假設現在沒有任何技術上的限制，你想怎麼來研究大腦的功能？

12-06

今天看了一篇吳瑞獎獲得者的文章我的吳瑞獎之路，其中提到這是申請吳瑞獎面試時她被問到的問題。

謝謝 @蚺爾邀請。

想先說句題外話。與技術上的限制相對的是理論上的限制。老實說，我覺得神經科學迫切需要的是後者（用什麼數學語言描述和分析神經活動？）。

提高測量的精度和精確控制細胞群體活動固然很重要，現在（主要是通過光學工具）已經有了至少是局部組織和小型動物的解決方案。

例如，Dupre 和 Yueste 就繪製了自由活動的水螅的全腦活動圖。

但是這個圖做出來，問題就來了：我們真的理解它嗎？

最近看到一篇很好玩的諷刺文，《A not entirely serious future history of neuroscience》，作者是系統神經科學家 Mark Humphries。從中摘錄一小段如下：

2051: Whole brain recordings?—?every spike from every neuron?—?in a leech are used to train a 215 layer deep neural network. The resulting deep neural network perfectly predicts the out of sample behaviours of the leech, and their exact sequence. Nature publishes the subsequent Article 「Perfect understanding of behaviour from neural activity」. No one is any the wiser.
2051年：螞蝗的全腦記錄——每一個神經元的每一個脈衝——被用來訓練一個215層的深度神經網路。網路完美地預測了螞蝗的所有行為。《自然》發表了文章《用神經活動完美理解行為》。從中誰也沒學到什麼。

這顯然是文學創作的誇張，但也確實反映出不少「大數據時代」的神經科學家面對各種似是而非的「發現」的無力感。

如果沒有任何技術限制，我會用更多的模型動物來研究它們擅長的行為。擴展模型動物和行為這個願望已經是老生常談了，不過主要是由於經費的限制還遠遠沒有實現。

具體而言，所需要的新技術是：

低成本的轉基因動物培育技術，精確定位任意動物包括神經膠質細胞在內的任意細胞群體，這包括譜系/遞質類型/活動模式類型/指定迴路，等等。最好是直接編碼，不用病毒介導。這裡的最重要難題是將已有的基因工具快速應用於新動物。
對細胞生理無副作用的精確光學控制器。現有的很多光遺傳學工具有很糟糕的副作用，也無法控制表達量、激發活動模式等等。基本上都是用鎚子在砸電視。
同上，對細胞生理無副作用的快速電位指示器。現有的基於鈣離子的指示劑有類似的問題，而且太慢了。

以上這些現有的技術限制我覺得還是有可能克服的。關鍵是需要資金。

沒有技術限制那可不就使勁地放飛自我！

大約是下面這個視頻的里的研究達到極致後的完全體吧：

這個是在斑馬魚幼苗（因為腦子是透明的，所以可以直接上雙光子）上做的全腦全息活動記錄。

下面是我的回答。

先說目前的技術限制在哪裡：

（1）腦信號數據採集不夠多不夠精準，總之就是不能夠100%反映神經活動，比如業內常說的時空解析度問題；

所以解除了技術限制後，第一步就是完完整整的信號採集。

直接往人體內無創導入納米級別的信號採集器（可以考慮喝進去？注射到血液中？），具體作用機制這裡不考慮，目標是達到監測每一個神經元的活動水平，需要採集的數據包括但不限於：

1. 每個神經元的相對位置坐標（為了建立三維立體圖譜）；

2. 每個神經元的實時活動狀態，包括但不限於放電頻率、波幅；

3. 有前兩項其實已經夠了，但既然沒限制，當然還要採集每個神經元的神經遞質信息的傳遞。

最終目的是，建立大腦活動3維立體實時監控圖，其時空解析度準確性達到100%。

（2）數據夠多了，分析太慢，分析手段受限。如果（1）中的數據採集得以實現，那數據量肯定是如恆河沙數不可計量，以目前的設備技術手段，別說分析了，存都存不下來。

既然無技術限制，那就當我們擁有運算速度無限大和存儲空間無限大的電腦（或者別的什麼腦？），對上述搜集到的實時信號進行分析。

以我貧乏的人工智慧領域相關知識，覺得可以利用機器學習給電腦喂（1）中的數據。

例如：

當被試看見蘋果時，腦內某一部分神經元群近乎同時激活，記為pattern A;

