在宇宙中所有物体中，人脑最为复杂：脑中的神经元数量与银河系中的恒星数量一样多。因此，尽管大脑和思维科学最近取得了进展，我们仍然在黑暗中摸索，这并不奇怪。但我们至少开始理解神经科学的关键奥秘，并开始在解决这些问题上取得进展。即使是对这10个问题的一些部分答案，也可能重构我们对这定义我们身份的约三磅灰色和白色物质的理解。
1. 信息是如何编码在神经活动中的？
神经元，即大脑的特化细胞，能够在它们的外部膜中产生短暂的电压峰值。这些电脉冲沿着称为轴突的特化延伸部分传播，从而在大脑其他地方释放化学信号。这些二元的、全有或全无的峰值似乎携带着关于世界的信息：我看到了什么？我饿了吗？我应该转向哪个方向？但这些毫秒级电压位的编码是什么？峰值在大脑的不同位置和时间可能意味着不同的东西。在中枢神经系统（大脑和脊髓）的某些部分，峰值速率通常与清晰可定义的外部特征相关，例如某种颜色或一张脸的存在。在外周神经系统中，更多的峰值表示更多的热量、更大的声音或更强的肌肉收缩。
然而，当我们深入大脑时，我们发现大量神经元参与更复杂的现象，如回忆、价值判断、未来可能情况的模拟、对伴侣的渴望等等——此时信号变得难以破译。这个挑战有点像打开电脑盖，测量一些在高低电压之间切换的晶体管，然后试图猜测正在浏览的网页内容。
精神信息很可能不是存储在单个细胞中，而是存储在细胞群及其活动模式中。然而，目前尚不清楚如何识别哪些神经元属于特定群体；更糟糕的是，现有技术（如将细电极直接插入大脑）不适合同时测量数千个神经元。监测即使是一个神经元的连接也很复杂：皮层中的典型神经元接收来自大约10,000个其他神经元的输入。
虽然电压的传播爆发可以迅速将信号传送到大脑，但这些电尖峰可能不是神经系统中信息传递的唯一方式，甚至不是主要方式。具有前瞻性的研究正在探索其他可能的信息载体：神经胶质细胞（人们知之甚少的脑细胞，其数量是神经元的10倍）、细胞间其他类型的信号传递机制（如新发现的气体和肽），以及细胞内发生的生化级联反应。
2. 记忆是如何储存和提取的？
当你学习一个新的事实，比如某个人的名字时，你的大脑结构会发生物理变化。但我们尚不完全理解这些变化究竟是什么，它们是如何在广阔的突触和神经元海洋中协同作用的，它们如何体现知识，以及几十年后它们又是如何被读取出来以供检索的。
一个复杂之处在于，记忆有多种类型。大脑似乎区分短期记忆（记住一个电话号码，只够拨打）和长期记忆（你上次生日做了什么）。在长期记忆中，陈述性记忆（如姓名和事实）与非陈述性记忆（骑自行车，受潜意识信息影响）不同，而这些大类中又有许多子类型。不同的大脑结构似乎支持不同类型的学习和记忆；脑损伤可能导致某种类型记忆的丧失而不影响其他类型。
尽管如此，这些记忆类型中可能存在相似的分子机制。几乎所有记忆理论都认为记忆储存依赖于突触，即脑细胞之间微小的连接。当两个细胞同时活跃时，它们之间的连接会加强；当它们不同时活跃时，连接会减弱。通过这种突触变化，产生了联想。例如，经验可以强化咖啡气味、味道、颜色及其温暖感觉之间的联系。由于与这些感觉相关的神经元群通常同时被激活，因此它们之间的连接可以导致仅凭气味就能触发咖啡的所有感官联想。
但仅仅关注关联——以及神经元之间强化的连接——可能不足以解释记忆。记忆的巨大秘密在于，它主要编码的是事物之间的关系，而不是事物本身的细节。当你记住一段旋律时，你编码的是音符之间的关系，而不是音符本身，这就是为什么你可以轻松地用不同的调子唱同一首歌。
记忆提取比储存更加神秘。当我问你是否认识亚历克斯·里奇时，答案对你来说是显而易见的，目前还没有一个好的理论来解释记忆提取为何能如此迅速地发生。此外，提取行为可能会使记忆不稳定。当你回忆起一个过去的事件时，记忆会暂时变得容易被抹去。最近一些引人入胜的实验表明，在此期间可以通过化学方法阻止记忆重新形成，这提出了需要仔细考虑的新的伦理问题。
3. 大脑的基线活动代表什么？
