人类是地球上拥有最高智慧的生物，在其发展的历史长河中从未停止对外部世界的探索。而在我们思索世界的同时，也对“思考”本身提出了疑问：我们是如何思考的，什么让我们思考，思考的物质基础是什么？
现在，我们都知道思考来自脑的活动。那么，人类能探测脑活动吗？我们能给脑活动“照个相”呢？
下面将介绍一些脑研究简史和现代的脑研究手段，试图解释这个问题。以期给大家一个初步的对于脑与脑研究的初步印象。
什么是脑？
1、
脑是中枢神经系统的最高指挥官。位于颅腔内，可分为脑干、小脑、间脑和端脑（大脑两半
球）四个主要部分。（见下图）
脑干：
上连间脑，下续脊髓，后接小脑。从上到下可分为中脑、脑桥与延脑三部分。
小脑：
位于脑桥和延脑后上方，两侧膨大为两个半球，中部缩细。
间脑：
位于中脑前上方，大部分被大脑半球覆盖。其主要部分是丘脑和下丘脑。
端脑（大脑两半球）：
左右两个半球组成。人类两半球高度发达，笼罩间脑、中脑和小脑的上部。端脑表层是灰质，即大脑皮层；内部是白质，即大脑髓质。其表面凹凸曲折，称为沟回。
2、 脑的细胞构成
生物体各种器官皆由细胞构成，脑亦如此。脑有两大类细胞：神经细胞（神经元）和神经胶质细胞，总数大约有1012个。
神经元是脑传输和处理神经信息的基本单元，主要由胞体、轴突和树突三部分组成。树突接受其他细胞轴突释放的化学信号，将其转换为电信号；不同树突的电信号传递到胞体整合，当胞体局部膜电位（电压）上升到特定值（阈值），膜电位就会爆发式地突然上升，产生电脉冲，即动作电位；轴突只有一根（可能有分支），能传导动作电位，在其末梢与其它神经元形成突触，在轴突末梢处动作电位被转换为化学信号传给下一个神经元。
形象地说，神经元就像一台微型计算机，有输入输出设备（树突和轴突）和处理运算设备（胞体）。这样，无数台“计算机”构成了一个庞大的网络——就是脑。
神经胶质细胞的数量很大，形态各异，数目约是神经元的10倍，起着营养、隔离和支撑神经元的作用。
3、 脑是与种种最复杂的系统
人类的感觉、运动，以及思维、记忆、情感等归根到底都是神经元电活动的组合造成的。仅仅电活动的组合竟让我们可以感受世界万物，还衍生出多变的思维、丰富的情感和庞大的记忆，让我们不得不赞叹，脑是宇宙中最为复杂的系统！
脑的研究简史
这里把脑研究的历史分为三个时期。
1、
尽管我们的史前祖先们已经意识到了脑对生命活动的重要作用，但是一直以来，心脏都被视为智慧的发源地。直到公元前4世纪，希波克拉底为代表的古希腊学者才提出了脑是意识之源的观点。
之后，直到公元2世纪，希腊医师盖伦才提出了脑室中心论，认为液体通过神经运动，到达和远离脑室，使人产生感知和运动。此后，这样的理论持续了一直有长达1500年之久。
2、
直到西方文艺复兴前，人类对脑的了解极少。文艺复兴后，思想得到解放，严密科学思维得以形成，科学技术迅猛发展，人类才开始通过观察各种与脑相关的疾病和脑外伤来研究脑。
同时，当时的医生在给病人进行开颅手术时，会进行简单的实验。通过刺激皮层不同区域，观察病人的表现，来判断不同区域的脑皮层的作用。在手术后，继续观察病人出现的异常情况，判断受损皮层的功能。他们最早把脑的结构和功能联系了起来，他们可以说是脑研究的先驱者。
但是这样的发展也走了些弯路。其中许多结果有谬误，但这些研究结果在当时为人们继续认识脑、研究脑提供了非常重要的动力。