當被試看見香蕉時，腦內某一部分神經元群近乎同時激活，記為Pattern B；

PatternA和B存在神經元群的部分重疊，推斷可能是「水果」這一概念存在的神經網路；

為了驗證，繼續用其他水果輪番上陣···

同時，Pattern A和B出現後23ms開始，下丘腦部分神經元開始發放動作電位，並伴隨被試唾液腺分泌情況，考慮可能是「食慾」信息。

而看見青蘋果時，和看見紅蘋果時候的Pattern不太一樣，記為Pattern A-1和A-2，其中不一樣處的神經元群，推斷可能是編輯了顏色信息，然後開始喂顏色數據···

最終目的，就是吃透一個人的大腦，把一個人的每一個認知過程都分析出來，知道這個人大腦中的每一個最小信息單位代表了什麼。

又比如，「虎」這個詞，在大腦中肯定由這個字的字形（筆畫及組合規則？），這個字的讀音，老虎的形象，老虎的象徵（威嚴、強大什麼的）有關，這些屬性分別代表了不同的信息單位，並且還能向下分解，我可以通過不停地機器學習，找到最小信息單位，比如「虎」這個詞的筆畫中的第一筆「短豎」，記為pattern X，然後發現Pattern X在其他一切需要「短豎」筆畫的漢字中都會激活，那我就成功了。

（3）神經調控手段受限。目前人體上能應用的調控手段，效果好的有創，無創的效果差，反正總是不完美。

既然解除了技術限制，那我就假設是細胞級的神經調控方式，可以考慮配合（1）中的信號採集器開發，能採集能調控。

首先要做的就是反向驗證（2）中的成功。利用細胞級的神經調控方式，我讓你在沒看到蘋果的時候，主動去激活你的pattern A的全部神經元，放電幅度、順序全部按照你大腦自然放電的時候來，如果沒意外的話，你應該會在虛空之中莫名其妙「看見」一個蘋果。

其次，精神疾病預測、監控和修復（這個大家腦補吧）；

最後，知道了所有的最小信息單位，當我需要學習什麼東西的時候，不需要去真的學東西，直接用最小信息單位給你按照（2）的末尾中已習得的神經規則搭配出一個pattern, 然後直接激活你的腦子，你就學會了。

（4）複製思維。把一個人的所有感知覺和認知加工的pattern全部學會了後，理論上已經把一個人都download下來了，現在我們就要打開潘多拉的盒子，把它變成他——啟動這個思維。

人類的終極問題之一，思維是否依賴靈魂，以及自由意志，還原論之爭...終將落幕。

假如成功了，那玩法就更多了···

比如把世界上所有精英的大腦複製一份丟虛擬世界；

比如複製十個楊振寧的大腦並賦予無限的運算調用許可權；

比如把醫院中所有彌留的病人全複製一份，在虛擬世界創造一個真正的陰間···

剩下的，留給其他腦洞大開的人吧···

我想了一下哈……

這個題問法有一點點陷阱。

回答重點應該不在於你腦洞大開可以想到哪些逆天的技術，而在於：【你的課題方向曾經受制於哪些技術？如果沒有技術的限制，最深可以做到哪一步？】

如果這樣問的話答案挺常規的，不需要什麼想像力。

限制大約有幾種：

時間、人力、成本、樣本量的限制。

數據時空採集精度、實驗操作難度、大數據的處理進度的限制。

實驗範式的限制，動物模型的限制，對複雜系統難以進行干預的限制。

最深可以做多深，一是整合，模態的那些，整體功能的構建；二是做細，突觸怎麼樣編碼信號，最終影響行為；三是給行為與疾病提供解釋力。

大概就這些吧。

確實這個問題主要是考察學生對學科技術的了解程度和獨立思考能力，既要和目前研究相關而且還要有自己獨特的見解。

不過要是我的話，應該會提到跟「神經活動反溯/溯源」之類的相關吧。

每次跟別人討論文獻的優勢劣勢的時候，總能提到的兩個問題就是：時空間解析度和相關關係，這兩個問題。

時空間解析度是老生常談了。EEG靠著點位區分腦區，空間上不細緻而時間上能夠與刺激時間匹配。fMRI(MRI)之類的在空間上精確（其實也要看像素點），但是血氧濃度變化是一個過程，時間上有問題。

