當「腦控」走進元宇宙空間！從神經元到AI，前進思維的未來：突觸傳遞、運動控制、照相式記憶、腦機介面……由基礎神經科學至類腦智慧的跨越與創新

【歡迎來到大腦的世界】

意識存在於何處？
我們如何看到和聽到？
我們怎麼記住一件事情？
人的七情六慾由大腦的哪些區域控制？

腦科學是理解自然和人類本身的「最終疆域」
更是生命科學最難以攻克的領域之一！

▎腦科學的前世今生
本章介紹了神經科學的誕生和發展歷程。從顱相學的興衰到神經元的發現，再到認知科學的崛起，本書探索了人類如何逐步揭開大腦的祕密。這一章節還展望了腦科學的未來，探討了夢境掌控、意念互聯和記憶植入等可能性，展現了科幻小說般的未來圖景。

▎神奇的大腦
走進大腦的微觀世界，深入了解神經元和神經膠質細胞的角色，以及神經訊號的傳遞過程。這一章節詳細介紹了大腦的總體組成，解釋了大腦地圖、溝迴和腦區的功能。此外，本書還探討了大腦的可塑性，及其在藥物治療、行為訓練和物理調控中的應用。

▎腦認知科學的興起
本章聚焦於大腦的知覺與感覺，詳細解析了視覺、聽覺、嗅覺、味覺和觸覺的功能。接著，本書探討了運動控制系統，從運動產生的過程到運動障礙患者的挑戰。記憶與注意的研究揭示了照相式記憶和既視感的奧祕，並介紹了如何升級並更新大腦的記憶體。

▎「腦機介面」走進我們的生活還有多遠
本章節深入介紹了腦機介面技術，從其基本概念到在醫療、軍事和娛樂領域的應用。我們將看到腦機介面如何幫助肢體身心障礙患者重新「動起來」，以及未來可能出現的科技創新，例如「腦控」技術在元宇宙中的應用，讓人類與機器的互動更加緊密。

▎類腦智慧發展的人工智慧時代
本章展望了人工智慧與腦科學的結合，探討了類腦智慧的未來發展。人工智慧不僅促進了科技的快速進步，還對人類生活產生了深遠影響。期待著人工智慧與人腦攜手共進的未來，探索類腦智慧帶來的下一個「春天」。


本書特色：本書由閆天翼教授根據多年研究經驗撰寫，介紹了大腦研究的發展歷程和基礎知識，並探討腦科學在實際生活中的應用。作者運用類比手法使科學知識通俗易懂，增添趣味性，全書內容涵蓋神經科學的歷史、現狀與未來，以及腦機介面技術和人工智慧的前景，旨在引導讀者了解大腦的奧祕，激發科學探索的興趣。

閆天翼，博士，大學教授、博士生指導教授、生命學院副院長、生物醫學工程系主任，在腦機智慧與神經工程研究領域有豐富的經驗。主要研究方向為腦機智慧與神經科學工程，涉及腦機制、腦模擬、腦康復領域的理論研究和設備發明等工作，推進了腦疾病診治、腦功能增強等技術的轉化應用。發表研究論文100餘篇；申請／授權發明專利50餘項；軟體著作權10餘項。

