前沿进展名家系列讲座”创办于2014年9月,是中国科学院大学为本科生开设的必修课程,同时欢迎研究生与教职工参加,由中国科学院大学本科部主办,讲座召集人为徐涛院士。该课程按照数学、物理、化学等13个专业,邀请相关科学领域的院士等知名专家开展专题讲座。通过讲述科学故事、介绍相关学科方向的科学前沿进展,让学生在本科阶段了解不同学科的科研方向与主要进展,拓宽学生的学术视野,为他们最终选择学科专业与专业方向提供丰富的判断依据。