之后， 19世纪，以意大利人高尔基首创的镀银浸染神经元技术以及西班牙人卡哈建立的镀银浸染神经原纤维法为契机，开展了神经解剖学的研究。使人们第一次观察到构成脑的微观结构单位——神经元——的完整形态，并做了系统的研究。正是这个在组织学上的伟大的发现，使得人类对于脑的微观结构和功能的研究才得以继续。而他们两人也因为在神经组织学上的贡献，于1906年共同分享了诺贝尔生理学或医学奖。
【你知道吗？】两次世界大战在无意中成为了脑研究的黄金时代，许多士兵被子弹击中或击穿头部，一些伤势较轻的病人在手术取出子弹后得以幸存，但是他们出现了各种奇怪的症状。因为，被子弹损伤区域的脑组织无法再生，于是，这些病人就成为了研究脑功能的最佳案例。
3．现代研究发展期 随着科学进步，不同学科的交叉，脑研究不再仅仅被归于解剖学和医学的范畴了。
从最开始的电磁学到光学、化学、数学、电子学以及量子物理等等，各个学科都涉足到了脑研究中来了。相信随着科学发展，还会有更多学科和更好的新方法被发现利用。
下面，我们就展开地介绍，现代脑研究一些主要手段。通过这些手段的帮助，科学家们来研究脑，以期认识脑、保护脑、营养脑和创造“脑”。
现代脑研究手段
现代研究中，除依靠病理学和设计心理实验研究外，涌现出了许多新技术、新手段。这里我把这些手段分为：组织学与解剖学，电生理学，光学成像以及其他脑成像方法。
组织学和解剖学方法：
常被用于动物实验中，将实验动物的脑制成标本研究，主要用途是染色和示踪。
（1）染色：
使用特殊染色剂处理标本或切片，染色剂会特异地和神经元的特定结构或特定分子结合，以标记细胞，方便观察。可用于定位、分辨组织形态等。
如尼氏染色可以专一地染出神经元的胞体，在此基础上，根据细胞体的形态可以定位和分类细胞；又譬如高尔基染色法可以染出整个细胞，但是被染色的细胞不足所有细胞的1%，使得研究者可以仔细观察每个神经元的形态。（见前图）
（2）示踪：
也属于染色的一种。一些可被神经元吸收的特殊分子，通过扩散作用或一种叫做轴浆运输的方式，在神经元轴突中顺着（或逆着）电信号传递的方向运动，并可在使用特定方法染色后被观察到。实验中，使用微量注射器将这些示踪分子注射到皮层某一区域中，培养一段时间后，将脑做成标本切片染色，观察另一区域的脑切片上被染色的神经元，借此了解皮层的不同区域间的细胞之间的信号传递和联系。
【思考题】
近年来随着技术的发展，解剖学和组织学与分子生物学紧密结合，发展出一些新手段（如：免疫荧光技术）。使解剖学与组织学不再仅仅被当作一门研究生物体结构的学科了，它们与功能紧紧联系了起来。让这两门学科在神经科学中焕发出了新的生命。
电生理学方法：
前面已提及，神经元活动都是电活动。自然而然地让人想到，能否通过探测细胞的电变化来研究脑活动。迄今为止，已经发展出了许多不同的手段，这里依据探测方法的不同分为贴附电极记录，单细胞微电极记录和膜片箝等方法。
贴附电极记录：
神经元在工作时会放出电流，这些小电流会在颅腔内流动，并通过眼部和头骨其他开口部位流向头皮，在头皮形成不同电位。将金属电极紧贴皮肤，就可以记录皮肤表面电活动。根据是否给予刺激还可细分为：“诱发电位记录”和“自发电活动记录”。
贴附电极记录相对下面将提到的方法，其仪器要求与难度都较低，易于实现；但记录到的电变化是电极附近的细胞电活动的总和，而非单个神经元活动状态。其精确度和使用的电极数目相关。
如：标准脑电图，可以记录头部不同位置的细胞电活动。通过得到的脑电波的波形来表征脑的活动状态，以此研究人脑的兴奋性。（见右图）