前言　歡迎來到大腦的世界！
「大腦是你最重要的器官」──這是由大腦告訴你的。
我們為什麼會認識蘋果？為什麼會知道口渴？是什麼讓我們保持思考和學習？又為什麼我們會有喜、怒、哀、懼、愛、惡這些情緒與情感？各位同學有沒有思考過這些問題呢？
人類從很久之前就開始關注「大腦」了。無論是西方還是東方國家，起初人們都將心臟視為記憶和思考的器官，這種認知一直到古希臘時代才逐漸改變。西元前4世紀，古希臘時代的先哲認為「思維、情感、智慧皆來自於大腦，大腦參與對環境的感知」。西元1795年，人們才確定人類的思維來自大腦。到了18世紀末，隨著對人體的進一步探索和科技的發展，人類對大腦的大體解剖已經有了較為細緻的描述，這奠定了「不同腦功能定位於不同的腦迴」的理論基礎，為腦功能定位研究開創了新時代。當時間來到20世紀，科學家發現，儘管特定的大腦區域負責某項獨立的功能，但這些區域組成的網路以及它們之間的交互作用才是人類表現出整體、綜合行為的原因，即大腦是一個活躍的、動態的系統。進入21世紀以來，腦科學研究呈現大發展的態勢。科學家們以「腦探知、腦保護和腦創造」為目的，透過腦成像學、分子生物學、解剖生理學等研究方法，從已知的宏觀層面進入介觀層面再到微觀層面，認識和了解大腦的結構和功能，進而開發和模擬大腦，實現創造和融合大腦。
腦是人體最複雜的器官，是人體一切行為、思維、決策和感覺的司令部。然而，目前人類對大腦的了解尚處於初級階段。更好地了解大腦的構造和功能，對教育、醫療乃至人類發展意義重大。正是基於那些來自醫療、科學研究和技術的需求，人腦計畫應運而生。自2013年起，美國、歐洲、日本相繼啟動各自大型腦科學計畫，全球參與腦計畫的國家數量不斷增加，它不僅僅是科技發展的訊號，更代表了全球化科學研究資源的整合。時至今日，理解腦的工作機制，對於重大腦疾病的早期預防、診斷和治療，人腦功能的開發和模擬，創造以數值計算為基礎的類腦智慧，以及搶占國際競爭的最新技術具有重要意義。相信在全球各具特色的腦計畫共同合作下，人類對腦和疾病的認知將不斷深入，並從中尋找到更為廣泛的應用價值。
其實早在20年前讀大學期間，我就對心理學非常感興趣，但那時接觸到的書籍更多的是在介紹腦的心理或生理基礎，理論很艱深，且直白又枯燥。大學畢業之後，我選擇繼續攻讀碩士和博士學位，在此期間，我接觸了腦電、核磁等大腦訊息解碼技術，了解到大腦的編碼、訊息處理，甚至記憶與情感都可能被量化，想像與夢境都可能被再現……這使我篤定信念，要從事這個被科學界視為「皇冠上的明珠」的科學研究領域。經過了近20年的學習與研究、教學與實踐，我越來越深入地了解到腦科學的奇妙之處，也深知腦科學的探索需要幾代人甚至幾十代人共同努力，而我們也終將在不斷進行的腦科學探索中推動人類科學與文明的進步。
我的研究領域所在學科方向為腦科學與神經工程，以腦基礎科學、腦機智慧技術研究為主線，涉及腦機制、腦模擬、腦康復領域的理論研究和儀器裝置研發等工作。本書整理和借鑑了前人的部分研究成果，結合筆者多年的研究經驗，主要介紹了大腦研究的發展歷程，大腦的基礎知識，以及腦科學在實際生活中的應用。為了兼顧趣味性和科學性，本書使用了類比手法，將大腦的知識變成了大家在實際生活中的所見所聞，既可以激發讀者的閱讀興趣，同時還能掌握相關的科學知識。
希望這本書可以讓讀者更加客觀地了解大腦、認識大腦、理解大腦，激發讀者對腦科學研究的熱情，新一代的腦科學研究力量可能就來自於各位熱愛腦科學的讀者們。最後，由於本人能力有限，難免存在缺點和不足之處，祈望讀者批評指正。祝閱讀和學習愉快！
閆天翼

前言　歡迎來到大腦的世界！
第一章　腦科學的前世今生
神經科學的誕生
走近認知科學
腦科學的未來
小結
第二章　神奇的大腦
走進大腦的微觀世界
大腦的宏觀組成
大腦的可塑性
小結
第三章　腦認知科學的興起
大腦的知覺與感覺
運動控制
記憶與注意
小結
第四章　「腦機介面」走進我們的生活還有多遠
腦機介面技術
醫療領域中的腦機介面
軍事領域中的腦機介面
娛樂領域中的腦機介面
小結
第五章　類腦智慧發展的人工智慧時代
跨入人工智慧時代
類腦智慧與未來
小結
結語
參考文獻

