1.2 脑科学的定义与历史

总之，由于人脑的不断进化，人类才创造出今天的人类社会，创造出地球上其他任何物种望尘莫及的各种奇迹。人类不仅拥有语言，而且发明了电冰箱、内燃机、火箭等各种各样的工具和机器。人类还会下象棋、打乒乓球、玩电子游戏、欣赏音乐、唱歌、跳舞，还创建了政治体制、社会保障系统及市场经济等。

人类虽然拥有聪明的脑，却在相当长的历史时期内并不了解自己的脑。人类对脑的认识经历了两千多年的漫长时期，大致可以分为三个阶段。

1.2.1 第一阶段萌芽时期

这个时期人类认识到脑是思维的器官，并对脑的结构有了粗浅的认识。早在公元前7世纪到公元前5世纪古代中国已经认识到脑与思维的关系。古希腊是西方文明的发源地，古希腊人与古代中国人不同，很早就从解剖学角度研究人脑并思考其特殊价值。公元前6世纪，希腊哲学家、生理学家阿尔克梅翁发现有连接物从眼球直接通向脑，还有许多类似的连接物（当时不知道是神经系统）与脑连接，他由此断定脑是接受感觉并产生思维的地方。公元前4世纪，几位古希腊学者对脑的功能得出结论：脑是感觉的器官。这些学者中，被称作“西方医学之父”的希波克拉底得出了明确的结论：大脑是人类感情的源地。他认为脑不仅参与环境感知，而且是智慧的发祥地。古希腊哲学家亚里士多德相信“心脏是智慧之源”。他认为，脑是一个“散热器”，被“火热的心”沸腾了的血液在脑中被降温。亚里士多德在约公元前335年写道：在所有动物中，人拥有相对于身体比例最大的大脑。亚里士多德是最早对比思考人脑与动物脑相对于身体的比例的人。

古希腊亚历山大城的埃及医生、解剖学家赫罗菲拉斯和埃拉西斯特拉图斯也发现了身体其他部分是如何与脑内部连接的。虽然古希腊的医生、解剖学家们很早回答了“脑是干什么”的问题，这是很了不起的发现，但是古希腊人并没有明确将脑与智能联系起来，表明了人类对智能形成完整认识的过程的复杂性。

罗马医学史上一位重要的人物是希腊医师、作家盖伦，他接受了希波克拉底关于脑功能的观点。作为一名为角斗士治疗伤病的医生，他亲眼见证过脊髓和脑的损伤为患者带来的悲惨后果。盖伦关于脑功能的观点极有可能来自于他本人对动物大量和细致的解剖。

1.2.2 第二阶段机械时期

这一时期是从14世纪文艺复兴时期到19世纪。盖伦有关脑的观点延续了将近1 500年。随后的文艺复兴时期，解剖学家维萨里进一步补充了许多关于脑结构方面的细节知识。但是，脑功能的脑室定位观点却未受到挑战。反而因17世纪早期法国人发明了以水为动力的机械装置，使上述观点又得到了进一步强化。这些装置支持了“脑以类似于机械运行的方式行使其功能”这样一种观点：液体从脑室中被压出，经过“神经管道”，使人兴奋，从而激发肢体的运动。因此，这一时期的脑研究一般受到机械论的影响。

法国数学家、哲学家笛卡儿是脑功能“液压-机械论”观点的主要提倡者。尽管笛卡儿认为这一理论可以解释其他动物的脑和行为，但对他而言，试图用该理论解释人类所有的行为却是一件不可思议的事情。之所以这么推断，是因为他认为人与其他动物不同，拥有智慧和一颗上帝赐予的心灵。因此笛卡儿又提出，由脑控制的人类的行为至多是动物所具有的那些行为，而人类所特有的“智慧”则独立于脑外。笛卡儿相信智慧是一种精神实体，它通过松果体与脑机构相联系，并接受感觉和运动指令。直至今天，一些人仍然确信存在一个“心-脑问题”，即精神与脑是彼此分离的。但是，现代神经科学的研究支持精神有其物质基础（脑）这样一种观点。早期一些科学家挣脱了盖伦的脑室中心论这一传统观念的束缚，开展了关于脑物质构成的更深入的研究。

