科學之美丨來看宇宙中最精密的「生物計算機」

2025年05月10日19:40:22 科學 2723

水、脂肪和蛋白質，三種平平無奇的物質，為何能承載人類的智慧與情感？

大腦的功耗相當於一個14瓦燈泡，為何能實現強大的認知能力？

人類如何用科技對抗大腦深處血管上的「微型炸彈」？

在2024年「科技跨年秀」——總台「科晚」的舞台上，特別呈現了《科學之美》的演講和舞蹈。為了呈現更多維度震撼人心的科學之美，總台社教節目中心策劃推出總台「科晚」延展品牌——「科學之美」。該片由中國科學技術協會提供專業指導。

《科學之美》（第一季）以五大自然奧秘為主題，邀請六位中國科學院院士：物理學家、北京大學原校長王恩哥院士，地衣真菌學家魏江春院士，天文學家崔向群院士，神經生物學家與生物物理學家蒲慕明院士，生物影像學家、海南大學校長駱清銘院士，細胞生物學與生物物理學家程和平院士，共同分享科學之美的體悟。以超微觀攝影、科學實驗與野外考察紀實相結合的方式，呈現純粹、極致、絢爛的視覺奇觀。記錄科學與藝術的共生，吟唱智慧與感性的交響。

人類大腦，宛如宇宙星辰，從神經元的「宇宙閃爍」，到大腦血管內「異想天開」的疾病解決方案，大腦的奧秘始終是科學研究的最前沿。央視科教頻道（cctv-10）周日（5月11日）晚21:20將播出《科學之美》第五集《大腦秘境》，看科學家如何在顱骨之下的宇宙中尋找生命的密碼。

860億個神經元組成的「小宇宙」

大腦，作為人體最複雜的器官之一，是一個無比神奇的「指揮官」。若將大腦比作宇宙，神經元便是其中閃爍的星辰。

△神經元在大腦內的生長、連接

成年人的大腦皮層中，密布着860億個神經元，每個神經元通過樹突棘手拉手的方式與同伴相連，編織出一張堪比星系的複雜神經網絡，使得大腦中的信息得以鞏固和存儲。

△浩如星海的神經元

嬰兒出生後，神經連接爆髮式增長，到2~3歲時，大腦裏面神經突觸數量達到頂峰，每個神經元可以與超過一萬個神經元連接。如同一場無聲的宇宙大爆炸，奠定了人類認知世界的基石，也呈現出生物進化的微觀之美。中國科學院院士程和平說：「腦這個宇宙當中的一個一個神經元就是星星，跟我們的宇宙不一樣，它的世界有通訊的，它們溝通的方式用電脈衝。」

△大腦神經元之間的連接

大腦中的神經元就像宇宙中的星星，它們通過電脈衝建立連接。我們常說的「長腦子」，就是神經宇宙的持續生長和連接。

更奇妙的是，這場宇宙演化永不停息。如果某個刺激反覆出現，大腦就會在相關的神經元之間形成新的連接。這些新連接就像是大腦中的「新路線」，讓信息能夠更快地傳遞和處理。俗話說：「活到老，學到老。」我們永遠可以相信自己的大腦，無論什麼年齡，只要有意識地重複去練習某一項技能，都有可能突破自我極限，創造奇蹟。

大腦內隱秘的「生命之河」

大腦里的血管有多長？

答案是16億米——相當於地球到月球距離的4倍。它們比普通血管更加纖細，卻能以驚人的效率為神經元輸送氧氣與養分。

△細密而複雜的腦血管網

數量龐大的腦血管供養着大腦內多如繁星的神經網絡，這些神經網絡支配了我們的呼吸、心跳、思維、意識、睡眠、記憶……作為點亮生命的源頭，腦組織如果6分鐘沒有血液，就會造成腦細胞永久的死亡。

人類對於腦血管的認識經歷了漫長的過程，想要穿透顱骨，清晰地看到腦血管的構造，曾是醫學界難以企及的奢望。直到一束神秘射線的降臨，人類對腦血管才有了更深入的了解。

x射線的發現，實現了人體內部結構的成像，但是這種間接的影像對於腦部血管的成像不夠理想。

‍△核磁設備下的腦血管成像‍

1927年6月28日，葡萄牙神經外科醫生莫尼茲第一次嘗試將一種「碘化鈉造影劑」從患者的頸部注入動脈，獲得成功。人類第一次無須打開頭顱，就看到了大腦內血管的形態。

如今，熒光造影劑結合核磁技術，讓纖細的腦血管更加清晰。這不僅是醫學技術的革命，更讓醫生在生死博弈中掌握了精準的腦海導航圖。

一根彈簧圈如何拯救大腦疾病？

腦血管系統時刻在為神經元提供能量保障，然而，這條超長的血管網，其實非常脆弱。

一旦發生腦出血的情況，僅僅10秒鐘就可引起意識喪失，超過5分鐘就會造成不可逆的腦損傷。大腦的「斷電危機」，往往只在瞬息之間。

△腦動脈瘤的瞬間破裂示意畫面

顱內動脈瘤，是一種腦血管壁上鼓起的「致命泡泡」，奔騰的血液洶湧地流進「泡泡」的內部，每一次衝擊，都可能將這顆「定時炸彈」引爆。如果「泡泡」破裂，患者會經歷一生中最劇烈的頭痛。這也就是大家常說的出血性腦卒中。一部分嚴重的患者尚未抵達醫院便已死亡。面對這樣的絕境，人類如何不打開頭顱，減少對大腦的損傷，還能順利化解危機？

△現代治療腦動脈瘤手術場景

1964年7月，美國芝加哥大學的一位醫生向世界介紹了他的一次大膽嘗試。他在患者顱骨鑽孔，將不鏽鋼針沿着孔洞插入了大腦里的動脈瘤。電流從針尖湧入的剎那，動脈瘤內的血液開始凝固，有可能會爆裂的「致命泡泡」變成「實心」的血球，腦卒中的風險暫時解除。

△通過電刺激形成動脈瘤栓塞

1990年，關於人類大腦血管內危險的「致命泡泡」，又有另一項顛覆性的治療技術出現。科學家古列爾米將一個由特殊合金材質製成的微型彈簧圈，從患者大腿股動脈送入大腦血管的動脈瘤腔內，彈簧圈的緊密填塞讓危險易爆的動脈瘤變成一個「實心」的血球，從而失去爆炸的風險。這項技術的神奇之處，在於醫生能像「放風箏」般在病人體外操控腦中血管內彈簧圈停留的位置，直到操作滿意後才完成最終放置。