【小实验】使用简易的肌电记录来研究眼动
皮肤电极（正、负、参考电极各一），生物电放大器，示波器（或PowerLab系统）
将正负电极分别贴在两侧太阳穴，参考电极贴在额头正中。调整放大器和示波器，观察眼睛运动时示波器波形的变化。
单细胞微电极记录：
使用只有尖端导电的微电极（如：毛细玻璃拉制的玻璃电极或覆有绝缘层的钨丝电极），穿刺到皮层中，直接对电极尖端附近的细胞的电活动进行探测。
单细胞微电极记录法，一般分为细胞内记录和细胞外记录两种方式。
（1）胞外记录：
当电极尖端非常接近神经元时，就能记录到该细胞的动作电位。通过细胞产生动作电位的速度和数量来衡量该细胞的活动性。
（2）胞内记录：
将极细的电极穿刺到神经元中，不但可以记录到细胞的动作电位，还可以记录树突接收到的阈值下的膜电位变化，比胞外记录作用更为广泛，但其实验难度也来得高得多。至今为止，微电极技术仍是最常用的研究方式之一。在单细胞记录的基础上，还发展出多电极记录，电极阵列等技术，很有应用前景。
膜片箝技术：
上世纪90年代，在单细胞微电极技术的基础上又发展出了更先进的“膜片箝”技术。它也使用毛细玻璃拉制的电极，用电极尖端“吸”住一小片细胞膜，可更专一地研究这小片膜上的电位变化。膜片箝技术的要求很高，很难在活体动物上实验，一般都在新鲜动物的神经组织培养标本上使用。（见右图）
此外，我们曾学过：运动的电荷会产生磁场。于是自然又想到脑的活动是否和磁有关呢？因此，我们可以通过探测脑磁场变化来研究脑活动。在这样的指导思想下，人们发明了“脑磁图”等研究手段，脑磁不会因为颅骨的存在而产生很大的衰减，所以其分辨率要比脑电图高得多。它的原理和上面提到的电学方法相似，这里就不再熬述了。
光学成像方法：
人们在脑研究的过程中发现，脑内功能相似的神经元往往聚在一起，共同工作。在大脑皮层这些神经元倾向于聚在一起并成柱状排列，这种特殊结构被称为皮层功能柱。而正是皮层功能柱的存在，才使光学成像的方法应运而生。
光学成像方法可分为内源性光学成像和电压敏感性光学成像两种。
内源性光学成像：
我们都知道，脑比身体其他器官更依赖O2供给。神经元活动相对兴奋时尤其如此。人体运送O2的载体是血红蛋白，所以，含氧和缺氧血红蛋白的含量变化就可以作为一种评价组织O2消耗的指标。
两种血红蛋白在波长650nm的红光照射下，反射光的强度是不同的。其中缺氧血红蛋白反射红光较少，故看起来稍暗一些，反之，含氧血红蛋白就亮一点。皮层神经元活动越强，则毛细血管内的缺氧血红蛋白浓度越高，局部就越暗，但这种亮暗区别极小，肉眼难以分辨，要借助专业摄像机拍摄与计算机处理，才能得到皮层的功能柱图像。
内源性光学成像方法，可用以研究皮层在外界给予特殊刺激下的变化。
如前图，左部是皮层的部分血管图，而右半部是该区域在给予水平条纹图像刺激时的内源性光学成像图。可见一部分皮层（黑色）对水平刺激敏感，另一部分（白色）则不敏感。
现已有科学家在脑手术时应用此方法研究人类躯体感觉和运动皮层的功能。
电压敏感性光学成像：
利用某些分子能以发光变化指示微弱的电压变化的特性，在皮层的表面敷浴这种特殊分子。这样，皮层表面细胞的电变化就可通过发射光而被摄像机记录下来，在计算机分析后，就可以得到皮层电活动的成像图。其优点是时间分辨率（毫秒级）要远远高于内源性光学成像（秒级）。
光学成像方法记录的是大量细胞的综合状态，一般，空间分辨率不到20μm，相对较低；但是其优点是可同时记录很大的皮层区域。其特点和微电极技术互为补充。