神经科学家主要研究与我们在实验室中可以呈现的刺激（例如图片、触感或声音）相关的脑活动变化。但是，大脑在休息时的活动——其“基线”活动——可能被证明是我们精神生活中最重要的方面。清醒、休息中的大脑消耗了身体总氧气的20%，尽管它仅占身体质量的2%。一些基线活动可能代表大脑在后台重构知识、模拟未来状态和事件，或操纵记忆。我们关心的大多数事情——回忆、情感、欲望、计划等等——都可以在没有外部刺激和没有可测量到的明显输出的情况下发生。
关于基线活动的一个线索来自神经影像实验，这些实验表明，在一个人执行目标导向任务之前，某些大脑区域的活动会下降。下降的区域与任务的具体细节无关，这暗示这些区域可能在空闲时间运行基线程序，就像你的电脑可能只在资源不被其他地方需要时运行磁盘碎片整理程序一样。
在传统的感知观念中，来自外部世界的信息涌入感官，穿过大脑，并被有意识地看见、听到和感觉到。但许多科学家开始认为，感官输入可能仅仅是修正大脑中正在进行的内部活动。例如，请注意感官输入对于感知来说是多余的：当你在做梦时闭上眼睛，你仍然可以享受丰富的视觉体验。清醒状态可能与梦境状态本质上相同，只是部分地受到外部刺激的锚定。从这个角度来看，你的有意识生活是一场清醒的梦。
4. 大脑如何模拟未来？
当一位消防队长遇到新的火灾时，他会迅速预测如何最好地部署他的队员。运行这种未来模拟——而无需实际尝试的风险和成本——正如哲学家卡尔·波普尔所说，允许“我们的假设替我们死去”。因此，对未来可能性的模拟是智能大脑投入的关键业务之一。
然而，我们对大脑的未来模拟器如何工作知之甚少，因为传统的神经科学技术最适合将大脑活动与明确的行为而非心理模拟相关联。一种观点认为，大脑的资源不仅用于处理刺激并对其做出反应（例如，看着一个球朝你飞来），还用于构建外部世界的内部模型，并提取事物通常如何行为的规则（例如，了解球在空中如何运动）。内部模型不仅在运动行为（如接球）中发挥作用，在感知中也发挥作用。例如，视觉依赖于大脑中大量信息，而不仅仅是来自视网膜的输入。过去几十年来，许多神经科学家提出，感知并非简单地通过层级结构积累数据，而是通过将传入的感官数据与内部生成的预期相匹配而产生。
但是，一个系统如何学会对世界做出良好的预测呢？记忆可能正是为此目的而存在的。这并非一个新观点：两千年前，亚里士多德和盖伦就强调记忆是成功预测未来的工具。即使是你关于自己生活的记忆，也可能被理解为一种特殊的模拟子类型，这种模拟是固定的，因此很可能朝某个特定方向流动。
5. 情感是什么？
我们常把大脑视为信息处理系统，但任何缺乏对情感、动机、恐惧和希望的描述的大脑解释都是不完整的。情感是对显著刺激可测量的身体反应：伴随恐惧的心跳加速和出汗，老鼠在猫出现时的僵直反应，或伴随愤怒的额外肌肉紧张。另一方面，感受是有时伴随这些过程的主观体验：幸福、嫉妒、悲伤等感觉。情感似乎主要利用无意识机制——例如，即使受试者没有意识到自己看到了愤怒的脸，涉及情感的大脑区域也会对短暂呈现然后迅速遮蔽的愤怒脸做出反应。跨文化的基本情感表达惊人地相似，正如达尔文所观察到的，它在所有哺乳动物中也相似。人类、爬行动物和鸟类在表现恐惧、愤怒或父母之爱时，生理反应甚至也存在强烈相似性。
现代观点认为，情绪是大脑状态，它迅速对结果赋予价值并提供一个简单的行动计划。因此，情绪可以被视为一种计算，一种快速、自动的总结，它启动适当的行动。当一头熊向你狂奔而来时，不断上升的恐惧会引导你的大脑做正确的事情（确定逃生路线），而不是它可能做的所有其他事情（完成你的购物清单）。在感知方面，如果你看到的是蜘蛛而不是一卷胶带，你就能更快地发现它。在记忆领域，情绪事件是由涉及大脑杏仁核区域的平行记忆系统以不同的方式存储的。
情绪神经科学的一个目标是了解多种情绪障碍的本质，其中抑郁症是最常见且代价高昂的。冲动性攻击和暴力也被认为是情绪调节失调的后果。
6. 智力是什么？
智力有多种形式，但我们不知道智力——无论其表现形式如何——在生物学上意味着什么。数十亿神经元如何协同工作来操纵知识、模拟新颖情境并消除无关紧要的信息？当两个概念“契合”在一起，你突然找到问题解决方案时会发生什么？当电影中的杀手实际上是未被怀疑的妻子时，你的大脑会发生什么？聪明的人是否以更精炼、更多样或更容易检索的方式存储知识？
