泉果无限对话 | 美国脑科学专家解密：疼痛是主观的情绪反应

我们的大脑足以理解大脑本身吗？

人类学家莱尔·华特森（Lyall Watson）曾经说过：“如果脑简单到能让我们理解，我们的思维就会简单到不能理解脑。”

人的大脑约有1000亿个神经元，这些神经元又非常精确地组装成一个个神经环路，每个神经环路无时无刻不在高效运转，这套“系统”过于精细和复杂，因而被称为是 “人类自我认知最后一块高地”和探索自身的“终极疆域”。

大脑科学已经成为新产业投资的机会，脑机接口，终极自我提升，脑修复的新希望，寻找聪明的药丸，读心术，大脑激活器，神经的基因，如何驯服压力等多种前沿探索方向都成为科学家、企业家和投资人共同关注的焦点。脑科学的突破被认为将不止会颠覆一个赛道，它可能会改变人们的医疗、生活甚至娱乐方式。

今年6月，很荣幸邀请到脑科学专家彭远波教授做客【泉果无限对话】，在两个小时的交流中，彭教授分享了他在美国的实验室中进行的神经中枢系统的最前沿研究：生理伤害是客观存在的，但疼痛程度却是主观的情绪性反应。他带领的团队于2015年开发出了研究专用的无线记录和刺激仪，通过超声波无线能量采集技术，记录小老鼠在疼痛情况下的电信号反应，再给大脑发出针对特定部位的刺激指令，通过释放下行的抑制疼痛的神经递质来有效减缓疼痛。

为了能够让大家更好地理解专业的实验室研究成果，他特别以三小时大学公开课的形式，从最基础的大脑结构讲起，运用大家最熟悉的“上班打卡”、“摇铃铛”等场景，深入浅出地分析了大脑的运行机制和中枢神经系统的运行逻辑。

以下为彭教授内部分享的观点节选：

人类对大脑的最早记录始于4000多年前，即公元前2650年。在一位叫艾德温·史密斯的埃及外科医生的纸草文稿（Edwin Smith Surgical Papyrus）中，人们发现了脑的象形文字。

图1. 艾德温·史密斯外科医生的纸草文稿

“脑”这个词在文稿中出现了7次，按照象形文字的意思，是被 “包裹起来的折叠状身体组织”。

图2. 人类已知最早的“脑”的象形文字

那时的人类并不认为大脑是什么重要的器官，埃及人认为心脏才是人的思维和运动器官。比如在制作木乃伊时，心脏是处理后需要重新放回身体的，但大脑却是被直接丢弃的。古代欧洲也有同样的认知，亚里士多德就认为心脏是思考和感觉的器官，脑不过是血液的冷却器。

人类真正认识到大脑就是思维器官也才200年的时间。

当你踩到火的时候，就相当于你在拉一个绳索，这个绳索就一直通到我们的大脑里面，大脑里面有个铃铛，绳索一拉，这个铃铛就响了，我们就知道脚踩到了火，然后产生疼痛。

图3. 笛卡尔的疼痛传导模型

在现代脑科学中，对这一传导机制是如何解释呢？

举个例子，每年我们去体检的时候，医生会拍一下你的膝关节，敲到筋膜的时候，就会引起膝跳反射。膝跳反射的通路是怎么样的呢？

膝跳反射是一种最为简单的反射类型。它的完成过程仅包含两个神经元：感觉神经元和运动神经元。

图4. 膝跳反射传导示意图

传导机制为：敲击刺激感觉神经元→产生电信号→传导至中枢神经系统（此处为脊髓灰质）→释放神经递质→神经递质与神经元结合→引发运动神经放电→触发肌肉收缩。

当然还有很多的反射弧，比如你触摸小婴儿嘴边的时候，他会自动把头转向你触摸的方向，如果你把手指放在小孩子的手掌上，他就会自动握你的手指。

在这个过程中涉及到了以下几个内容，我们下面会分别展开分析：

1. 电信号：神经活动的唯一语言

2. 神经系统：人体最复杂的系统

3. 疼痛研究：客观的伤害，主观的疼痛

电活动是我们神经所有活动的唯一语言。

比如我们能够通过运动系统中枢控制手部肌肉、通过视觉系统感知物体的形状、颜色、动静等，都是通过电信号传导完成的；听觉系统也是一样，声波进来，经过耳蜗，机械的震动转变为电信号，传到我们的大脑。每个系统电信号的频率都不一样，也就代表着不一样的意义。

为什么神经细胞能放电呢？

因为神经细胞的细胞膜上面有很多不同的离子通道，所谓的通道就是蛋白质，蛋白质又是由基因来控制出入识别的。细胞核里有成千上万的基因，比如某一个基因，它就表达钠离子通道。所有这些通道，如果打开，它只能允许特定的离子通过。就像公司的门禁一样，只有自己公司的员工才能进，必须刷卡或刷脸，其他人是不能进的。

离子在细胞内外的浓度不一样，就产生了电位差。产生电位差之后，一旦有离子通道打开，钠离子就有机会进入，钠离子带正电，进到细胞内液以后，就使细胞内的正电不断积累。当它达到一定程度了以后，就会引起所谓的动作电位。

这个动作电位就会沿着神经细胞，特别是轴突，比如从远端传导到中枢；如果是运动细胞，它就会从脊髓传到周围，然后引起肌肉的放电。

想象一下，所有神经细胞的膜上，都有可能产生所谓的动作电位。从胞体、轴突、树突部位收集到信息以后，就会传递到树突末端。动作电位传到那个地方了以后，就引起神经末梢的神经递质的释放，神经递质释放了以后，就会传达到下一级神经元。受体接受它以后，根据这个神经递质的不同功能，或者是激活下一级神经元，就放电；或者是抑制下一级神经元，就不放电了。

