首都科学讲堂 | 第777期：果蝇与脑科学

本文内容来自北京市科学技术协会主办、北京科学中心承办、北京科技报社协办的首都科学讲堂。讲堂每周邀请院士专家开讲，传播科学知识、科学方法，弘扬科学精神、科学文化，促使公众全面、正确理解科学。

作为人体最重要的结构之一，大脑一直是科学家们不懈研究的重要领域。我们的行为到底受什么控制？新的灵感如何诞生，旧的记忆又储存在哪里？小小的果蝇作为实验动物和前沿的脑科学领域又有怎样千丝万缕的联系？历史上有哪些诺贝尔奖是与果蝇有关的？

本期首都科学讲堂邀请中国科学院生物物理研究所脑与认知国家重点实验室副研究员杨郑鸿，带领公众走近不一样的脑科学世界。

主讲嘉宾：

杨郑鸿

中国科学院生物物理研究所脑与认知国家重点实验室副研究员

眼见真的为实吗？

眼见真的为实吗？我们来看一下2020年获得最强视觉欺骗奖的一个非常著名的视错觉图片——施罗德的楼梯。

我们最开始看这个楼梯是从左上到右下，但当图片旋转了180度之后，它的方向并没有颠倒！我们眨一下眼睛，它又变成了从左上到右下，就好像没有发生过旋转一样。是不是非常有意思？用很简单的方法激起了大脑的错觉，是一个典型的视错觉图片。

原理解释起来比较复杂，简单地说，就是大脑认为它是一个楼梯，但实际上它只是由黑线和白线组成的图案。这个图案在我们脑海中留下一个楼梯的印象，当图案旋转后，给大脑一个缓冲，它就回到了原来的印象。

除了视错觉，在生活中，还有很多我们大脑被欺骗的现象。那么问题来了：都说眼见为实，可是什么才是真正的“看见”呢？我看见的，真的就是现实生活当中的吗？

在回答这个问题之前，我们再来看两个非常有意思的病症：皮层盲和安东综合征。

皮层盲症状是上大学时候，教授讲授给我的，它完全地激起了我对神经科学和脑科学的兴趣，甚至让我走上了科研的道路。它有意思的地方在哪呢？顾名思义，皮层盲看不到东西。确实有这么一些病人，他们看不见东西。但去医院检查之后，医生发现这些人虽然盲了，但他们的视网膜、角膜、眼球结构、视神经等全都没有问题，但就是什么都看不见。

直到有一个医生发现，这些病人在面对“眼前”白纸上的复杂图案时（三角形、圆形和正方形），竟然有50%或者更大的概率，回答正确他随手指到的白纸上任意一个图案。

经过研究才发现，原来这些“盲人”并不是看不见，而是他们不知道自己能看见。他们的眼睛能够接受面前的图案的视觉信息，他们大脑的初级皮层也能接受到电信号。但是在他们大脑的高级皮层，却没有去对这些视觉信息进行处理反馈，即他们自己是不知道自己能看见的。但如果你让他们去回答的话，这些信号还是在大脑中留有一些痕迹，他们还是有极高概率回答正确的。

所以，从皮层盲现象来看，其实我们很难说清什么是真正的“看见”。

下一个病症叫做安东综合征。安东综合征和皮层盲的病人正好相反，他们是真的盲了，但是他们不知道自己看不见，却能表现得好像完全能看见一样。

如果你邀请患有安东综合征的病人一起看世界杯，他可能会和你积极讨论球传给谁了，谁进球了，你会发现他说的是完全错误的，但是他自己不知道其实他什么也没有看到。

关于这个病症，目前研究得还不是非常透彻，科学家们还不知道到底是大脑哪个神经出现了问题，但很大可能是视觉和意识语言相关的神经。这类人群看不见的这个情况，他们自己是无法在意识或语言表达层面接受的。

这是两个非常有意思的病症，解释了我们看见和看不见之间，其实是有比较模糊的关系的，并不是像我们第一时间认为的那样——看见了就是看见了，看不见就是看不见。

人类大脑每时每刻处理的信息实际上非常有限，只有注意力所在的地方，才是我们大脑进行处理的地方——你在意哪些事情，大脑才处理哪些事情。比如我们眼中真正注意到的东西，实际上比眼睛视野范围内的东西要少得多。以人类为例，高等动物常常会出现这样的“大脑节能”现象：如果所有信息都需要大脑进行完全处理的话，我们日常的注意力就会太分散了，很多工作我们就完不成了。所以，我们只需要把注意力放在需要这个认真对待的事物上就可以了。比如说写作业或者工作的时候，我们的注意力会专注在学习或工作上，而不用去考虑该进行怎么样的呼吸频率，身体血管要怎么收缩……这些都被“节省”掉了。所以，人类的意识也是一个非常重要的功能，是脑科学重点研究的方向。