我们都伴随着智能机器人的未来承诺长大，但今天我们拥有的也不过是Roomba扫地机器人。哪里出了问题？对于人工智能表现不佳的解释有两种：要么我们对大脑功能的基本原理了解不足，要么我们没有模拟足够多的神经元协同工作。如果后者是真的，那是个好消息：计算每年都变得更便宜、更快，所以我们应该很快就能享受与阿西莫夫式机器人一起生活的乐趣，它们可以高效地打理我们的家务。然而，大多数神经科学家都认识到我们离那个梦想还很遥远。目前，我们的机器人只比海蛞蝓聪明一点点，即使经过数十年的巧妙研究，它们也几乎无法达到婴儿水平的从背景中区分图形的能力。
最近的实验探讨了智力与短期记忆容量、快速解决认知冲突的能力，或存储事实之间更强关联的能力之间可能存在的关系；结果尚未得出定论。许多其他可能性——更好地重构存储信息、更多并行处理，或对未来可能情况的卓越模拟——尚未通过实验进行探讨。
智力可能不是由单一机制或单一神经区域支撑的。无论智力是什么，它都处于智人独特之处的核心。其他物种被设定为解决特定问题，而我们的抽象能力使我们能够解决一系列开放式问题。这意味着对小鼠和猴子智力的研究可能方向有误。
7. 大脑如何表示时间？
百米赛跑以枪声而不是频闪灯开始，因为你的大脑对一声巨响的反应速度比对一闪光更快。然而，一旦我们走出运动反应领域，进入感知领域（你报告你看到和听到的），情况就变了。在意识方面，大脑费了很大力气来同步以非常不同速度处理的传入信号。
例如，在你面前打个响指。虽然你的听觉系统处理响指信息的速度比你的视觉系统快约30毫秒，但你手指的视觉和响指的声音似乎是同步的。你的大脑正在运用巧妙的编辑技巧，让世界中同时发生的事件在你感觉上也是同时的，即使处理这些信息的不同感官单独来看会断然否定。
举一个你的大脑如何玩弄时间的小例子：照镜子看你的左眼。现在把目光移到你的右眼。你的眼球运动当然需要时间，但你没有看到你的眼睛移动。就好像世界瞬间从一个视角转换到下一个视角。时间中的那个小间隔发生了什么？话说回来，每次你眨眼时应该看到的80毫秒的黑暗又发生了什么？底线：你对时间平稳流逝的观念是大脑的一种构建。阐明大脑如何正常解决时间问题的图景，应该能深入了解当时间校准出错时会发生什么，例如在阅读障碍患者的大脑中可能发生的情况。不同步的感官输入也会增加老年患者跌倒的风险。
8. 大脑为何睡眠和做梦？
我们生命中最令人惊奇的方面之一是，我们生命中三分之一的时间都在睡眠的奇特世界中度过。新生儿的睡眠时间大约是这个的两倍。连续保持清醒超过一个完整的昼夜周期是异常困难的。在人类中，神经系统持续清醒会导致精神错乱；剥夺睡眠10天的老鼠会死亡。所有哺乳动物都睡觉，爬行动物和鸟类也睡觉，像海豚这样自主呼吸的动物则一次只有一个脑半球处于休眠状态。进化的趋势很明显，但睡眠的功能却不清楚。
睡眠的普遍性，即使它以时间和使睡眠者相对无防备为代价，也暗示了其深远的意义。虽然没有普遍认同的答案，但至少有三种流行（且非排他性）的猜测。第一种是睡眠具有恢复性，可以储存和补充身体的能量储备。然而，睡眠期间的高神经活动表明这并非故事的全部。第二种理论认为，睡眠允许大脑在真实世界中测试之前，模拟战斗、解决问题和其他关键行动。第三种理论——也是证据最多的一种——是睡眠在学习和巩固记忆以及遗忘无关紧要的细节方面发挥着关键作用。换句话说，睡眠允许大脑储存重要的东西并清除神经垃圾。
最近，人们的关注焦点集中在快眼动睡眠（REM sleep）上，认为它是将记忆锁定到长期编码最重要的阶段。在一项研究中，研究人员训练大鼠在跑道上奔跑以获得食物奖励。他们记录了被称为位置细胞的神经元活动，这些神经元根据大鼠在跑道上的位置显示出独特的活动模式。后来，当大鼠进入快眼动睡眠时，记录仍在继续。在这次睡眠中，大鼠的位置细胞经常重复与它们清醒时奔跑时看到的完全相同的活动模式。研究人员称，这种关联非常紧密，以至于当动物“做梦”时，他们可以重建如果它清醒，它会在跑道上的哪个位置——以及动物是在梦中奔跑还是静止。正在浮现的观点是，睡眠期间重播的信息可能决定我们以后记住哪些事件。从这个角度来看，睡眠类似于一次离线练习。在最近的几项实验中，完成困难任务的人类受试者在连续几天的两次会话之间提高了分数，但同一天的两次会话之间没有提高，这表明睡眠参与了学习过程。
