脑科学研究现状如何？

高科技行业的竞争基础来源于所属领域基础科学的竞争， 脑科学的基础研究进展决定着相关行业的发展高度。

脑科学研究是脑机接口行业出现和发展的基础。脑科学是对神 经系统（大脑、脊髓和周围神经系统）及其功能和障碍的科学研究。 它是一门交叉学科，结合了生理学、解剖学、分子生物学、发育生 物学、细胞学、心理学、物理学、计算机科学、化学、医学、统计 学和数学建模，以了解神经元、胶质细胞、神经环路、神经系统的 特性。随着技术的进步，神经科学的研究尺度已得到极大扩展，从 对单个神经元的分子和细胞研究，到对感觉、运动和认知任务的研 究，如学习、记忆、行为、感知和意识。

神经元是构成神经系统结构和功能的基本单位，分为细胞体和 突起两部分。细胞体由细胞核、细胞膜、细胞质组成，具有联络和 整合输入信息并传出信息的作用。突起可分为轴突和树突，轴突负 责传递兴奋冲动，树突负责接收冲动。神经元膜内含有 K +，膜外含 有 Na+离子，它们通过离子通道的跨膜转运形成静息电位和动作电位。 动作电位是指神经细胞受到刺激时在静息电位的基础上产生的可扩 布的电位变化过程。

神经元构成了神经系统的结构，而突触使得这些结构相互连接 构成真正的系统。突触又分为电突触和化学性突触，电突触不需要 神经递质来介导，而是电信号的双向直接传递。化学突触是以神经 递质为媒介，将电信号转为化学信号再转为电信号的单向传递，根 据神经递质的不同可分为兴奋性突触后电位（EPSP）和抑制性突触 后电位（IPSP）。

大脑的不同区域负责着不同的功能，如图 3-4 所示，额叶负责解 决问题、判断和运动功能，顶叶管理感觉、书写和身体姿势，颞叶 与记忆和听力有关，枕叶包含大脑的视觉处理系统。

现代神经科学的研究主要可以分为：分子和细胞神经科学、神 经环路和系统、认知和行为神经科学、计算神经科学、转化和临床 神经科学。分子和细胞神经科学寻求理解神经元和神经胶质内部和 之间的基本过程，这些过程和成分通常与神经系统疾病直接相关，并可能被证明是新药治疗的临床相关靶点。神经环路和系统的研究 包括神经回路是如何形成的，并在解剖学和生理学上用于产生反射、 多感官整合、运动协调、昼夜节律、情绪反应、学习和记忆等功能。 换句话说，他们解决了这些神经回路在大规模脑网络中的功能，以 及产生行为的机制。认知和行为神经科学研究神经环路如何产生心 理功能的问题。新测量技术的出现，如神经成像、脑电图、脑磁图、 电生理学、光遗传学和人类基因分析，结合认知心理学的复杂实验 技术，使神经科学家和心理学家能够解决抽象问题，如认知和情绪 的神经机制。计算神经科学的研究利用数学模型、理论分析和计算 机模拟来描述和验证生物学上合理的神经元和神经系统。例如，生 物神经元模型是对尖峰神经元的数学描述，可用于描述单个神经元 的行为以及神经网络的动力学，计算神经科学最新研究包括神经编 码、神经解码、神经网络动力学、脑机接口。转化和临床神经科学， 致力于将基础研究发现转化为临床应用，如特发性震颤、神经退行 性疾病等的研究，神经退行性的疾病主要有脑萎缩、老年痴呆症、 帕金森综合征以及肌肉萎缩侧索硬化。

脑机接口在脑科学的研究中起到了关键作用，脑科学的进步反 过来促进脑机接口的发展。在脑科学研究中，脑机接口主要用于电 生理信号的采集，采集的信号可用于脑科学研究分析。同时，脑科 学的研究成果可以通过脑机接口得到成果转化与应用。如神经环路、 脑功能分区的研究结果，可以为脑机接口的应用提供科学的指导。

同的深度脑机接口检测到的信号的精细度和特征不同。非侵入式脑机接口如头戴式脑电帽，检测到的信号被称为 EEG，是距离皮层较近的按特定几何形态排布并被同步激活的大量 神经元突触活动。侵入式脑机接口可以分为皮层脑电（ECoG）和深 部脑电信号，皮层脑电是指直接从皮层获得的电信号记录。深部脑 电信号可分为单个神经元信号（Spike）和局部场电位（LFP）。深 部脑电信号源于插入大脑的小型电极的记录。单个神经元信号记录 是用通带大约为 100-2000 Hz 的带通滤波器进行的，而 LFP 记录是用 <200 Hz 的低通滤波器或具有非常低的截止频率（0.1Hz）和<100 Hz 上限的带通进行的。电极采集到的信号是电极周围不同距离的神经 元电信号的叠加，类似于鸡尾酒会效应，需要通过算法提取出单个 神经元的信号，如Neuropixel电极使用的是尖峰排序和模板匹配等算 法。

新一代脑科学研究已经形成以神经性疾病与治疗、脑科学技术 与方法、脑科学信息与服务为中间层，以大脑控制、脑机接口、大 脑模拟、人工智能、新药研发、脑控仿生科技、新型教育教学等为 应用层的脑科学发展图谱。神经性疾病与治疗是通过对脑损伤和疾 病的研究，发展治疗方法；脑科学技术与方法是通过发展神经科学 研究的技术和方法，如脑成像、脑电图、单细胞测量等，推动脑科 学的发展；脑科学信息与服务是将脑科学的成果应用于人们的生活 和健康，如通过脑机接口帮助残障人士。