作者：王韫绮
摄影：杨浦东
闻到天敌气味，小鼠僵在原地，一动不动，当特定神经环路被激活后，它却能克服恐惧，重新走动；而在没有天敌气味的环境中，另一群神经元被激活，小鼠又会出现类似遭遇天敌的僵直反应。台下的学生们聚精会神地聆听着，目光紧紧追随着大屏幕上的实验画面。恐惧并非凭空而来，它有其可以被解析的神经基础，中国科学院院士、浙江大学医学院教授段树民用这组对照实验，把学生们带入脑科学前沿。
10月26日下午，“大师课堂——院士专家进校园”活动走进华东师范大学附属东昌中学。段树民院士以《从神经调控到脑机接口——脑科学发展的机遇和挑战》为题，为现场560名高一学生带来一场脑科学课。
PART.01
从给大脑“画地图”
到找到行为的神经开关
“目前已知最复杂的系统是什么？”段树民院士把答案指向每个人的大脑。人类很早就试图理解智慧从何而来，直到脑损伤、失语症等临床观察不断积累，人们才逐渐确认大脑与语言、运动、感觉等功能的关系。从布洛卡通过失语患者研究语言功能相关脑区，到彭菲尔德在清醒患者的脑部手术中用电刺激绘制脑功能图谱，再到斯佩里通过裂脑患者研究揭示左右半球的功能分工，这些临床观察与实验研究为脑功能定位提供了重要线索。
然而，知道哪块脑区负责什么，并不等于知道大脑怎样工作。“我们缺一个中间环节。”段树民院士向学生们形象地解释这道难题，科学家已经较清楚地了解神经元如何产生、传递信号，也能研究学习、记忆等整体功能，但大量神经元如何组成神经环路、如何协同活动，曾长期缺少有效的研究手段。没有选择性的一般电刺激，难以分辨不同类型神经元各自承担的任务。
光遗传学等技术带来了改变。科研人员借助基因方法，让特定神经元表达光敏感离子通道，再以光在精确时间调控其活动，由此观察一类细胞、一条环路与一种行为之间的因果关系。段树民院士展示的动物实验中，闻到天敌气味的小鼠会僵在原地；特定神经环路被激活后，它能克服这种恐惧反应，重新活动。反过来，在没有天敌气味的环境中，调控另一群神经元，也能让小鼠出现类似遭遇天敌的僵直反应。
攻击行为同样呈现出清晰的神经基础。实验中，特定脑区的一小群神经元被激活后，原本和平相处的小鼠会发起攻击；停止刺激，攻击行为随即终止。即便面对原本打不过的对手，相关环路被激活后，小鼠也会从逃避转为反击。对中学生而言，这些实验让“恐惧”“愤怒”不再只是抽象词语，而成为可以被定位、被操控、被验证的神经活动。段树民院士同时提醒，解析这些机制不是为了简单操纵行为，而是为了理解相关精神障碍和疾病，寻找新的干预路径。
PART.02
让小鼠“想睡就睡”
重新看见睡眠的价值
段树民院士分享的另一个实验则关于睡眠。他先从进化中的悖论讲起，睡眠会降低动物对环境的警觉，增加遭遇攻击的风险，却仍在漫长进化中被保留下来。这意味着，它一定承担着不可替代的功能，包括恢复精力、巩固记忆、调节免疫和影响情绪。
但过去要证明睡眠与记忆、情绪的因果关系并不容易。传统的睡眠剥夺实验会让动物处于应激状态，研究者很难判断，随后出现的变化究竟源于缺少睡眠，还是源于实验本身造成的压力。段树民院士带领团队找到可精准调控睡眠的神经环路后，可以在特定时间诱导小鼠进入睡眠，为研究提供了更理想的工具。他用一句简单的话幽默地概括这项技术：“你想让它睡就睡，不想让它睡，它就不睡。”
在“新物体识别”实验中，小鼠先探索环境中的物品，休息后再回到物品位置发生改变的场景。如果它记得原来的布局，就会花更多时间探索发生变化的位置。实验显示，短时学习形成的记忆会很快衰退；学习后及时获得一段睡眠，记忆保持时间则显著延长，在12小时后仍能检测到记忆痕迹。段树民院士借此说明，睡眠并非学习的中断，而是记忆加工和巩固的重要过程。尽管动物实验结论不能直接照搬到人的日常安排，它仍提醒学生：一味压缩睡眠，未必能换来更高的学习效率。
