大师课堂｜从大脑放电到脑机接口，这节大师课堂带青少年走进脑科学“星海”

作者：张悦

摄影：季俊辉

从大脑下达指令到右手抬起，不过零点几秒。但在这转瞬之间，大脑内部已上演了上亿次的神经放电，像一道道闪电在神经网络中划过。这些“闪电”从何而来？它们如何支配我们的思考、运动与记忆？大脑的奥秘又为何被称为“比宇宙更难破解的谜题”？

近日，“大师课堂——到科学会堂·听科学讲座”活动举行。中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心研究员李毅，以“心灵闪电——大脑的奥秘与脑机接口”为题，带领中小学生走进神秘的大脑世界，从生物电的发现到脑机接口的前沿，从大脑可塑性的神奇到老一辈科学家的报国情怀。他用一堂报告的时间，让深奥的脑科学变得可知可感、触手可及。

从一束生物电开始，走进脑的奥秘

人类对生命中“电”的认识，最早来自一只青蛙。18世纪，意大利科学家伽伐尼在解剖青蛙时发现，金属器械接触蛙腿神经后，蛙腿会突然收缩。他由此提出，生物体内部或许存在一种特殊的“动物电”。此后，心电图、肌电图和脑电图等技术的发展，让这些肉眼无法看见的生命信号，逐渐能够被记录、分析和解读。

李毅从电鳗、心电图讲到脑电帽。电鳗体内的大量特殊肌肉细胞，能够像一节节小电池那样协同放电；心脏有规律地跳动，也会在心电图上留下特定波形。相比之下，大脑中的“电”更丰富，也更复杂。脑电帽记录到的，只是大脑活动在头皮上的微弱回声。清醒、困倦、深度睡眠、做梦时，大脑会呈现不同的活动节律。人在睡觉时看似安静，大脑却并没有真正“下班”。

人的大脑中大约有860亿个神经元。它们并非独立存在，而是通过突触连接成一张不断变化的巨大网络。“大脑内部就像浩瀚的星海”， 李毅说道，无数神经细胞在其中放电、传递、连接，才有了人的动作、记忆、情绪和意识。

大脑如何控制身体？20世纪中叶，神经外科医生在癫痫手术中，通过刺激患者大脑皮层的不同位置，发现刺激某些区域，手会动；换一个区域，嘴唇、脚趾或面部会出现反应。由此，人们逐渐绘制出大脑皮层上的“运动小人”和“感觉小人”。一个动作并非大脑发出一句简单的“动起来”便能完成——运动意图在皮层产生，经神经通路传到脊髓和肌肉；来自皮肤、关节和外界环境的信息，又不断返回大脑，帮助身体实时调整。

李毅介绍道，学习和记忆依靠的不是不断长出更多脑细胞。“大脑最神奇的特性之一是可塑性，学跳舞、练钢琴、背单词，真正发生变化的，是神经元之间的连接。”他也借此勉励同学们，可以通过一次次练习，让神经元之间的连接越来越稳固；长期不用，则可能逐渐减弱。

前沿科技如何帮助患者突破“不可能”

DNA双螺旋结构的发现者之一弗朗西斯·克里克，晚年对神经科学产生浓厚兴趣。他曾设想，电信号会扩散，如果能够用光来观察、控制神经元活动，研究大脑或许会拥有更精确的手段。

今天，这种设想正在成为现实。借助钙离子成像技术，研究人员可以在动物大脑中观察单个神经元的活动。当神经元放电时，细胞内的钙离子变化会被“点亮”，科学家仿佛能够直接看到大脑里一颗颗神经元在闪烁。光遗传学则更进一步，可以通过光来控制动物的行为，甚至是情绪或者记忆。

当科学家能够记录、分析单个神经元的放电，新的问题也随之出现：能否从这些信号中，读出一个人的运动意图？李毅介绍，在运动皮层植入多通道电极后，研究人员可以同时记录数十个、数百个甚至更多神经元的放电活动。不同神经元群体，可能与上下、左右、抓握等不同动作有关。经过训练和算法解码，原本无法活动的肢体意图，便有机会被转化为机械臂、光标或外骨骼设备的动作。