相關關係則是：腦成像結果很大程度上也是一種現象，多數研究對刺激反應和腦成像數據的分析結果只能證明，該現象/認知過程與該腦區之間相關，但具體是A $ightarrow$ B 還是C $ightarrow$ AC $ightarrow$ B這種的，證明起來很麻煩。

ps：靠TDS我覺得很難區分這個腦區是一個路徑位置還是一個源位置。

另外則還有同一腦區在一個複雜的認知過程中可能承擔了不同的認知任務，但是當前的腦成像反饋難以區分。

如果說能對神經路徑進行反溯，那可以在現有的腦成像數據結果的基礎上，明確並區分一個神經活動的路徑，這幾乎是增加了一個維度了，可以精確了解每種認知過程的神經基礎路徑。

寫在最後，劉柯終於放棄邀我了。。。。。。

感謝 @蚺爾與 @劉柯的邀請。

這個問題腦洞開的真夠大了！倘若真的沒有技術上的限制，我覺得神經科學的突破指日可待。

我在這先回顧下現在的技術，探討下目前的困難；最後就能指出如何用腦洞突破研究困難。

我們先會看一下目前的神經科學的研究方法。主要有這幾路：1. 電生理（EEG，單神經元記錄）；2. 成像（PET，fMRI）；3. 電或者磁場刺激麻痹神經區域（tDCS；tACS；TMS）。每一種技術都有很強的限制，在結果獲取和分析過程中也都有各種問題存在。

比如fMRI的空間精度雖然比較好，但是依舊不足（一個voxel會有上10萬個神經元），尤其是在稀疏群體編碼的腦區很有可能完全無法得出有效結果。比如在早期研究中，Haxby的團隊用MVPA（多體素模式分析）來分析梭狀回面孔區對於面孔身份信息編碼時候，就感受到了精度的限制。更不要說fMRI的時間精度非常不好。更要命的是，相比PET會和代謝直接有關，fMRI是間接測量大腦的活躍。

而單神經元記錄雖然時間精度非常好，空間精度也很好；但是問題在於是有創傷性檢測，需要打開顱骨，而且空間的定位在目前研究中往往是以解剖方式。更不要說單神經元記錄很費時間，也需要大量檢測來獲取數據。最重要的困難，就是沒法在人類腦上廣泛使用，大多是對獼猴用。只有少數的需要開顱的癲癇病人身上，單神經元記錄才有機會用上。

在TMS一類的研究，最大的問題就是時間限制，以及精確度。磁場或者電流的確可以在一定時間內干擾大腦功能，但是時間有限。且不說產生癲癇的可能性，精確度都讓人沒法說清楚。

在目前，對於人類的腦科學研究中，比較好的研究方法就是fMRI配合TMS。fMRI可以搞清楚神經活動，甚至編碼方式和連接性。而TMS可以干擾一定神經區域，配合fMRI可以進行控制變數研究，因此有效的摸清楚神經活動與功能的因果關係。

因此在技術沒有限制的情況下，最好的研究方法應該可以在時空角度都精確記錄全腦的神經元活動，並且可以用各類方法有效且精確地『麻醉』一部分神經元。同時，計算機科學的同仁們也會給我們提供很好的分析方法，比如神經網路模型等方法有效地把數據，降噪，分析，建模。

當我們對於大腦的神經元能夠如此清晰時候，我們可以看到任何一個信號在被視網膜接收之後，如何激活整個大腦，如何改變神經元間的化學遞質傳遞，電信號的連接性。我們還能搞清楚區域與區域的先後關係，因果關係。最後，能夠有效地建立模型，完全知道大腦的計算過程。

最後感嘆一下，要是當年David Marr加入馬文明斯基所建立的MIT的實驗室時候就有如此的技術，想必Vision這本書會有不一樣的內容了吧！

相比於技術限制，倫理限制的影響要大的多。。

。。。姑且謝個邀
這種問題放在老師問學生的背景下其實就是變相考察看了多少paper 考察學生能不能獨立思考出比較成熟的研究問題和方法「會不會寫文章的discussion部分」