睡眠与情绪之间也存在双向影响。担心一件事可能让人难以入睡，熬夜又会使人第二天更容易情绪化。在报告介绍的动物研究中，小鼠经历争斗挫折后，如果能及时进入睡眠，后续慢性焦虑样行为会受到阻断。研究团队进一步发现，睡眠可动员相关神经环路，抑制焦虑中枢的活动。由此，睡眠不只是休息，还可能成为理解情绪调节的一把钥匙。
从恐惧、攻击到睡眠、焦虑，神经调控研究正在揭示复杂行为背后的特定环路。段树民院士将其与脑机接口联系起来，理想的技术路径不只是读取大脑信息，还要根据需求进行反馈调控，形成“解码-调控”的闭环。不过，动物实验中使用的基因导入、光纤植入等方法，难以直接用于一般患者。未来能否实现无创、精准、稳定的神经调控，将决定这些成果能多大程度走向临床。
PART.03
脑机接口能走多远
取决于脑科学能走多深
谈及近年迅速升温的脑机接口，段树民院士没有只展示“意念控制”的神奇一面，而是先梳理它的现实边界。植入式方法把电极置入脑内，信号质量和调控精度较高，却面临手术风险、长期稳定性、生物相容性等问题；非植入式方法接受度更高，但信号更间接，精准解码仍有待突破。两种方式各有适用场景，不能简单相互替代。
他回顾，脑机接口概念在20世纪70年代提出，早期植入式实验已能让患者用脑信号移动光标。近年来，柔性电极、高通量记录、手术机器人及人工智能解码等技术推动产业加速发展，但这并不意味着根本性问题都已解决。当前最现实的应用仍在医疗领域，例如帮助运动障碍患者康复，探索语言、视觉等功能的替代或重建。要判断脑机接口未来能走多远，首先要看人类对脑功能、神经信号和神经环路理解到什么程度。
段树民院士还把脑机接口放在人工智能快速发展的背景下讨论。人脑功耗仅约15—20瓦，具有通用性，能够进行小样本学习，一些能力甚至不需要后天训练；相比之下，今天的人工智能往往依赖大量数据、算力和能源。人工智能曾从神经网络研究中获得启发，未来脑科学仍可能为其突破提供思路。反过来，人工智能也能帮助解析复杂的脑信号，并通过便捷的人机协作扩展人的能力。
互动环节，有学生追问：“脑机接口成熟后，究竟是大脑控制机器，还是机器可能控制大脑？”段树民院士回应，脑信息一旦被读取，首先涉及隐私保护，相关数据的采集、分析必须去标识化并严格保密；涉及人的研究和应用，也必须保障知情同意。至于更远期的失控风险，不能排除，也不能因此停止思考，而应在技术发展过程中同步建立预防和治理机制。
脑机接口之所以被视为未来产业，正因为它站在脑科学、医学、材料、工程与人工智能的交叉点上。段树民院士告诉学生，真正的突破未必只来自某一个学科，无创解码、精准调控等难题尤其需要跨领域合作。报告最后，段树民院士勉励同学们努力学习，在未来寻找跨学科突破的机会，对人类大脑的理解与调控，仍有许多未知，等待年轻一代去探索。
“大师课堂——院士专家进校园”活动由上海市科协和上海市教委联合主办，上海市业余科技学院（上海科学会堂服务中心）承办，邀请院士专家以专题讲座的形式巡讲各区中小学校，与学生面对面互动，实现校外科学教育与学校的“双向奔赴”，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，宣传弘扬科学家精神，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