带你认识脑科学那么，到底什么是脑科学？脑科学研究的重点领域方向又是哪些呢？接下来让我们一起了解。

狭义的脑科学可以理解为神经科学，是对神经进行研究的一大类科学。研究的对象就是我们的大脑，重点内容包括了大脑结构以及大脑功能，就是大脑长什么样子，大脑神经之间是怎么连接的，我们都能用大脑来做什么，还有关于大脑产生的心智、意识等认知科学的研究。

功能上，大脑分为基础功能和高级功能。基础功能包括了我们对世界的感知和知觉——我们能看见、听见，能感受温度高低和其他人的触碰；包括了学习记忆——每天学习的新知识、身边朋友们的名字、回家的路线等；也同时包括了情绪、情感、注意、选择等感情及决策。

几乎所有的动物都具备基础脑功能，但还有一些高级功能仅限于高等动物的范畴。比如共情能力、同情心这些一般低等动物是不具备的，而一些高级猿类、人类才能做到“感同身受”。还有我们的意识和社会合作行为等也是比较高级的功能，可以进行自主学习，可以和小伙伴一起共同完成一件事情，也是高等动物行为的能力之一。

科学家们研究大脑的最终目的，就是去理解大脑是怎样工作的。我们可能了解大脑的很多功能，但它到底是如何运转的，我们几乎还不知道，或者说知道的非常少。

为了理解大脑怎么工作，脑科学研究领域中就有两个非常关键的问题。大脑皮层可以划分不同的脑区，大脑的不同脑区负责着不同的功能：有视觉皮层负责视觉，有嗅觉皮层负责嗅觉，还有负责运动、语言、情绪的。这些不同的功能，大脑是怎么一一实现的，是我们需要回答的第一个关键问题。

第二个关键问题是大脑的神经网络是怎样工作的，它的工作原理又是什么。什么是神经网络？就是说一个脑区之内单个神经元之间建立的连接。比如说负责视觉的脑区里有非常多的神经元，它们之间是怎样排列组合的，谁跟谁连着，谁在谁的旁边，相互间的信息又是怎么传递的。这是我们研究神经网络的一个层次。另一个层次是大脑不同脑区之间是怎么联系的，举个简单的例子，我们在运动时，负责运动的脑区要和人体哪个“部门”进行配合？首先，为了更好地运动，至少要和负责视觉的脑区进行配合。那么，这两个脑区之间是怎么配合的，它们之间的神经连接又是怎么样的，也是在脑科学中需要回答的另一个关键问题。

脑科学的研究方向有很多，概括来讲，当前重点研究方向分为两个。第一是如何预防和治疗大脑的疾病。比如自闭症、智力障碍、双向情感障碍，甚至精神分裂、阿尔兹海默症等。

第二个重要方向是人工智能。人工智能方向细分也有很多领域，比如我们希望计算机能具有像人类大脑一样的功能，甚至未来在某种程度上能够模拟代替我们的大脑。还有一个是脑机融合，把人脑和一部分的机器（可能仅芯片大小）进行结合，从而共同完成一些非常复杂的任务。大家可以想象一下，如果有一天，我的大脑中被植入一块芯片，它储存着世界上所有的物理、数学、化学公式，答题的时候我就可以像计算机一样，从芯片中调取相关记忆。

不知道大家听说过“三磅宇宙”吗？三磅的重量大约相当于三瓶矿泉水，这个重量也是人类大脑的重量。虽然仅有1300-1500克，它却是人类所有智慧的来源，像宇宙一样复杂浩瀚。而对大脑结构和功能的探索和了解，可以说将是人类认识自我和认识世界过程中最复杂的挑战之一了。

脑科学这个挑战，一直吸引着无数科学家去探索，也包括你们这些未来的小科学家去接踵而至地进行研究。

神奇的小生物——果蝇下面，我们来认识一种神奇的小生物——果蝇。作为一个非常好的神经科学的模式生物，科学家们使用果蝇来研究脑科学。截至目前，实验室的“无冕之王”果蝇已经帮助科学家们共赢得了6次诺贝尔奖。

不知道大家观察过家里吃剩的水果没有？比如说隔夜的西瓜皮、香蕉皮上，有时候会萦绕着一些小飞虫，这些小飞虫大多数情况下就是果蝇。

和哺乳动物不大一样的是，果蝇雌蝇的体型会大一些，雄蝇的体型会相对较小一些，果蝇宝宝从一颗卵中诞生发育和长大。整个发育过程被称为变态发育。什么叫变态发育？就是和小蝌蚪长成小青蛙一样，果蝇小时候的样子和它长大以后的样子也完全不一样。