第一章　腦科學的前世今生
人腦被認為是自然界中最複雜、最高級、最精密的智慧系統，揭示腦的奧祕已成為當代自然科學面臨的巨大挑戰之一。然而，對人腦認識和研究的歷史卻遠比你想像得久遠。現有證據表明，我們的史前祖先也許早就已經意識到了大腦在生命活動中的重要作用。
西元1865年，一位考古學家（名字已無從考證）在經過印加古城的時候，從一位女收藏家那裡得到了一顆特別的頭骨，這顆頭骨的頭蓋骨部分有一個洞。這位考古學家認為，這個洞並不是常見的頭部創傷，而是一個手術的結果──這個頭骨的主人在手術後還短暫地存活了一段時間。但根據當時的醫院對患者進行腦手術存活率都較低的情況，大多數人認為醫療手段與技術更加落後的古印加人不可能完成這麼複雜的手術。就這樣過了7年，當人們在一個新石器時代遺址處發現了多顆這樣的頭骨時，關於「腦手術」的說法才得到證實及認可。
這個發現證實了新石器時代的人類確實會進行顱骨穿孔術。頭骨上留有的手術痕跡表明，手術是針對活人的，而不是死後的宗教行為，甚至其中一些人在經過多次外科顱骨手術後仍然活著。但是這種手術的目的是什麼呢？有些人相信，透過在頭皮與頭蓋骨上鑽孔的方式，可以釋放顱內過大的壓力；有些神祕主義者認為，在頭蓋骨上打洞，可以提升感應能力；而在有些宗教信仰者眼裡，頭蓋骨上的洞也許是為了讓邪惡的靈魂離開腦子的通路……這些說法反映了在當時的歐洲，關於大腦的手術已經被一些外科醫生用來治療精神類疾病，或者作為一種躲避惡靈的手段。不過，古印加的外科醫生做這種手術的真實意圖是什麼，我們至今不得而知。
中國古代也有諸多學者試圖探究人腦與心理活動的關係。其中，早在戰國時期的《黃帝內經》便已涉及腦的解剖構造。《靈樞．海論》說：「腦為髓之海，其輸上在於其蓋，下在風府。」不但指出腦是髓彙集而成，而且認為腦與脊髓相連，與全身的髓都有密切的關係，故《素問．五臟生成篇》說：「諸髓者，皆屬於腦。」因此，腦也被稱為「髓海」，這就是「腦髓說」的萌芽。後世的「腦髓說」認為，大腦是精髓和神明彙集發出之處，又稱「元神之府」。《靈樞．海論》中還說：「髓海有餘，則輕勁多力，自過其度。髓海不足，則腦轉耳鳴，脛酸眩冒，目無所見，懈怠安臥。」這說明了腦對人體機能有著直接的影響。
然而，不論是西方還是東方，人們起初都將心臟視為記憶和思考的器官。《禮記》中記載：「心不在焉，視而不見，聽而不聞，食而不知其味。」古埃及會在人死後將其製作成木乃伊，目的是希望靈魂能夠找回軀體而順利復活，儘管死者屍身可以被儲存得十分完好，但他們的大腦卻在製作木乃伊的過程中被從鼻腔中取出丟掉。
這種「心臟是靈魂居所」的想法直到古希臘時代才受到強而有力的挑戰，並隨著對人體的進一步探索和科技的發展逐漸改變。直至西元1795年，人們才確定人類的思維來自大腦。這對我們現代人來說是常識，在那個時期卻有著跨時代的意義。在技術水準有限的年代，人類對大腦的探索總是跌跌撞撞，下面，就讓我們坐上時光機，一起見證腦科學的前世今生吧！

神經科學的誕生
對於大腦的研究起始於它的結構層面，如果沒有結構知識作為基礎，對大腦功能的探索就如同空中樓閣、沙上建塔。在對大腦結構的探索過程中，神經科學應運而生了。

