译者序
脑科学从科学问题变成了哲学问题：人和动物的大脑有区别吗？大脑是不是自然界普遍存在的物理规律的缩影？意识是只有大脑才能体会的特殊现象，还是可以测量的自然规则？智能只是大脑功能的体现，还是和蕴藏在自然界、生态界的网络连接无异（凯文凯利）？
前言
人类大脑包含至少900亿个神经元，每个神经元都是复杂的信息加工装置，与1000个其他神经元相互影响作用。研究大脑在医学上可以帮助解决精神问题，在哲学上可以直面精神的产生：我难道知识“我”的大脑电活动的衍生品？大脑活动究竟是如何产生主观体验的？
作者不认为人类大脑不能理解自身，复杂的东西不一定只能被比它更复杂的东西理解，我们对世界的理解建立与先辈和同辈思想之上，至今我们太少关注文化和合作对理解大脑的巨大作用。类比蜜蜂只有100万神经元，但群体智能的增长可以达到人类和蜜蜂的智力差异，当人类作为一个群体思考，可以达到非常强大的智能水平。
简介
理解大脑就是理解我们自己，以及理解我们在自然和社会中所处的地位。脑成像技术、基因、化学和计算机不断揭示更详细的大脑细节。
一、构建大脑
神经元和胶质细胞
大脑大约有900-1000亿个神经元，通过细胞体和树突接受其他神经元讯息，讯息编码成电子电位（神经冲动），由轴突传给其他神经元，强度大约0.1伏特，持续0.001-0.002秒，以480KM时速飞驰而过轴突。到达突触，神经冲动引起化学信号（神经递质）释放，进而改变接受神经元的脉冲模式。神经元的化学环境是神经元50倍之多的胶质细胞，帮助神经元连接成网络；给神经元提供养分，隔离轴突，清除死细胞，回收使用过的神经递质以及保护大脑不受感染。
神经递质和受体
神经递质在神经元之间传递信号，短暂激活或抑制神经元的电生理活动。神经递质和突触上某一种特定的受体蛋白结合起作用，不同递质对应特定的受体蛋白，有多种神经递质和更多种受体蛋白，许多神经递质并不激起快速激活或抑制，而是引起神经元中相当缓慢的代谢过程，引起神经突触连接强度的持续改变。神经递质也可以触发重要基因的开关，带来神经和突触的长期改变，记忆或许由此而来。氧化氮NO是一种特殊神经递质，在特定的神经元一经制造就被释放出来，扩散到大脑细胞间隙中，同时影响很多受体神经，不需要通过传递神经元直接相连，这一非突触信号传递在长时记忆形成中十分重要。戴尔原则认为一个神经元的所有突触释放同种神经递质。
神经遗传学
人类基因组中大约有22000个基因，单独细胞质开启它们所需的一部分基因，需求改变不同的基因就会开开合合，基因的这种分批活跃模式对神经突触来说非常重要，神经回路的随时改变使我们可以在实践中学习。例如探测到威胁的感觉神经回路的连接强度需要加强，信号会从神经元的尾端突触传到细胞核，DNA被指示开启需要的基因，蛋白被快速运输到突触。所以基因影响着大脑功能，基因也被环境所影响。
大脑基础结构
成人大脑大概1.36千克，大脑粗略分为外层大脑皮层，中脑和脑干。表面的深沟显示了大脑皮层主要脑叶分区：额叶、耳朵边颞叶、顶部顶叶、后脑勺枕叶，下部伸出脑干，调节最基本维持生命的功能，包括呼吸和心跳，脑干旁枕叶下菜花状小脑。脑干直接连接几岁，使大脑和身体部分连接，大脑内部包括：脑干顶部中脑，中脑上面的丘脑。丘脑是大脑的中继站，所有外界输入的感觉信息经这里再送到大脑皮层。
小脑
小脑由密集的神经元聚集而成，主要功能室控制和协调运动，也负责记忆、情绪、语言和注意的功能。小脑一方面负责计算做某个动作需要的运动步骤，另外预期某个动作可能给自己带来的感觉效果，并取消它。小脑位于大脑后补，由脑细胞紧密包裹，占大脑体积1/10，但含有整个中枢神经系统一半神经元。小脑包含很多具有特有的复杂分支的浦肯野细胞。
发育的大脑