了解创伤、药物和疾病如何改变睡眠和做梦——以及我们如何调节对睡眠的需求——是一个值得为未来线索深入探索的丰富领域。
9. 大脑的专业化系统如何相互整合？
肉眼看来，大脑表面没有任何部分与其他部分有显著差异。但当我们测量活动时，我们发现不同类型的信息潜藏在神经区域的每个部分。例如，在视觉中，单独的区域处理运动、边缘、面部和颜色。成年大脑的区域像世界地图一样支离破碎。
现在神经科学家已经对大脑区域的划分有了合理的认识，我们发现自己面对的是一个涉及嗅觉、饥饿、疼痛、目标设定、温度、预测以及数百种其他任务的奇怪大脑网络组合。尽管它们功能各异，这些系统似乎能无缝地协同工作。关于这如何发生，几乎没有好的想法。
大脑如何如此迅速地协调其系统也尚不清楚。神经冲动（它们在缺乏称为髓鞘的绝缘鞘的轴突中以大约每秒一英尺的速度传播）的速度是数字计算机信号传输速度的亿分之一。然而，人类几乎能瞬间识别朋友，而数字计算机在面部识别方面速度缓慢——通常也不成功。一个由如此缓慢的部件组成的器官如何能如此迅速地运作？通常的答案是，大脑是一个并行处理器，同时执行许多操作。这几乎肯定是正确的，但减慢并行处理数字计算机速度的是下一阶段的操作，即需要比较和决策结果。大脑在这方面惊人的快。因此，虽然大脑进行并行处理的能力令人印象深刻，但它快速将这些并行过程合成为一个单一的、指导行为的输出的能力同样重要。奔跑的动物必须绕过树木向左或向右；它不能同时做两者。
大脑中没有信息汇聚的特殊解剖位置；相反，这些专业区域相互连接，形成一个并行且重复的链接网络。不知何故，我们对世界的整合形象从这个复杂而迷宫般的脑结构网络中浮现出来。令人惊讶的是，对大脑中那种大型、循环网络的研究所知甚少——这可能部分是因为将大脑视为整洁的装配线比将其视为动态网络更容易理解。
10. 意识是什么？
回想你的初吻。那一刻的体验可能会瞬间浮现在你的脑海中。在你意识到它之前，那段记忆在哪里？在它进入意识之前和之后，它是如何储存在你的大脑中的？这些状态之间有什么区别？
解释意识是现代科学尚未解决的主要问题之一。它可能不是一个单一的现象；尽管如此，作为初步目标，让我们将其视为你早上醒来时突然出现的，而此前同样的大脑硬件中却不存在的东西。
神经科学家认为意识主要源于大脑的物质构成，原因在于即使大脑的微小变化（例如，通过药物或疾病）也能强烈地改变你的主观体验。问题的核心在于我们尚不知道如何设计零部件，使产生的机器拥有你我习以为常的那种私人主观体验。如果我把世界上所有的“Tinkertoy”（一种玩具积木）都给你，并让你把它们连接起来形成一个有意识的机器，祝你好运。我们还没有关于如何做到这一点的理论；我们甚至不知道这个理论会是什么样子。
意识研究的一个传统挑战是实验研究它。很可能在任何时刻，某些活跃的神经元过程与意识相关，而另一些则不相关。第一个挑战是确定它们之间的差异。一些巧妙的实验至少取得了一点进展。其中一个实验中，受试者一只眼睛看到房子的图像，同时另一只眼睛看到牛的图像。人们没有感知到房子和牛的混合物，而是只感知到其中一个。然后，经过一段时间，他们会认为自己看到了另一个，并将继续缓慢地来回切换。然而视觉刺激没有任何变化；只有意识体验发生变化。这个测试允许研究人员探究神经元活动的哪些特性与主观体验的变化相关。
意识背后的机制可能存在于各种物理层面：分子、细胞、回路、通路，或尚未描述的某种组织层面。这些机制也可能是这些层面之间相互作用的产物。一个引人注目但仍具推测性的观点是，大脑庞大的反馈回路对意识的产生至关重要。
在短期内，科学家们正在努力识别与意识相关的大脑区域。接下来是下一步：理解它们为何相关。这就是神经科学所谓的“难题”，它位于物质解释对人类经验所能阐述的极限之外。