神經科學的萌芽
時光機的第一站是西元前4世紀的古希臘。正如前文所說，在這個時代，「心臟是靈魂居所」的想法受到了強而有力的挑戰。西方醫學奠基人、「醫學之父」──希波克拉底（Hippocrates，西元前460年～前379年）透過對「結構功能主義」的思考以及解剖觀察，得出了「思維、情感、智慧皆來自於大腦，大腦參與對環境的感知」的結論。但這一觀點並未得到普遍的認可，例如，著名的古希臘哲學家亞里斯多德（Aristotle）就固執地相信「心臟是智慧之源」。他認為大腦僅是一個散熱器，被「火熱的心」沸騰的血液在這裡得到冷卻，並以此解釋了人體恆定且合適的體溫。
時光機的第二站是古羅馬時代。古羅馬醫學史上最重要的一位人物──加倫（Galen，西元130年～200年）接受了希波克拉底關於腦功能的觀點。同時，根據對大量動物細緻地解剖（尤其是羊腦），他提出將大腦分成3個腔室，分別承擔想像、推理和記憶這3個心理過程。這些腔室被稱為腦室（類似於心臟的心室），大腦透過這3個腦室泵出液體，來控制身體不同的活動。在加倫看來，這一發現極好地吻合了當時流行的理論：神經是一種類似於血管的中空管道，機體的功能有賴於4種重要液體的平衡，液體通過神經管道流入或流出腦室，使大腦得以執行不同的功能。
時光機的第三站是文藝復興時期。加倫有關於大腦的觀點延續了將近1,300年，直到文藝復興時期，法國近代解剖學創始人安德烈亞斯．維薩留斯（Andreas Vesalius，西元1514年～1564年）出版了第一部真正記載神經科學的醫學鉅著──《人體的構造》（De Humani Corporis Fabrica）。至此，醫學界對人體的認知，終於從由動物推論變成了從人體本身出發，神經解剖學就此建立，人們對大腦結構的認識也逐漸精細化。
雖然維薩留斯在《人體的構造》中進一步補充了許多腦結構方面的細節知識，但是卻沒有挑戰腦功能的腦室觀點。相反，由於17世紀早期法國人開始使用以水為動力控制的機械裝置，腦功能的腦室觀點又得到了進一步的強化。這些機械裝置支持了「以類似於機械執行的方式行使其功能」的觀點：液體從腦室中被壓出，經過「神經管道」到達人體各處，從而激發肢體的運動。法國數學家和哲學家勒內．笛卡兒（René Descartes）便是這一觀點的主要提倡者。
不過，儘管他認為這一理論可以解釋其他動物的腦和行為，但用該理論去解釋人類所有的行為卻是一件不可思議的事情，因為與其他動物不同，人類擁有智慧和一顆上帝賜予的心靈。因此，笛卡兒提出，儘管大腦是控制身體行動的器官，但人類所特有的「心靈」則獨立於大腦之外，人類的靈魂、思想，都躋身於此。與此同時，大腦與心靈透過大腦內的一個叫松果體的結構（實際上是腦內的一個分泌各類激素的結構）進行交流。他的這種說法，無論在哲學界，還是在神經科學界，都影響頗深。直至今日，仍有人相信「心靈」與腦是彼此分離的。但是，正如我們將在本書後續關於腦的認知功能中介紹的那樣，現代神經認知科學並不支持這種說法。
接下來我們來到時光機的第四站──17～18世紀。一些科學家掙脫了加倫的腦室論這一傳統觀念的束縛，對腦結構進行了更加深入的研究。他們觀察到腦組織可被分為兩部分：灰質和白質，且正確地提出白質包含纖維，這些纖維造成向灰質傳遞訊息的作用。
到18世紀末，神經系統已經可以被完整地剝離出來，它的大體解剖也因此獲得了更為細緻的描述。神經解剖學史上的一個重大突破是在腦表面觀察到廣泛存在的一些凸起和凹槽，它們被分別稱為腦迴和腦溝（在第2章中會詳細介紹）。這一結構使大腦可以以腦葉的形式劃分，奠定了「不同腦功能定位於不同的腦迴」的理論基礎，為腦功能定位研究開創了新時代。

顱相學的興與衰
我們已經見證了腦功能定位研究新時代的開啟，現在我們將重點介紹一個曾風靡歐美的腦功能定位假說──顱相學（Phrenology）。
顱相學與面相學類似，是一門透過研究人體顱骨外部形狀來判斷一個人的人格和命運的學說。西元1796年，德國解剖學家弗蘭茨．約瑟夫．加爾（Franz Joseph Gall）首次提出了顱相學的概念。在他看來，頭骨和大腦的形狀是緊密對應的，某個特定腦區的大小直接決定了頭骨的形狀，因此，如果對頭骨的凹凸形狀進行分析，就可以了解到每個人的人格和能力。比如隆起的頭頂代表著智慧，寬闊的前額說明想像力豐富，而大頭則意味著聰明絕頂。
加爾從小就對面部和顱部特徵非常感興趣。高中時代，他發現幾位記憶力出眾的同學，眼睛非常突出，據此，他推斷位於眼睛後方的腦區應該與人的語言和記憶有所關聯。之後的許多年裡，加爾透過這樣類似的觀察歸納，總結出了27個功能區域。19世紀初，加爾開始發表有關顱相學理論的醫學文獻。