最早期胚胎表面形成的空心小管发育成大脑，前部细胞增殖膨胀为胚胎大脑，新造细胞转变为未成熟大脑神经元，胚胎四周大时这些神经元迁移到目的地，发育出轴突和树突，这些连接迟些发育成数以万计的神经连接。这些内部连接没有规划好的蓝图，胚胎大脑会产生超过实际用量的神经元和突触，使之可以通过竞争和与环境互动雕琢独特的神经结构。过程中有一半胚胎神经元没有建立有效连接最终凋亡，一部分幸存神经元轴突外面被胶质细胞包裹，满足远距离传输的速度和质量。大脑的发育在青少年期达到顶峰，然后逐渐缩小到成年大脑体积，实际上反映了大脑通过修剪没用的神经突触以及增强有用的突触来适应环境。大脑的发育是基因和环境共同作用的结果，基因组无法包含大脑单独成长发育所需的所有基因，在长期进化下，基因学会了从环境中开采信息，帮助大脑精细调节神经网络的发育。
进化的大脑
大脑起源可以追溯到100万年前，第一个多细胞生物出现细胞彼此交流进化出神经网，后来地质和气候变化促使大脑进化出负责特定任务的专门化神经元组。人类的大脑仍在持续改变，37000年前5800年前分别出现了两个参与编码大脑发育的基因。
二、大脑理论
功能定位
虽然大脑的许多功能和特定的脑区相联系，然而每种功能都有赖于不同区域之间广泛分布的神经网络的互动，既不是某个固定区域，也不是整个大脑。
赫布型学习
赫布推测学习和记忆可能依赖于 同时放电的神经元连在一起 这一简单过程。神经元之间的空间叫突触间隙，神经递质是连接间隙梁斌的桥，通过使下一个神经元兴奋或抑制来学习。
神经网络
使电脑产生人一样的知觉、思维和动作。1943年Warren McCulloch等创造了有输入输出的单个神经元数学模型，20世纪70年代，人工神经元的数学阵列被创造出来。神经网络观点的关键意义是，信息在大脑中不是局部存储的，而是分布在网络所有连接中，科学家的任务就是相处新的网络结构来更准确的模拟大脑。
神经编码
大脑在不同层面上有不同的语言：神经元、神经元集合以及整个大脑。单纯的叠加一群神经元的信号并不能解释运动轨迹，而是需要记录这些神经元整体的活动。神经元编码到底是基于脉冲速度还是时间间隔尚待发现。一大群神经元之间的同步性可以用脑电波EEG从大脑的节律中观察到，这些节律为神经元之间有效交流提供了机会。
振荡的大脑
大量神经元同步活动会引起脑电波振荡。α脑波频率10Hz左右主要在大脑后部出现，发生在清醒状态闭目养神时。β波12-25Hz出现在大脑准备运动时，γ波25-70Hz可能负责复杂情景中的知觉整合。振荡强度太大时，大脑会进入高度同步化状态，大片神经元会一起开关，也就是癫痫症状。
神经达尔文主义
自然选择的相似过程可能也发生在大脑中，神经元组选择理论基于三个提议：1、早起大脑发育产生高度分化的神经回路；2、这些神经回路有选择性，经常使用的神经回路保留下来并被加强，不使用的会消亡；3、广泛分布的神经元群之间会有持续的双向信号交流。选择者系统依赖于大量变异，与指令者系统压制变异和噪声产生了鲜明对比。
贝叶斯大脑
知觉即对外部世界的感受一定包含着大脑对于感觉信息产生的外部原因的推理。大脑活动的方式有点像贝叶斯推理，输入的感觉信息和先验信念结合起来，从而决定感觉信息产生的最可能原因即知觉。预期信号与实际数据之间的差异用于更新先验的信念。自下而上的信息从感觉区域夹带预期误差进入大脑，自上而下的信号从高级大脑皮层传达预先的期望。贝叶斯大脑理论暗示知觉和想象之间的深层关联，为了感知某样东西，大脑必须先产生对应的自上而下的知觉，这意味着感知到的世界取决于我们自己的想象。不是你接受到什么就能看到什么，而是你看到什么才能接收到什么。
三、绘制大脑
神经心理学