但實際上如果拋開這個背景單純問這個問題答案就應該比科幻更科幻
要我說技術限制算什麼研究腦最大的障礙是腦結構本身
我希望所有生物顱骨透明可以嗎
我希望皮層也透明可以嗎
我希望刺激深層細胞可以對外層細胞完全無傷可以嗎

問這種亂給前提的問題就不要怪答案過於科幻==

謝邀！

這個問題本身有點問題：任何實驗性質的科學研究都受限於當前的技術水平，腦科學也不例外。對於人類神經系統的研究，目前最大的障礙是倫理限制—我猜題主是想問，如果沒有倫理限制，那麼你想怎麼研究腦功能？

哈哈，撓到癢處了。先聲明一點，不要罵我變態。我們只是從科學研究的角度來看待這個問題。

要說不受限制怎樣做，我們先得看看受限制是什麼情況。目前最主流的人類腦科學研究工具是神經成像（包括核磁共振[MRI/fMRI]，正電子斷層掃描[PET]，近紅外光譜[NIRS]等）和神經電生理（包括腦電圖[EEG]和事件相關電位[ERP]等）。這些設備都是非侵入性的—意思就是說不打開腦殼不造成傷害也能探測腦活動。但是局限性也就在這裡。最常用的功能性核磁共振只是對腦活動的間接測量，其原理是：人思考的時候，神經元細胞要消耗氧，會導致附近毛細血管中含氧血紅蛋白和脫氧血紅蛋白的濃度發生改變。正好這兩種血紅蛋白在磁場中的信號特徵是不同的。所以通過測量磁場信號的變化，就可以推測出來腦中什麼區域有特異性的活動。說起來簡單，但實際上這個信號受到一系列因素的影響。最明顯的就是頭動，超過幾個毫米就會導致數據質量急劇下降。所以你們可能猜到了：所有跟劇烈活動有關的腦活動都是很難用核磁來研究的。有人嘗試過用沙袋擠住腦袋，用面罩把腦袋固定在躺椅上…但是都沒什麼L用。此外，有人躺在核磁儀器裡面的時候不老實，晃腳趾頭，結果全身包括腦袋跟著一起晃…數據慘不忍睹，你以為我是說著玩的嗎？另一個常用的設備，腦電圖，的確是直接測量神經電信號的：神經元細胞活動時會產生微弱的電信號，成千上萬排列有序（注意只是有些神經元是這麼排列的）的神經元可以把彼此的電信號疊加增強，以至於在頭皮上都能探測到。但是！這個信號是很微弱的，事件相關的電位信號一般峰值也就幾個微伏。可是噪音你們知道有多大嗎？眨一下眼就可能在頭皮上扯出400微伏的噪音啊！更別說什麼咬牙，流汗，打瞌睡…

這裡一切技術上的難題，核心就出現在對人不能有損傷。如果按題主（注意：是題主說的，不是我說的）的意思，不考慮倫理限制，嘿啊嘿啊，自然是打開腦殼直接插電極測量得準確嘍—最接近信號的來源，干擾少且小。那麼真有人這麼幹嗎？有啊！的確有一些病患者同意給自己的腦袋上直接插電極。他們往往是因為需要顱內手術，反正要打開腦殼，如果還能賺上一筆，或者能為人類做貢獻，何樂而不為呢？當然這種情況極少，人還是願意在頭髮上插各種裝飾品，而不是在腦殼裡面。所以只要是能用這種技術的研究，基本上都能發牛文章。

有人說哎呀太血腥了，我們不要在人身上做這些，找些貓貓狗狗研究一下就行了吧。在貓狗身上掀開腦殼直接測量神經活動的確是常用的方法。實際上採用動物模型來研究感知覺，注意和記憶的工作取得了很大的進展。但是！我又要說但是了：人類與動物最大的區別在於高級認知功能（例如執行控制功能）的差異。這一功能賦予人類應對複雜多變環境，計劃安排，處理抽象概念的強大功能。這一功能主要是由前額葉來執行的（看看你髮髻線高不高？鏡子里照一照腦門像不像壽星？）。其他所有物種，包括人類的親戚其他靈長類都沒有這麼發達的前額葉。所以你要是想研究人類為什麼是人，為什麼與其他動物不同，為什麼你有理想有道德有追求，光靠動物模型是遠遠不夠的。