此外，内源性光学成像的方法时间分辨率较低，一般在刺激后的3~4秒才能达到反应最高峰，而电压敏感染料法则有细胞毒性和实验成本过高的缺点。都有待进一步改进。
除了这两种方法外，现在还有更先进的共聚焦显微镜和双光子显微镜，他们可以在活体动物上使用，效果完全可以和切片相媲美。另外如Ca2+成像等技术，它对于脑的活动探测更灵敏。但是这些手段对仪器的要求也更高。大部分实验室还未能装备，不过相信不久的将来，它们将会称为脑研究的重要手段。
【思考题】
前面提到的是通过光学方法成像，而本节将要提到的是使用其他手段成像的技术。
现代主要的几种成像方法是：CT（计算机断层成像技术），PET（正电子发射断层成像术）和MRI（磁共振成像术）。它们都是一些对人体无损的但是可以直接观察机体内部组织的方法，这些方法都是在数学和计算机科学高度发达的今天才得以实现的。
CT技术：
计算机断层成像技术，使用X光作为光源，但与普通X光片不同，CT能给出脑组织三维结构中某一个切面的精细结构。(见左图)
这如何做到呢？我们都知道，X光片可把三维结构投影到一个二维平面。显然，这种投影损失了很多信息。但如果有各个不同角度下的二维照片，我们就能借助数学和计算机工具重构出三维结构。现代CT技术通过重构可达1mm的空间分辨率，使得我们感兴趣的断面结构在计算机上清晰可见。
PET技术：
正电子发射断层成像术：人为制造正电子（质量和电子相同，但带正电的粒子）标记的葡萄糖分子，注射入体内。当正负电子相遇时，便会湮灭，所有质量转化为光能（γ射线）释放出来。在头部记录γ射线，通过重构，就可以得到脑部任意切面的正电子的密度图。（见右图）
因为大脑兴奋区域血流量大，携带正电子多，故成像图可用以表征脑部的血流量。而血流量和脑细胞兴奋性密切相关，故该方法在脑的结构与功能的研究上有独特的优势。
右图是帕金森病人和普通人的PET结果。帕金森病是一种中、老年人的慢性神经系统退行性疾病，导致中脑部分神经元的丧失。从图中可见帕金森病人的中脑细胞（左图中红色区域）活性远低于正常人。
MRI技术：
磁共振（又称核磁共振），最早是使用在化学分析上的一种方法，用以检测未知物质中氢原子的含量，后被引入生物学和医学的研究中。
在人为给予的变化磁场中，氢原子受磁场激发，会释放特征频率的电磁波。通过分析电磁波可得到组织中氢原子含量，就能重构出想要的断层扫描图（氢原子含量图）。
MRI的空间解析度要远高于CT（见左图），图像质量几乎能与脑组织切片相媲美。而应用快速MRI技术，还可以得到脑活动时的功能磁共振像图（fMRI），可以给出脑的特定区域皮层兴奋状态。它提供了无创条件下研究人脑功能的一种强有力的新途径。
这些都是无损情况下，对脑功能和结构进行研究的方法，它们给脑和医学研究带来了技术上的新革命。虽然有些研究手段还不成熟，存在或这或那的缺点，但因为对人类大脑功能研究必须无损地进行，而人类的许多高级神经活动（认知、思维、情绪、创造等），无法用动物代替，所以CT、MRI、PET等技术在脑研究中将发挥非常重要的作用。
正如前文提到的，脑是宇宙中最复杂的系统，现代科学的研究远远没有揭开脑的奥秘。脑科学的研究正如火如荼地进行着，关于脑的新知识如雨后春笋般地涌现出来。科学家们正企图通过研究脑，以期认识脑、保护脑、应用脑、营养脑、甚至创造“脑”。
21世纪是脑的世纪，期待同学们将来加入到脑科学研究的队伍中，在脑科学研究的领域做出一番事业来。
