大脑是我们一切思考和行为的中枢。你是否好奇在你跑、跳、游戏时，你的大脑到底是怎么工作的？为了观察这一活动，科学家们将高科技显微镜、激光技术和遗传工程技术相结合，以对人脑的细胞，也就是神经元，进行直接观测。当这些神经元被激活时，就会发出光芒，说明这些神经元正在通过一个大规模的网络来传送信息。这样，它们就能从周围环境中得到一些信息，并且为接下来的活动做好准备。

生物学工具：神经元、网络和活动

人类大脑中有很多比较微小的细胞，神经元是最常见的一种。神经元就好比一些小型的机械，维持着我们大脑的运行，让我们能够观察、思考、计划，甚至是阅读这个句子！我们大脑中的神经元数量非常多，粗略计算也有860亿个，如此之多的神经元共同运作，让我们得以与外界交互。神经元彼此相连，彼此交流，向“邻居”传送着关键的信息。所有的联系构成一个具有特殊作用的复合网络。比如，要辨认一株花朵，我们必须先用肉眼看见花朵，随后，脑部的特定神经元会对有关形态及色彩的信息进行加工，之后，神经元便会通过复合网路，将有关气味的信息分享给其它神经元，由它们来处理气味信息。而在这个网络里，会有一群神经元来验证你之前有没有看见过同样的花朵。它们一起构成了一个辨认的系统，比如，神经元能让你知道这种花是杜鹃或玫瑰。类似的，还有一个网络可以指导你每天的生活，它可以让你快速进行2加2等于4的运算。

神经元通过微弱的电流来传送信息。要生成这样的电，神经元要利用带电离子，如钙离子，这是一种非常关键的离子，这种离子能通过极小的缝隙进入神经元。如果有充足的钙及其它离子，神经元就会被“激活”，这就好比一道灯光点亮。被活化的神经元可以通过一种叫做“突触”的结构将信号传送给其它的神经元。一种信号指示下一个神经元，让它以较高的速率传送信息，刺激其它神经元，因此也就有了更多的电流活性。而另外一种信号则会通知相同的神经元，让它们停下手中的动作，从而阻止电流的活跃，让这些神经元短暂的平静下来。这种信息传送的行为会持续地出现在脑部，而神经元则是一群十分活跃的生物。要想知道什么时候神经元会被活化，我们利用一种叫做“钙传感器”的小分子来感应并发出光芒。利用遗传技术改造 DNA，就能在神经元内种植一种钙传感器。

物理学工具：双光子显微镜

我们可以利用一个双光子显微镜来直接观测到脑部发出光芒的神经元。在对脑部进行直接观测时，有三项关键的技术要求。首先，这种双光子显微镜采用了一种独特的激光，它的激光为钙传感器注入了一种能使其发光的激光束。激光通过反射镜和玻璃透镜引导到显微镜的另一个关键部件：物镜。物镜可以把大约10μm（0.01mm）的极小的神经元放大，其放大率一般是人眼的20多倍。这个物镜把激光束集中在大脑里，激发了这个钙传感器，同时也把发射出来的光线送到最关键的探测器上。这种探测器叫做“光电倍增管”，可以把来自神经元的光线增强，然后把它们变成类似于即时摄像机的信号。当我们在大脑中制作出一个极小的窗口后，我们就能看到那些被激发的神经元闪烁光芒的录像，并将其录制下来。我们可以通过对录像进行解析，获得各个神经元在不同时刻的动态信息，从而能理解神经元的活性和它们是怎样在这个网络中相互沟通的。通过这项技术，能对我们执行某些任务时大脑的情况进行观察，了解大脑的疾病。

利用双光子显微镜以及其他先进的技术，科学家们可以观察大脑神经元和网络的活动，涉及生物学、物理学等学科，这充分说明我们的大脑是多么的复杂。通过对神经元活动模式进行分析，我们能探索很多问题。比如：“当我们进入迷宫后怎么找到出去的路？”这些对于人类的发展非常重要。