作者：李小俚



李小俚，北京师范大学认知神经科学与学习国家重点实验室副主任，认知神经工效研究中心主任、教授，北京神经科学学会孤独症专业委员会委员

大脑是人体中最复杂最精密的器官：860亿个大脑神经元相互交织，在仅占一拳头大小的方寸之地“放电”闪烁，如熠熠星辰般构成了一个“小宇宙”。这个“脑宇宙”中都蕴藏了哪些秘密？如何提高学习时的大脑注意力？怎样保护和锻炼我们的大脑？当大脑“生病”时，又有哪些科技手段能辅助治疗呢？

认识我们的大脑

大脑是人体的“最高指挥中心”，承担着“司令部”的职责。大脑的形状像两瓣对称的淡粉红色核桃，遍布着很多沟回。硬度比较像老豆腐，不是特别硬也不是特别软。大脑的重量有1120克左右，虽然只有一公斤多一点，但其耗能很大，日均消耗能量占据了整个人体耗能的20%。



大脑有哪些高级功能呢？注意、记忆、运动、调节情绪、语言等很多，其中思维占据了重要的地位，因为我们可以推理、思考和决策，这些都是大脑的更高阶段。另外，意识是大脑的重要功能之一，也是大脑研究的重要方面。比如人的意识是怎么产生的，人是怎么在有意识的状态下去完成记忆、注意、运动等。



在不同情况下，注意力的集中程度是不一样的。因为大脑的注意功能是有选择性的，我们一般只愿意关注感兴趣或需要关注的东西。注意力的选择非常重要，这也是大脑重要的能力，可以帮助减少大脑的负荷。注意功能包含执行与控制，涉及到警觉（持续性注意）及定向（选择性注意）。比如在驾驶汽车的过程中，持续性注意能够让驾驶员做好应对特殊场景的准备，如复杂的十字路口；而选择性注意则让驾驶员在行驶过程中，可以把注意力分配到正前方突然出现的行人身上。



大脑也有记忆的功能，那么记忆是不是可以通过训练得到提高？在学校里，老师经常要求同学们背课文，类似“背古文”“记公式”这样反复朗读和背诵的行为，就是对大脑的一个训练过程，因为我们在执行记忆行为的时候，是需要大脑皮层之间相互关联的，而这种训练过程可以不断地促进大脑皮层的一些回路进行联系，从而建立记忆网络。所以，从这个层面上讲，记忆是可以通过训练提高和改善的。

大脑具有学习的能力，那么，在学习的过程中，大脑里会发生什么变化呢？



刚出生时，大脑就在发育，神经元连接一直在不断地发生变化，神经元连接跟学习能力是息息相关的。

上图左一显示的是一个新生儿的大脑神经元分布图象，明显很稀疏；左二是一个月大小的婴儿的神经元分布，婴儿出生后的一个月，大脑接受了这个世界各种声音图像等的外界刺激，比如父母的声音、音乐的声音等，此时，大脑不断学习、适应外界，从图片中可以看出神经元对比左一多了很多。等到婴儿6个月大小的时候，神经元越来越多，婴儿也学习到越来越多。婴儿刚出生时，大脑好似一张未经涂抹的白纸，所以这时也是婴儿学习能力最强的黄金期，越小的时候学习越快。图右一是婴儿2岁的时候，不但神经元越来越多，而且神经元与神经元之间的联系也越来越多，形成了密密麻麻的“网络”，注意和记忆都要靠这个网络完成。所以，通过不断的学习是可以改变和塑造我们大脑的。

勤奋学习对我们的大脑好处很大，那么我们该如何调动学习的热情和积极性呢？

大脑始终处在不断“放电”中，包括我们睡觉的时候也在“放电”。大脑要消耗20%的人体耗能，学习的时候，大脑要调动神经元网络一起工作，有时会感觉辛苦，这让我们对学习的热情常常就像过山车一样，一下子冲劲满满，一下子又没有热情了。那么，到底如何来调动学习的热情和积极性呢？



首先，我们在学习中要体会到乐趣。兴趣是最好的老师，乐趣可以调动大脑的兴奋性，学习能力就会增强，感觉上就不会太累。那么怎么体会到学习的乐趣呢？就是我们在学习过程中，要不断地给自己创造一种成就感，并且寻找学习中有趣的部分。

其次，我们要跳过大脑发出虚假的疲劳信号。方法上可以制定一个小而清晰的目标，从简单的部分开始，不要一上来就做最难的事，让大脑更易开启行动。

另外，要克服习惯性的拖延。大脑确实感到疲劳的时候，想要让它很快地恢复，就休息一会儿，然后再学习可能就变得简单了。这也是为什么我们在学校学习的时候，一会儿上数学课，一会儿又上体育课，上完美术课之后再回来学英语的原因。通过不断地调整学习内容，让你的大脑不断地产生信心，让大脑很开心，才能调动学习的热情和积极性。

