探索大脑的工作原理是对人类的一项巨大挑战，它被誉为自然科学“最后的堡垒”、当代科技“皇冠上的明珠”。为了破译大脑的奥秘，科学家们采用化整为零的方法，从不同的层次开展脑科学研究，这些层次分别为分子、细胞、系统、行为和认知。日前，美国哈佛大学约翰保尔森工程与应用科学学院的研究人员就推出了一种软性植入式设备，能够长时间记录大脑中单个神经元的活动。

在分子层次方面，科学家从微观水平研究脑的物质结构。脑的物质结构中包含着许多奇特的分子，它们对于脑功能行使扮演着非常关键的角色。例如，神经酰胺等“信使”类分子让神经元之间可以传递信号；通道蛋白等“卫兵”类分子控制着不同的物质进出神经元；轴突导向分子等“向导”类分子协调神经元的生长。对脑的这些最基本成分的研究被称为“分子神经科学”，常用到原位杂交、克隆技术和转基因动物。

在细胞层次方面，科学家致力于研究大脑有多少不同种类的神经元，它们的功能差异在哪里，不同的神经元是如何互相传递信号，神经元是如何对不同的信号进行编码。由于神经元的反应模式就是发放电信号，因此，科学家通过电极收集和记录神经元的反应，利用膜片钳技术和药理学方法分析与其相关的细胞膜特性及神经递质。这类研究往往在实验动物上开展，也有些在离体培养的脑细胞上开展。

在系统层次方面，科学家们研究的主题是大脑的各种功能以怎样的神经环路作为基础，信号是如何在神经环路上运行？例如，“视觉系统”和“运动系统”在脑内都拥有各自独特的神经环路。这些神经环路涉及到数以亿计的神经元，要通过染色或示踪技术观察神经元之间的连接方式，通过刺激和反应分析其执行功能时的动态联系。

在行为层次方面，科学家尝试把人或动物的行为与相关脑区及神经环路联系起来，有关动物的研究为有关人类的研究打下基础。例如，人为什么会做梦？为什么会在特定的刺激下产生特定的情绪或行为？为什么拥有不同类型的记忆？记住陌生人的面孔和记住一首诗句涉及哪些不同的脑区？这些问题与我们的日常生活相关。以人为对象的研究应当安全无创，脑电图、脑磁图、功能性磁共振成像、正电子发射型计算机断层显像、近红外脑功能成像等技术在该领域发挥了重大作用。

在认知层次方面，科学家的目标是弄清人类的高级精神活动，如自我意识、逻辑思维、联想和语言的神经机制。该领域的研究用到心理学、计算建模、脑成像等多种研究方法。该领域的课题是脑科学面临的最大挑战，因为大脑不同于其他器官之处就在于实现了从物质到精神的跨越，可以思索浩瀚宇宙的秘密。

所有这些研究必须经过巧妙的整合，人类才能完美诠释大脑的奥秘。而要让大脑的奥秘造福于人类，脑科学必须与其他学科相互交叉，从理论研究进入实际应用。脑科学与教育学、认知科学交叉形成了教育神经科学；脑科学与数学交叉形成了神经计算学；脑科学与计算机科学交叉形成了人工智能；脑科学与医学交叉形成了临床神经科学；脑科学与工程学交叉形成了神经工程学；脑科学与经济学交叉形成了神经经济学；脑科学与哲学交叉形成了心灵哲学……随着现代科技的发展，这些交叉领域的研究会越来越深入和广泛，从而深刻影响到人类社会的方方面面。

人类凭借卓越的大脑从动物界脱颖而出，成为最具创造力而强大的物种。期待人类在不断探索外界的同时，更清晰地了解自身，以及自身与宇宙的关联，这样人类才能在一次又一次的自然选择中生生不息，开创具有无限可能的未来。

（作者系华中师范大学副教授、中国神经科学学会科普与继续教育委员会委员）