以上比较简略的说明了神经细胞的结构和它的放电，最后引起一级一级的神经元传递这个信息。

在身体不同部位实现电信号传递的系统就是神经系统。神经系统是由神经元细胞组成的网状结构组织，它只占人体体重约3%，却是人体最复杂的系统。借助神经系统，人类才能够因应外界的环境变化而产生适当的身体反应，并且有思考、记忆、情绪变化的能力。了解这一点对后面会提到的疼痛传导和抑制很有帮助。

脊髓动物神经系统包括中枢神经系统和周围神经系统，其中，中枢神经系统包括大脑和脊髓；周围神经系统包含躯体神经系统（下图中的蓝色部分）加上自主神经系统（下图中的红色部分）。

图5. 脊髓动物神经系统

先说中枢神经系统，它包括大脑和脊髓。

脊髓主要是在脊柱里面。比如现在人常有颈椎病，可能是因为腰椎间盘突出压迫感觉神经纤维，使周围出现炎症，相当于远端神经总被刺激，手就会发麻，或者腰椎被刺激，可能导致下肢发麻或者疼痛无力。

中枢神经系统再往上面一点，就是所谓的脑干。脑干这部分管得很多，很重要，比如管自主心跳和呼吸。特别是下脑干，受损了以后，人很快就会死亡。管呼吸、管心跳的中枢受损之后，呼吸就没有了，除非用呼吸机机械地维持呼吸；或者是心跳就没法继续了，那就要安心脏起搏器，但也不是长久的办法。

再往上就是小脑和丘脑，也有很多的核团参与，让我们保持清醒。在同样的位置，还有另外一个神经递质的系统，叫GABA系统，是一个抑制性的系统。它的活性增加以后，会抑制大脑皮质的活性，表现为比较瞌睡，对外界的反应也不灵敏。稍微严重一点，我们就睡过去了。如果在脑干部分，神经元受到损伤，病人会处于深度昏迷状态，清醒过来的可能性就会大大减少。

至于周围神经系统，包括躯体和自主神经系统。比如说运动的控制要靠躯体的神经系统，我们可以去控制这些动作。而自主神经系统，不受我们主观的控制。比如控制心跳、血压，心跳不是我们想增加就能增加的，它都是自主的，根据一定的反馈自动调节。

自主神经系统里面，分交感神经和副交感神经。交感神经的主要功能，比如在激动的时候，“FIGHT OR FLIGHT”，你要么就继续战斗，要么就赶快逃跑。激活了交感神经系统以后，心跳和血压就会增加，让我们的肌肉有一定的能量，要么你去跟别人打，要么你就赶快跑。副交感系统，主要就是反着的，使血压降低，心跳也降低。

大家都知道痛感是自我保护机制，为了防止伤害持续发生，比如手被烫到会立马觉得疼，就是大脑提示你把手拿开。

疼痛是一种感觉，但疼痛的程度是一种情绪反应。比如“安慰剂”效应，当实验者服用没有药理作用的看似“药物”的安慰剂时，可以缓解疼痛，或者至少可以缓解“主观”的痛苦。

另外，有时受伤后你第一时间感觉不到疼，需要过段时间才有感觉。比较典型的例子是，士兵在战场上受伤，往往没有感觉，撤下阵来才感受到疼。

这就涉及到疼痛的来源，除了客观的自下而上的通过神经传导通路，还有大脑参与的自上而下的干预系统。也就是说，伤害是客观的，痛感是主观的，重要的不是身体传递给大脑的信号，而是大脑决定如何处理这些信号。

比如受伤感觉不到痛的现象通常发生在危险或紧急情况中，人的注意力高度集中，大脑活性很高，为了调动更多资源来应对，比如“战斗或逃跑”。所以大脑皮质会激活下行的疼痛抑制通道，释放一定的神经递质，包括五羟色胺、内啡肽、肾上腺素和多巴胺等等，不让痛感干扰“战斗或逃跑”的应对能力。这也是对我们自己的一种保护。

因此，战场上的士兵或者赛场上的运动员受了伤以后就不会感觉到很痛，而他们撤下阵或者进入医院以后，大脑下行的疼痛抑制系统慢慢消失，他们才感觉到很痛。

大脑对疼痛的下行主动调节机制，也跟我们最近在做的项目高度相关。

图6. 彭教授脑科学研究项目论文

随着生物微电子技术的快速发展，植入式生物医学设备应运而生，并引起了广泛关注。这些设备在提高患者生命质量或延长患者生命方面表现出许多优势，但这些设备的供电仍是一个技术挑战。传统的外部电源方案需要经皮导线，这些导线笨重且容易感染。电池与植入物的集成是另一种选择，但电池的能量容量有限，必须定期更换，会给患者带来术后疼痛和经济负担。

我们2015年左右就开发出来了一个无线的记录和刺激仪，超声波无线能量采集技术，相对来说比较小，你可以让老鼠带在身上，它能到处活动，同时记录它神经放电的信号。

图7. 柔软的超声波无线能量采集设备

图8. 彭教授脑科学研究项目数据图示

我们的想法是，如果说我们能够在疼痛的通路上，记录到老鼠在疼痛情况下的电信号反应，通过实时分析电信号的强弱，再给大脑一个指令去刺激那个部位，释放下行的抑制疼痛的神经递质，就可以有效地减缓疼痛。这个项目也得到了美国国家科学基金会（National Science Foundation，NSF）和德克萨斯州的科研经费资助。

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