保护我们的大脑

大脑对我们是如此重要，那么应该如何保护它呢？首先最重要的是睡好觉。当我们夜晚睡眠的时候，大脑并没有在休息，而是一直在运动“放电”，并且比白天“放电”更多。白天大脑忙忙碌碌，不断地处理各种各样的事情，神经元一直陪着我们，到了晚上的时候，大脑里一个特殊的部门----血脑屏障就会开始工作，血脑屏障可以保护大脑不受细菌侵蚀，可以说是保护大脑的一道有力防线。

2019年，科学家研究发现，当夜晚我们进入睡眠的时期，会有一个“洗脑”的过程，血液会周期性地大量流出大脑，每当血液大量流出，脑脊液就趁机发动一波攻击，脑脊液进入之后会清除有毒的物质，这种“清洗”，只有在我们睡着后才能发生。


红色是血液，蓝色是脑脊液

另外，白天大脑接触了大量的信息，大脑晚上就开始发挥“梳理”的作用了。大脑会把不感兴趣的、可能对你没有什么用的信息遗忘，然后把重要的内容像牛吃草一样进行反刍，返回来再“咀嚼”一遍进行记忆的强化。

那么为了大脑的健康，我们到底要睡多长时间呢？美国国家睡眠基金会推荐了一个青少年的最佳睡眠时间，我们可以参考。



4到11个月的时候，推荐睡眠时长为12到15个小时，太多太少都不合适；1到2岁的时候，推荐睡眠时长为11到14个小时；3到5岁的时候，推荐睡眠时长为10到13个小时；6到11岁的时候，推荐睡眠时长为9到11个小时等等。那么，我们现在国内的小学生每天可以睡到10到11个小时吗？大概保证不了。那14到17岁的中学生呢？每天可以保证睡到8到10个小时吗？可能也难保证。因为睡眠对我们的健康影响很大，特别是对于青少年来说，所以尽可能地保证青少年的充足睡眠是非常重要的。

优质睡眠需要建立良好的睡眠习惯，比如睡眠的时候不要开灯睡；尽量右侧卧，减轻睡眠时心脏的压力，有助于血液循环；不要刚吃完饭就睡觉；尽量午睡一会，保证作息规律等。

说到午睡，是不是睡的时间越长越好？其实不是的。午睡时长控制在30分钟左右就可以了，午间打个盹儿，相当于我们重新开关了一下大脑。养成一个好的午睡习惯，除了对大脑有好的影响，同时也可以帮助放松骨骼和肌肉，维护免疫系统等。所以说，保证我们一天中有1/3的时间用来睡眠是很重要的。

其次，保护大脑需要运动锻炼。生命在于运动，大脑控制我们的运动行为，反过来运动行为也能促进大脑的发育，分泌产生多巴胺、血清素、肾上腺素等化学物质调节大脑，让我们的心情保持愉悦，并且对我们的心肺、血管、代谢等功能都有益处，从而维护我们的健康。

特别建议我们的青少年要经常锻炼，保证运动的时候心跳要达到一个最高峰值。经常保持运动的青少年，记忆力会变好，专注力也会增强。每做一组运动，神经递质含量会得到增加，可以提升心情愉悦度和聚焦能力，对注意力、专注力的改善会持续至少2个小时以上。另外，长期运动的话，大脑中和记忆相关的海马回的容量也会增加，也会使长期记忆能力改善。



所以从这个角度来说，学校的体育课程是必须的，当然，做运动也要适量，每周运动3-4次，每次运动至少半小时，同时要做一些有氧运动，比如跑步、打球等，对我们都有好处。

还有就是不要挑食，获取均衡的营养也能保护我们的大脑。因为大脑是一个复杂的器官，需要很多营养，它耗能高，就更需要营养。最后，大脑的健康也需要积极的的情绪，只有心情愉快了，大脑才更健康。

大脑“生病”了怎么办

如果没保护好大脑，它“生病“了怎么办？这里简单介绍一下大脑的疾病。

大脑疾病有功能性脑病和结构性脑病之分。功能性脑病包括运动障碍、感觉障碍、自主神经障碍，还有精神心理疾病，比如说睡眠障碍、焦虑障碍、抑郁障碍、精神分裂症、孤独症、多动症、认知障碍等。



我国现在有1.1亿多的功能性脑病患者，占到整个医疗成本的20%，而且这个数量仍在上升，功能性脑病已成为公共健康的重大威胁，因此在“中国制造2025”“健康中国2030”“中国脑计划”里，都围绕减少功能性脑病的预防和治疗的目标而努力。