18世纪，瑞士生理学家哈勒开展了重要的人体神经系统和肌肉的研究，笛卡儿提出了大脑的反射学说和二元论、大脑相互作用论，俄国学者谢切诺夫完善了大脑的反射学说。18世纪末，神经系统已经可以被完整地剥离出来，它的大体解剖也因此获得了更细致的描述。神经解剖学史上的一个重大突破是在脑表面观察到广泛存在的一些隆起（称为脑回），以及一些凹槽（称为沟和裂）。这一结构使大脑以叶的形式组装起来，成为不同脑功能定位于不同脑回这一理论的基础。这一突破主要是建立了反射学说和定位学说，开创了脑功能定位研究的新时代。19世纪60年代是脑科学历史的发端，经历了脑功能定位论、神经元论和反射论等重大经典理论的发展过程。19世纪后半叶，奥地利医生加尔（Franz Joseph Gall）建立了最初的定位学说，1874年，德国神经科学家威尔尼克（Carl Wemicke）又发现了颞横回存在语言听觉区。这两项发现与此前关于顶部中央后回躯体感觉区、额部中央前回运动区、枕部视觉区和颞叶听区等的科学发现一起形成了脑功能定位的经典理论，后来发展为颅相学。法国医生布洛卡（Paul Broca）通过对失语病人的大脑解剖，发现了布洛卡区，使定位学说建立于科学基础之上。这些工作为20世纪神经科学的发展奠定了坚实的基础。

1.2.3 第三阶段现代时期

现代关于脑的研究是多水平、多层次、多途径进行的，既有整体研究，又有局部研究；既有系统研究，又有神经元水平、细胞水平和分子水平的研究；既有物理的、化学的、生理的、心理的分门别类的研究，又有综合性研究。

20世纪30年代，阴极射线示波器和微电极记录技术在神经生理学实验室中得到了应用，利用细胞电生理学方法，30年代到50年代，神经生理学家发现了大脑深部的脑干网状结构的功能特点。由于电刺激该脑区，在大脑皮层广泛区域内均引发兴奋或抑制性变化，但没有明确定位关系，故将脑干网状结构称为网状非特异系统。

20世纪50年代，脑的解剖与功能关系框架已明确。从某些脑功能与相应脑结构之间的关系层面理解脑的理论就是脑功能定位论。与此相对应的是脑等位论，其认为全部脑结构在功能上是相似的，没有功能之分。虽然脑等位论的实验事实并不充分，但对于理解大脑的原理却别具一格，至今仍留存在脑理论研究领域。

1973年，俄罗斯科学家鲁利亚发表了专著《神经心理学原理》，总结了数百例脑损伤患者的实验研究，概括出脑的三大功能系统区。

1980年，美国提出了人类脑计划的基本概念，主要内容在于利用计算机技术建立脑的数据库或模型。随着信息技术的日益成熟，神经科学迫切需要将实验手段与电子技术相结合。

20世纪90年代以后，脑科学已成为最重要的科学前沿领域之一。脑功能计算、脑智能模仿成为学术界和产业界热议的话题。1991年，欧洲出台了“欧洲脑十年”计划。

1992年，中国提出了“脑功能及其细胞和分子基础”的研究项目，并列入国家“攀登计划”。

1993年4月，美国联邦资助小组联合发布“人类脑计划”（human brain project，HBP）。此计划是开展健康脑与病患脑分子、细胞、回路和系统的完整构图工作，开发用于获得、存储、管理、分析、整合与传播神经科学研究数据的新技术。

1996年，日本也制订了为期20年的“脑科学时代”计划。

2013年4月，美国宣布启动美国脑计划，开发分子尺度的探测装置，力争能感知并记录神经网活动，并通过大数据技术增进对大脑思维、情感、记忆等活动的理解。

2013年10月，瑞士科学家启动了一个被认为是雄心勃勃的计划，目的是开发新技术，以发展可以模仿人脑的计算机。

近年来，认知神经科学在我国也受到了高度重视。在《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020年）》中，“脑科学与认知科学”被列为我国科技中长期发展规划的八大前沿科学领域之一。

2015年，“中国脑计划”主要分为两个研究方向：以探索大脑奥秘、攻克大脑疾病为导向的脑科学研究，以及以建立和发展人工智能技术为导向的类脑科学研究，如图1.1所示。“中国脑计划”主要解决大脑三个层面的认知问题。

（1）大脑对外界环境的感官认知，即探究人类对外界环境的感知，如人的注意力、学习、记忆及决策制订等。

（2）对人类及非人灵长类自我意识的认知，通过动物模型研究人类及非人灵长类的自我意识、同情心及意识的形成。

（3）对语言的认知，探究语法及广泛的句式结构，用以研究人工智能技术。