基于这些研究，脑机接口可以帮助患者重新获得行动的可能。李毅讲到，对普通人来说，伸手、抓杯、喝水再平常不过；但对双手挛缩、无法自主活动的瘫痪患者而言，这几乎是一项遥不可及的任务，而借助植入式脑机接口，患者可以经过一次次练习，通过脑电信号来控制机械臂与外骨骼。2014年巴西世界杯开幕式上，一名脊髓损伤患者曾借助脑电信号控制外骨骼，踢出开场一球。目前，在华山医院植入我国自主研发的脑机接口系统的患者，已可以实现脑控手指、操控赛车、移动光标等操作。

类似的探索也在不断延展：脑机接口可以帮助失语患者通过“数字替身”发出声音；深部脑刺激能够缓解部分帕金森病患者的震颤和运动迟缓；对于仍保留少量神经连接的脊髓损伤患者，脑部或脊髓刺激结合康复训练，也在为重新站立、迈步提供新的可能。

把科学的根扎向祖国需要的地方

在李毅看来，脑科学研究越深入，越不能满足于“看见一个现象”。从神经元放电到光遗传调控，从脑机接口解码运动意图到帮助患者重新迈步，科学的每一次推进，都建立在持续追问“为什么”的基础上。

讲座的后半段，李毅没有停留在介绍当下飞速发展的脑科学与前沿技术上，而是带领孩子们走进了中国神经科学奠基人、中国科学院院士张香桐先生的传奇一生，感受科学家精神的壮阔胸襟。张香桐14岁才开始上学，很短时间完成小学、中学的学业后，考入北京大学。抗战时期，他在颠沛流离中坚持阅读和研究；此后赴耶鲁大学深造，在神经科学领域作出重要贡献。新中国成立后，他毅然回国，辗转带回六大箱科研仪器，投入国内神经科学事业。

当时，麻醉药物匮乏，针刺麻醉作为我国传统医学的一项技术，可以为病人实现镇痛，但在国际上存在争论。“张先生认为这是一个应当解决的问题，要去实证。”他既没有因其源于传统医学便照单全收，也没有因海外质疑便轻易否定。“不能因为别人说它是巫术，我就说它是巫术；也不能因为我不了解，就说它是假的。”李毅讲述，张香桐曾亲自体验针刺麻醉辅助下的手术，之后又回到实验室，从神经生理机制入手研究针刺镇痛。

对他而言，实验验证才是科学真正开始的地方。针刺为什么能镇痛？痛觉信号在大脑的哪些区域被调控？一种感觉如何影响另一种感觉？张香桐不断追问，并以实验一步步寻找答案。正是在这种不盲从、不轻信，也不止步于经验的探索中，相关研究逐渐获得国际学界认可。李毅谈道，张香桐的身上，有着仙人掌般的精神：“他认为不管是做任何工作，还是搞科研工作，要做出成绩就要有这种仙人掌的精神——不怕干旱酷暑，牢牢扎根，坚韧不拔，生机勃勃，开出艳丽芬芳的花朵。”

李毅借这段经历告诉学生们，科学家精神并不只体现在实验室里的重大发现，而是始终坚持把个人兴趣放进国家需要与人民健康的坐标中。面对未知，始终保持好奇；面对质疑，坚持用漫长实验验证科学猜想。

讲座尾声，学生们纷纷追问：记忆能否被写入？机器会不会控制人？在李毅看来，这些问题既关切技术的未来，也暗含着对技术“双刃剑”的思考。“科学的进步要真正造福于人，有益于人。”李毅说道。

从一束神经元的“闪电”，到帮助瘫痪患者重新端起水杯，脑科学的意义，终究不只是破解大脑的密码。这场关乎脑科学的报告分享，涵盖前沿科技知识，闪烁科学家精神光辉，让孩子们懂得：真正有价值的科学，不仅要有追求真理的执着，更要有面向人与社会的温度。

活动背景

“大师课堂——到科学会堂·听科学讲座”主题活动由上海市科学技术协会和上海市教育委员会联合主办，邀请科学家与学生在科学会堂面对面互动，更好地“孵化”青少年的科学精神、创新素质，在助推“双减”的同时，做好科学教育的加法，激励青少年树立起投身建设世界科技强国的远大志向。

供稿：上海市业余科技学院（上海科学会堂服务中心）

审核：市科协科学技术普及部

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