在人的一生中，有可能会碰到什么样的脑病呢？我们也在这里简要归纳一下。



0到1岁的时候，可能会出现婴儿早产的情况。早产儿是还没有发育完全就提前出生了，大脑发育会存在一些缺陷，有缺氧或异常“放电”的情况。1-3岁的时候，有1%的小孩可能会出现孤独症和脑瘫，这个时候早期检测和干预是非常重要的。3-12岁的时候，如果注意力网络没长好，会出现多动症（ADHD）和学习障碍，发病率在5%到8%。12到18岁的时候，如果学生压力过大，会导致焦虑或早期的精神分裂症，焦虑发病率的比例很高，在10%，精神分裂症的比例低一点。18到50岁的阶段，一部分人会出现抑郁症和睡眠障碍。50到90岁的阶段，一部分人会出现中风情况，一部分可能会出现阿尔兹海默症（AD），就是我们俗称的老年痴呆，还有一部分会出现运动障碍（PD），当然也包括睡眠障碍，年纪越大，睡眠越少。当然，无论哪个阶段，也都会有一些脑损伤情况，比如癫痫、慢性痛及意识障碍等，也都有一定比例，功能性脑病在医疗领域中也越来越受到重视。

那这些功能性脑病，有什么办法去治疗呢？第一是药物治疗，但药物治疗对一部分病症有一定效果，比如抑郁症、焦虑症和一些癫痫都是可以用药控制的。但像阿尔茨海默（AD）这种脑部疾病，到现在为止还没有特效药。其次是心理治疗，比如应对抑郁症、焦虑症，但效果有限。还有就是采取手术的治疗方案，把病灶部分切除，但大部分病症实际上很难通过手术得到治愈和根除。目前全世界也在共同寻求物理治疗方案去应对功能性脑病，因为物理治疗方案相对而言是无创、安全、可调节的，而且成本比较低。

功能性脑病是有其生理基础的，一般来说，功能性脑病的电生理异常主要体现在它的脑节律上。

什么叫做脑节律？大脑处理信息时，需要大量神经网络一同协调处理。如果哪个神经网络协调不合适，它就会出现问题。比如出现幻听幻觉，感到头痛等。这个时候我们要去观测大脑的“放电”情况，看看大脑“放电”时是否遵循一定的规律性，这个规律性就是脑节律。如果检测到脑节律出现了异常，可能大脑就出现了问题，比如可能有认知、情绪、注意、意识等障碍等。

前面讲了，如果化学的办法很难去解决这些问题，那么我们能不能试一试采用物理的办法？目前相关的技术包括经颅电刺激、经颅磁刺激，还有超声刺激和神经反馈技术等。这些办法可以改变大脑放电的节律，来调节大脑的认知能力、情绪控制力、注意能力和意识状态。



下面我们介绍一下经颅磁刺激技术，经颅磁刺激技术应用了电磁感应的科学原理，我们知道，电磁感应现象是指因磁通量变化产生感应电动势的现象，例如闭合电路的一部分导体在磁场里作切割磁感线运动时，导体中就会产生电流，产生的电流称为感应电流。

差不多200年前，我们了解了这个科学原理，但是真正利用这个原理刺激大脑是1985年第一台经颅磁刺激仪的成功研制。

1000年前，人们发现用电鳗鱼刺激癫痫患者时，癫痫患者会减少发作的频率，所以电对大脑是有调节作用的。而如今，我们根据磁通量变化产生的定向感应电流来刺激大脑，磁信号可以无衰减地透过颅骨而刺激到大脑神经，实际应用中并不局限于头脑的刺激，外周神经肌肉同样可以刺激。



当然，因为我们的大脑是有功能分区的，不同的脑区具有不同的功能。所以这种物理治疗也根据具体的病情有不同的治疗方案，对于抑郁症，刺激跟抑郁相关的脑区。对于注意障碍，就要刺激注意障碍的脑区。

既然一个感应的电流可以刺激大脑，那我们在头皮上直接加电流可不可以呢？这就是经颅电刺激技术。经颅电刺激是一种神经刺激，它通过小电极将持续的微量电流直接传递到特定大脑皮层区域，调节大脑皮层的兴奋性和可塑性。



兴奋性和可塑性是我们大脑重要的一个特性。如果兴奋性过高就会发癫痫，如果可塑性不够高，那么大脑的康复能力就比较弱，也就是说如果可以改变调节大脑的兴奋性和可塑性，那么就可以用来调节功能性脑病。实验发现，神经元如果得到了一个阳极、正向的电流刺激的话，它就呈现去极化，兴奋性和可塑性就会增加。如果得到的是阴极、负向电流刺激的话，就呈现超极化，大脑的兴奋性和可塑性就会降低。