果蝇的幼虫形状有点像大米粒，但比大米粒还要小不少，体长仅1-2毫米。这时候的它没有翅膀，没有脚，也没有大眼睛，就是一个小虫子。经过3-4天的发育，它会变成一个黄色的像大米粒一样的蛹。在蛹的时期，幼虫体内所有细胞都会消失，变成营养物质从而服务于二次发育，最后破蛹而出的才是我们见到的果蝇成蝇。

成熟的果蝇长啥样？它的身体分为头部、胸部和腹部；有6只足（腿），前中后共3对；还有一对翅膀。通过显微镜的放大图片，我们可以清晰地看到果蝇的五官。首先映入眼帘的就是它这一对无法忽视的大眼睛。它的眼睛上面细看有很多小的凸起，其实这每一个小的凸起都是一只单眼，一共有1000-2000只左右，组成了一对大的复眼。这个复眼，和我们有什么不一样？

人类视网膜正中间的细胞密度最高（成像最清晰），所以当我们想看什么东西，一定是从正前方的角度去盯着它看。除了关注的物体本身，可能视野周围相对来说就不会太清晰，因为视网膜四周的视神经会相对稀疏一些。

那么，果蝇看到的世界是什么样的呢？通过做实验和科学家的分析，我们认为果蝇看到的世界是由很多马赛克组成的。为什么有马赛克？因为复眼是由很多只小的单眼组成的，每一个马赛克就是一个单眼在成像。1000-2000个单眼组成了它的整个视野。

这样的话，视野的空间分辨率就会比较低。不过，果蝇虽然牺牲了空间分辨率，但眼睛的时间分辨率却非常高。人类看电影，靠的是人眼一秒20赫兹左右的时间分辨率，这样我们才能把电影每个画面在大脑里连贯起来。而果蝇眼睛的时间分辨率能到300赫兹左右，也就是说一秒钟它能分辨出300个不同的相近图案，比人类高非常多倍。这样的果蝇去看电影，感受会是在看PPT，每一页的图像都是不连贯、卡顿的。

正因为拥有这样的强大视力，果蝇虽然对静态物体看得很模糊，但对动态的东西却看得非常清楚，这也成了它躲避天敌天然的能力之一——迎面飞来的鸟具体长什么样，有多大，这都不重要，重要的是已经看到它朝着我飞过来了，三十六计走为上！

果蝇头顶还有2个触角，是嗅觉的来源。它的嘴，叫口器。这让它吃东西的样子也很有意思，它没法像人类一样张开嘴进行咀嚼，因为口器中也没有牙齿。果蝇把口器伸出来当勺子用，在水果上一勺一勺地把富有糖分的多汁美味直接送进食道和身体。

果蝇的英文是Fruit fly，全世界的实验室里最常用到的是黑腹果蝇。有很多朋友好奇，果蝇是不是苍蝇？No，虽然它们属于同门同纲同目，都是节肢动物门下面的昆虫纲双翅目，而且长得有些像，都只有一对翅膀，但是果蝇和苍蝇是很不同的。

果蝇属于果蝇科，下有75个属，全世界有大概4000多种。而我们通常说的苍蝇其实是叫家蝇，属于家蝇科，下有77个属，有更多的种。

体型上，果蝇要小一些，2-4毫米左右，苍蝇则要大得多，在5-8毫米，甚至更大。身体颜色上，果蝇呈黄褐色，而苍蝇是灰褐色的。果蝇眼睛颜色偏鲜红，而苍蝇眼睛是暗红色的。果蝇的腹部有黑色的条纹或者黑色的斑块，而苍蝇的背部一般有竖着的条纹。

同时，最重要的是它们吃的不一样。果蝇吃得很讲卫生，以水果为主，而苍蝇吃得更杂，也更不卫生一些。它吃很多人和动物的排泄物以及腐烂的肉、鱼类。因为果蝇自身免疫力很差，如果它沾染了细菌，很快就活不成了，但苍蝇的免疫力非常强，它身上就算携带着病菌，也能安然无恙。

那么，脑科学和神经科学领域的科学家们，为什么会对果蝇这么感兴趣，选择果蝇来做研究呢？

首先，果蝇的基因相对要简单很多。2000年，科学家们对果蝇的整个基因完成了测序，在它13600对基因中，和人类同源相似的基因高达80%。

其次，果蝇的神经系统也相对更简单，它个子小，脑袋也小，相比有1亿个神经元的小白鼠，它只有10万个神经元。而我们人类的大脑保守估计大概有1000亿个神经元，加上神经连接的话，保守估计大概是1000万亿个连接。所以，科学家们就退而求其次，先去研究一些简单生物的神经系统。