好了，扯了這麼多，到結論了：如果不受倫理限制，研究腦功能當然最好的方法就是掀開人腦殼，直接插電極測量信號。但是受限制於倫理約束，現在科學家們想的事情是如何採用更好的方法，提高解析度，降低噪音，融合多種測量的信號，立體而動態地呈現人類思維背後的神經機制。例如：為了提高空間解析度，核磁共振的強磁場已經從10年前的1.5特斯拉普遍升級到了現在的3特斯拉（這可是20萬倍地球磁場啊！！），正在往4特斯拉甚至7特斯拉（目前一般用來測量龍蝦和屍體）的方向去。又如：目前，人躺在核磁共振儀裡面不能有大的運動（也就允許眼球和手指做運動），不能研究類似於真實生活中的場景（像什麼持槍大戰外星人啦…咦，這好像也不是真實生活里該有的哈）。但是虛擬現實技術的引入可能使受試者產生身臨其境的感覺，有助於研究真實生活中的情感和社交活動。再如：把最流行的神經成像和神經電生理技術融合起來，提供腦活動的動態全圖（這裡不要臉的推薦我的幾篇拙作）：

1. Sun, D.L., Lee, T.M.C., Chan, C.C.H. (2015). Unfolding the Spatial and Temporal Neural Processing of Lying about Face Familiarity. Cerebral Cortex, 25(4), 927-936. Doi:10.1093/cercor/bht284.

2. Sun, D.L., Chan, C.C.H., Hu, Y., Wang, Z.X., Lee T.M.C. (2015). Neural Correlates of the Outcome Processing of Dishonest Choices: An fMRI and ERP study. Neuropsychologia, 68, 148-157. Doi:10.1016/j.neuropsychologia.2015.01.013.

3. Sun, D.L., Lee, T.M.C., Wang, Z.X., Chan, C.C.H. (2016). Unfolding the Spatial and Temporal Neural Processing of Making Dishonest Choices. PLoS ONE, 11(4), e0153660. Doi:10.1371/journal.pone.0153660.

以上

技術落後限制了我的想像。

神經科學的「技術限制」主要是是什麼呢，我覺得關鍵的問題是採用的研究方法對特定研究的信效度。如果沒有「技術限制」的話，一切就都明了了，也就沒有研究的必要了。

link start！
永遠進入SAO世界！

產生並維持意識需要消耗能量嗎？

跟蹤大腦內所有化學變化、物理變化等耗能行為，研究是否存在未知的能量消耗。

視覺區神經元與聽覺區神經元的何種不同導致產生的感覺不同？

從分子的級別研究兩個區域的細胞的不同之處有哪些。

將大腦中想像到的圖像和過程在電腦顯示屏上展現出來！不知道這可不可行，尤其是大腦在思考一幅圖或一個gif的時候是比較粗線條的，對細節的刻畫需要刻意去固定一張圖上的某個區域再仔細去想去勾勒，但是呢，這個時候對整體的把握就會消失了，所以不知道能不能在顯示器展現出「事無巨細」的描繪~

最近在做一個HPLC血液中兒茶酚胺的實驗設計，真的難，本來濃度就低還易氧化前處理和檢測都很難做。
其實我覺得生物標誌物的檢測相對腦電信號的檢測來說更需要技術的突破。

比如說帕金森患者紋狀體多巴胺含量下降，做PD大鼠實驗就直接取腦脊液或者更粗暴紋狀體取出來做勻漿，人呢只能做血液了，濃度的變化更不明顯，而且血液中的濃度變化與PD的相關性關係更弱

所以說要是能夠多巴胺成像，DOPAC成像，各種神經遞質成像就好了哈哈哈

3d列印一個細胞結構、分子結構完全相同的大腦，看與原大腦意識是否一致。證明意識是被分子結構上的物質決定的。

當然是，研究大腦的信息以何種方式儲存，編碼，傳遞，人腦與電腦接駁，

思維以何種方式產生運作，成功的話，大家就可以拋棄脆弱的肉體了。

自行調節腦波用以接受免費電視信號
(?￣? ?? ￣??)

當然是大腦的完全控制，不滿個子就分泌生長激素，想談戀愛就分泌多巴胺很多想像好吧(?????_??????嗯!

複製粘貼術

我想給大腦裝晶元