在过去80年中，一系列非凡的发现将神经生物学从主要是组织学和神经学的一个分支转变为一个多学科的强大力量，它为我们提供了关于神经系统结构、功能、分子架构和发育的深刻见解。这些进展几乎完全依赖于对模式生物的研究，例如啮齿动物、鱼类、果蝇和非人灵长类动物。我们已经到达了一个可以将这些见解应用于人脑的阶段；我相信，在未来几十年中，我们将见证关于我们大脑如何运作——以及它们如何频繁地出现功能障碍——的革命性发现。

第一个问题的最明显答案是临床相关性。但这并非唯一的有力理由：神经系统的许多特征不仅为灵长类动物特有，而且为人类特有，而后者可能支撑着人类特有的心理能力，例如语言和创造力。人类大脑比大型猿类的大脑大三倍，具有更大的前额皮质、更多类型的神经元和胶质细胞、更复杂的树突和星形胶质细胞树突以及关联区域之间更高的连接性。特别引人入胜的是，与我们最近的亲缘物种相比，人类大脑的发育和可塑性在出生后延续得更久，为经验重塑神经系统提供了更长的时期。这些结构和发育特征伴随着人类特有的分子特征，并且可能由其导致。事实上，研究人员已经识别出许多人类特有的蛋白质亚型和调控元件，甚至一些人类特有的基因。其中一些位于“人类加速区域”（HARs）中，这些基因片段在哺乳动物中是保守的，但在人类中是独特的。  

为什么是现在？同样，有两个原因。第一个是来自模式生物的一系列发现，这些发现开始为我们提供关于神经元如何形成、连接和运作的令人满意的——尽管不完整的——解释。这些发现无法在人类组织中实现，但它们现在可以指导我们的进展。  

第二个原因是不断涌现的复杂工具的发明，这些工具可以以前几十年难以想象的方式探索人脑。在这方面，人类神经生物学遵循了一条经过验证的道路，其中技术发展在很大程度上推动了进展。在20世纪40年代、50年代和60年代，电生理学占据主导地位。神经科学的泰斗，包括Alan Hodgkin、Andrew Huxley、Bernard Katz、Stephen Kuffler、Vernon Mountcastle、David Hubel和Torsten Wiesel，发现了脑细胞如何产生静息电位、动作电位和突触电位，并迈出了展示神经回路如何处理信息的第一步。他们的发现得益于电压钳、玻璃和钨微电极的发明以及商用示波器的引入。在20世纪80年代和90年代，随着单克隆抗体、基因克隆和测序技术的出现，以及用于基因工程敲除和转基因动物的方法，分子神经生物学迎来了自己的时代。21世纪的头几十年见证了系统神经科学的重大进展，这得益于新的方法，包括利用光遗传学、钙成像以及最近的电压成像和Neuropixels探针同时记录和刺激特定神经元。  

所有这些都遵循了诺贝尔奖得主Sydney Brenner的格言：“科学的进步依赖于新技术、新发现和新思想，可能就是这个顺序。”例如美国国立卫生研究院（NIH）这样的资助机构已经认识到Brenner的智慧：只需看看极具影响力的NIH BRAIN计划的全称：“通过推进创新神经技术进行大脑研究”。  

对于研究人脑，我们现在大致处于1945年电生理学、1980年分子生物学和2005年系统神经生物学所处的位置。我们能够使用非凡的方法，但我们还有很长的路要走。本系列后续文章将探讨以下一些方法以及研究人员如何使用它们来破译人脑：  

• 类器官和组合体使人类中枢神经元的3D培养成为可能，这些神经元概括了大脑功能和连接的某些方面。这些结构可以用来研究大脑发育的早期事件，而且因为它们可以从患有已知脑部疾病的供体中产生，它们可以用来探测细胞和分子过程是如何出错的，甚至可以用来测试潜在的治疗方法。

• 类器官最适合研究发育——它们的组成细胞不能成熟，因此不能忠实地再现成人的功能。异种移植是将人类神经祖细胞甚至类器官移植到啮齿动物的大脑中，为研究成人大脑中的细胞和电路提供了另一种选择。它们的成熟程度远远超过分离的类器官，甚至与宿主神经回路建立双向连接。

• 长期以来，神经成像（包括核磁共振成像和功能核磁共振成像）一直是监测活体人脑的关键方法。这些技术的巨大进步现在使研究人员能够以前所未有的空间和时间分辨率绘制电路活动图。此外，从神经外科患者的小组神经元甚至单个神经元的颅内记录使得在人类中进行揭示模式生物中电路功能原理的研究成为可能。这意味着研究人员可以探测人类特定心理活动（如语言）背后的回路。

• 尽管神经成像和颅内记录功能强大，但它们仍然笨重、昂贵，而且对于颅内方法来说，仅限于少数患者。但是，包括经颅磁刺激和脑磁成像在内的一系列快速改进的技术，正在使颅外无创刺激和记录成为可能。不管是好是坏，一些刺激方法现在正被商业化并直接卖给消费者。

• 在细胞水平上，现在的新技术使得从死后样本中分析数千个单个细胞的基因表达和表观遗传特征成为可能。与之前的分子和神经化学方法相比，这是一个巨大的进步，之前的方法分析大块脑组织，不可避免地会遗漏细胞类型的特定特征。利用这些新工具，研究人员已经对人类大脑中的数百种神经元类型进行了分类和表征，并正在精确定位受脑部疾病影响的特定类型。甚至在最近，一套被称为空间转录组学的方法可以在完整的组织中进行这种分析，保留细胞在大脑中的位置信息。

• 通过这些方法和其他方法收集的数据量是压倒性的，而且还在迅速增长。用传统的方法分析是不可能的，它教给我们的教训也不再像动作电位或视觉皮层中的简单或复杂细胞那样直观地理解。为了理解这一点，计算和理论神经科学将需要发挥核心作用。

在接下来的几个月里，本系列的文章将描述这些新技术——它们是什么，它们告诉我们什么，以及随着它们的发展，它们还能告诉我们什么。