我们知道，大脑处理信息的时候，需要大量神经网络协同，协同过程中，神经元传递的地方会产生很多电流，这个电流是变化的。如果封合在一起就会变成一个电场，这个观测到的电场就是我们所说的脑电波。



我们发现电刺激对脑电波也有调控作用，在安全范围内，根据不同情况，该刺激哪里、用多大剂量等，都有一系列的研究成果，刺激脑区的区域、参数，都要根据需求选择不同的模式。

“超声调控”和神经反馈技术

前面讲的电刺激和磁刺激虽然控制起来非常方便，但并不完美，它们的缺点就是刺激深度不够，主要集中在大脑皮层上，并且这两个技术在进行精确定位时也是不足够的。因为我们大脑除了皮层，还有皮下的，比如说丘脑、海马等非常精细的部位。如果想刺激到更深层的大脑，我们该怎么调控呢？这里介绍一个新的技术----超声刺激。

我们知道，声波是一种机械振动，可以通过介质进行传播。声波有着不同的带宽，普通的声波是音乐、语言……频率更低、具有很强穿透能力的次声波，可以用来制造军事武器。我们人类耳朵能听到的机械波波长为2cm~20m（2厘米~20米）。因此，我们把波长短于2cm的机械波称为“超声波”，已经超出人耳可以听到的范围。超声波通常应用于医学领域，比如超声成像，使用超声反射来对大脑和器官进行成像观测。

我们今天讲的就是超声波。低频的超声波对大脑具有调控作用，对神经元的“放电”活动进行调节是超声的一个基本神经调节机制，当然这个机制更深的原理还在继续探索中。低频超声波技术可以用来刺激人类大脑的不同区域，最大的优点是穿透能力强，可以达到很深的深度，并且它是无创的，不需要开刀定位，就可以聚焦精确，刺激到毫米级的区域，包括大脑皮下的丘脑、海马体、延髓和颞叶。根据神经系统疾病的不同类型，可以选择合适的超声神经调节靶点来治疗慢性疼痛、癫痫等几种不同的神经系统疾病。



最近一个新的发现是，如果给阿尔茨海默症患者使用低频超声刺激，可以激活大脑中的小胶质细胞，清除易导致阿尔茨海默症的异常物质β淀粉样蛋白( amyloid-β，Aβ) ，并通过自噬增强tau蛋白的清除，之后病症就会减轻，所以说对阿尔茨海默症是有一定治疗作用的。



那么，除此之外，还有没有一种办法，可以使用大脑自身的学习及强大的自愈能力，来进行自我治疗呢？接下来我们也介绍下神经反馈技术。

我们首先回顾一下巴甫洛夫和他的狗。狗受到条件反射（比如说流口水）的影响，在接受食物之前经常接受相同中性刺激（节拍器或者铃声）的狗会将这种刺激和进食行为联系起来。而当这只狗遇到来自节拍器或铃声的刺激时，就算没有投喂任何食物，也会不自觉地流口水。

人的脑电波也有这种操作性条件反射的能力。以脑电作为脑成像工具，通过数据获取和分析，以直观的方式反映脑状态的变化，引导受试者自发改变脑状态。



在实验中，受试者看一件物品，比如一个可以旋转的球。如果受试者注意力不集中，这个球就不转，如果注意力集中，这个球就处于旋转状态。通过这样直观反复的训练，可以提高受试者的注意力。

神经反馈可以成为一种有效的替代癫痫药物的干预方案，尤其是针对于药物没有明显作用的难治性癫痫。1972年，这项技术首次被用来治疗癫痫，主要是训练使用检测到的脑波去抑制另外一个脑波，通过三个月的不断训练，癫痫患者的发作率降低了60%，并在随后十几年里预后良好。



神经反馈训练另外的应用就是用于对多动症及注意力障碍（ADHD）、孤独症里的认知障碍、抑郁症中的情绪调节能力等。在临床上，神经反馈训练也是大有作为的。未来可以制作相关的游戏素材，通过游戏来训练大脑的学习能力和可塑能力，调节注意力及精神心理健康等。



另外一个方面，神经反馈技术对某些特种作业的人员有很好的帮助，可以用来作为提升认知能力、记忆能力、注意力、睡眠、运动能力、放松训练、自控能力的训练等等。比如运动员需要放松训练的时候，就可以用它来辅助。当我们冥想放空时，大脑子里面的一个α波就会升高，如果可以观测到α波，每次训练其达到一定的水平高度，就能调节训练放松的状态。类似这样，就能产生一个在线的实时学习系统，用来增强我们的相关能力。

（本期图片、视频来自第760期首都科学讲堂）
责任编辑：石依诺 周彩丽