虽然果蝇的神经系统简单，但它在行为方面又具有相当的复杂性。它除了可以完成很多比如觅食、交配、求偶、记忆、感知等基础的脑功能的任务，生物钟、昼夜节律等相对复杂行为它也都存在。所以，人类有的一些复杂行为，果蝇也有，那我们为何不用简单的解题思路去研究呢？

果蝇还有一个科研优势就是生长发育很快。在室温下10-14天就能完成一次从幼虫到成虫的变态发育。也就是说，如果我们想研究果蝇的祖孙三代，仅仅需要1-2个月的时间。生命周期短，研究时间快，这也是科学家看中果蝇做实验研究的重要一点。另外，果蝇的遗传背景非常清晰，非常便于遗传学的改造。

关于果蝇的科学实验，都能够帮助我们去理解它的大脑，进而能够帮助我们去理解人类的神经和大脑。

果蝇也帮助科学家们获得了很多诺奖，比如早在1933年，托马斯·亨特·摩尔根（Thomas Hunt Morgan）用果蝇完成研究，创立了基因遗传学。近在2017年，美国遗传学家杰弗里·霍尔（Jeffrey C. Hall）、迈克尔·罗斯巴什（Michael Rosbash）以及迈克尔·杨（Michael W. Young）因使用果蝇研究出了我们现在熟知的生物钟的机制，获得当年的诺贝尔生理学或医学奖。

科学精神与科学家品质接下来，我也向大家介绍一下科学研究这个概念。从这个研究内容上，科学研究分成应用型研究和基础型研究。

应用型研究是科学家们要解决具体的人类生活当中的问题。比如怎么样把火箭送上天，怎么样让人能够在火星上生活，怎么让电动车跑得更快，怎么让手机电池的续航更优秀等。

而以果蝇研究为代表的一大类基础型研究，探索的是新理论、新原理。新理论、新原理是在当前世界上还不存在，我们要去未知世界中把它们找出来，为应用型科研提供理论依据。比如说牛顿定律、相对论或者麦克斯韦方程组，可能是一些非常理论的东西，但这些东西指导了无数的应用型科研。

所以可以简单地说，应用型研究的结果建立在基础型研究的基础之上。这有点像一个是造铲子的，一个是挖金子的。如果没有基础科研这把铲子，肯定挖不出金子。但铲子没有用武之地也没有太多的意义，我们最终还是需要找到想要的金子。

科学是什么？中国科学院高能物理研究所研究员张双南教授曾总结过科学“三要素”，分别是科学目的、科学精神和科学方法。其中，科学精神包括三个方面：质疑、独立和唯一。

我在这里想着重分享一下其中的质疑精神。就是我们一定要对课本里学到的已有知识，敢于产生一定的质疑，只有这样，科学才能发展。如果咱们只是单向摄取知识而不去思考，世界和科学都会停滞不前。

当然，科学精神是质疑，但也并不是让大家什么都质疑。我们在小学、中学，甚至在大学阶段，可能更多的不是质疑而是汲取，但是到了研究生阶段，到了独立自主地去做科研的阶段，就要利用已有的知识去产生一定的质疑和研究，有可能就会有惊喜和突破。

所以，我认为如果想成为一个进行科学研究的人，需要具备的最重要的品质之一就是好奇心。

如果你对这个世界、对自己的大脑、对自己的身体，没有好奇心的话，你自然也就不会去研究它。所以你要尽快找到自己的兴趣点：到底对什么最好奇，然后再去研究它。

接下来，你还需要具备逻辑思维能力。什么是逻辑思维能力？也就是凡事讲因果。为什么有现在这种结果？我们要探求它产生的原因在哪里。通过合理的推理，一环扣一环地慢慢地找到真相。

当然，还要具备毅力、变通和诚信的品质。探求真理的道路上当然不是一帆风顺，你需要学会接受失败，并在失败的基础上有毅力坚持住，有自律一如既往地进行科学研究，永攀科学高峰。

变通性也很重要。虽然要执着、要有毅力，但是不能一味固执。真理只有一个，怎么就能保证你的一定会是真相呢？如果你的实验结果证明不对，要学会变通，去其他方向寻求真理。

诚信也非常重要。我们在科学研究当中，一定要保证过程的真实性，也要保证结果的真实性，这样才能对人类社会做出真实的贡献。这些品质方面，大家都可以慢慢地建立。如果你怀揣科学梦想，也许假以时日，你就会成为一个真正的科学家。

（本期图片、视频来自第777期首都科学讲堂）

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