测试脑损伤病人的认知和行为缺陷，理解大脑区域的特定功能，但现代的脑扫描技术，如功能核磁共振，可以无损伤的搜寻整个大脑，对健康人脑特定的功能进行定位。
脑成像
脑电图可以观测大脑活动，在执行任务或者处于不同睡眠阶段时，在毫秒级别揭示大脑电活动的改变模式，但不能对脑区域的功能划分。过去40年最重要的脑成像技术是功能性核磁共振成像，定位几毫米以及几秒内的神经活动，过去这一技术局限于判断看到的是图像、录像还是文字。但新的技术不断发展可以读取大脑视觉皮层的活动，并重现出一个模糊图像。最近核磁共振成像技术的一个发展是弥散张量成像，用于绘制贯穿整个大脑的神经纤维束，即轴突，可以提供大脑区域之间相互连接的神经纤维的三维图。
人类连接组学
将各种微观和宏观的技术整合起来创造一个整体上一致的大脑连线图谱，神经科学家们认为大脑的网络结构是所有特征里最重要的一个，通过大脑连接组学以及人类个体差异揭示人类思想和精神疾病的本质。但是一些科学家认为大脑网络结构能得到的信息比我们预期要少，秀丽隐杆线虫的大脑只有302个神经元，其大脑连接组学在多年前已大部分完成，但是它的许多行为特征至今仍然是谜。
光遗传学
光遗传学改变神经元的基因，可以用光来准确的操纵神经元，使其随意开或关。2004年，Karl Deisseroth将海藻的光敏感基因运进老鼠的神经元中，蓝光照射这些神经元会放电；不久，科学家从细菌中提取了绿光敏感基因，绿光照射时其放电会被抑制。这一技术甚至可以治疗癫痫疾病，甚至可以用来提高认知功能，例如猴子在物体追踪时可以反应更快。
静息状态
2000年左右Marcus Raichle证明大脑的一些区域的活动是一致的（大脑默认网络）：当我们进行一些专注任务，这些区域活动被抑制，发呆或神游时，这些大脑活动又会回来。这一系列脑区主要位于大脑皮层中线上，在出生后几年时间建立起来，衰老后默认网络会逐渐受损。默认网络最公认的具有前瞻性的作用体现在白日梦中，被证明和高度内省能力和创造能力有关。
左脑VS右脑
大脑的两个半球可以独立运作，并且有各自不同的优势和弱点，但把左脑视为理智右脑视为情绪创造太过简单，左右脑是协同工作的，用各自不同的方式同时处理一个不同的任务。
脑刺激
特定位置的神经元可以被电磁波刺激，引起思维、知觉或行为的改变，称为功能脑成像的一个很好的辅助工具。跨颅磁刺激TMS是一种非侵入性技术，在头皮上施加短暂磁脉冲刺激大脑皮层区域，可以增强或抑制该区域活动，影响认知任务的表现。
四、意识
难题
为什么大脑中发生的物理过程会伴随意识的体验？意识究竟是什么？
睡眠和做梦
睡觉时，清醒存在的快速电活动会逐渐褪去，换成占据整个大脑皮层的深度脑电波，大部分感觉输入被屏蔽，大脑通往肌肉的信号也被中断，以防把梦用肢体表现出来。快速眼动睡眠阶段的脑活动和清醒很相似，大部分的梦在这一阶段发生。一些研究者相信睡眠帮助我们巩固一天中的记忆，或者重新平衡神经递质的水平。做梦可能代表潜意识愿望的满足，又或者是大脑和外界切断联系后，大脑为自己的活动显得合理产生了梦。
意识的神经关联
观察意识的常用方法是比较不同的意识体验，左右眼看不同的图片可以获取两种东西之间的意识的神经关联。意识的神经关联可以定义为：对一个特定的感知来说充足的最小神经机制。但目前还无法做到这样精细的观察，现在发现意识通常和包括前额叶和顶叶区域的广泛大脑皮层有关，从大脑皮层到感觉区域自上而下的连接也很重要。
具身意识
大脑积极塑造我们对自己躯体以及所处空间位置的体验，且这一体验非常容易改变。我们的身体体验是被大脑积极构造出来的，就像对外部体验一样，大脑根据不同感觉之间的关联来推测世界哪一部分属于或是不属于自己的身体。大脑构建身体模型不总是和物理现实相符，比如虚拟现实等技术，可以把虚拟的身体当做是自己的。
