《科學》發布125個最具挑戰性的科學難題，涉及醫學、材料、人工智能等

　　2005年，《科學》（Science）雜志在其創刊125周年之際，公布了125個最具挑戰性的科學問題。這些問題涵蓋地球科學、能源、宇宙領域，并涉及數學與計算機科學、政治與經濟、能源、環境和人口等領域，對整個科學領域積極廣泛的影響。

　　隨著人類科技水平的快速發展，其中許多問題得到了解答，同時又不斷涌現新的問題。2021年，在上海交通大學建校125周念之際，上海交通大學聯合《科學》雜志，面向全球征集類125個科學問題，發布了專刊——《125個科學問題：探索與發現》，這125個問題涉及了數學（3個）、化學（9個）、醫學與健康（11個）、生物學（22個）、天文學（23個）、物理學（18個）、信息科學（4個）、材料科學（4個）、神經科學（12個）、生態學（8個）、能源科學（3個）和人工智能（8個）等多個領域（全部125個問題見下文）。

　　本文將具體介紹醫學與健康、生物學和神經科學的45個問題。

　　醫學與健康

　　我們可以預測下一次流行病嗎？

　　未來幾十年還可能會發生其他大流行，近年來流行病更頻繁地發生，例如SARS、寨卡病毒、埃博拉病毒，以及SARS-CoV-2，但確定下一次大流行的時間和地點是一個復雜的問題。對大流行的預測是多學科的，需要傳染病、流行病學、公共衛生、公共衛生政策、社會學、心理學、人類行為、氣候和環境科學、數據科學、計算機科學等領域專家的合作。我們可以從COVID-19大流行中吸取教訓，這些包括加強對大流行病準備的支持，提高衛生系統、實驗室和供應鏈物流的能力，以及公共衛生傳播。

　　數據科學家利用更強大的計算機能力在預測下一次大流行中發揮了領導作用。人畜共患病是一種特殊的疾病，需要全球合作來應對。全球病毒基因組計劃是一個耗資40億美元的國際項目，旨在改變我們發現和監測傳染病的方式。該項目的目標是提高對大流行預測的可靠性和可訪問性，類似于當前的天氣預測和監測。該項目旨在通過建立識別、基因編目和追蹤超過50萬種可能向人類傳播的病毒，積極規劃并最終預測流行病。通過尋求更好地理解人類健康、生態學和病毒學與人畜共患病之間的復雜網絡，我們可以開始預測下一次流行病。

　　我們會找到治療感冒的方法嗎？

　　引起“普通感冒”的病毒有200多種，這些病毒變異非常快。然而，科學家們已經發現了一種方法來阻止某些病毒的復制，也許這些發現將在未來帶來更有效的治療方法。

　　我們可以設計何制造出為個人定制的藥物嗎？

　　個性化醫療或精準醫療，即根據個人的遺傳和生物學特征，為個人設計專門的治療和干預措施，是未來醫療保健的令人興奮的途徑。與一刀切的方法不同，我們更接近于識別疾病風險并開發明確靶向的藥物，以便在個人基礎上診斷、治療和預防疾病和狀況。由于計算能力、人工智能、機器學習和統計工具的進步，科學家們能夠挖掘大量的患者數據，制造這些類型的藥物是可行的。隨著完整的基因組被測序并納入我們的醫療記錄，個性化醫療得到了加強。雖然還有很多工作要做，但個性化醫療可能是我們一生中醫療保健領域的最大革命。

　　人體組織或器官可以完全再生嗎？

　　許多科學家相信，組織和器官再生將開創醫學的未來，旨在用再生的器官或組織來替代功能失調或受傷的人體部位。再生的組織或器官可以在體外制造，也許在工廠中通過3D打印/組織培養，或者在動物體內或直接在人體中制造，這可能徹底改變我們用來治療疾病和創傷的方法。

　　許多物種都有能力生長新的器官或身體部位，然而我們人類沒有這一能力，但研究人員正在實驗室中找到繞過這一限制的方法。技術創新，包括3D打印、人工智能數據分析和腦機接口，使我們能夠對這個領域進行更深入的探索。細胞生物學和基因編輯方面的科學進步已經揭示了組織/器官發育的機制。但是，人類器官再生的主要障礙是技術和科學方面的。我們需要更好地理解促進組織再生的細胞過程、生物化學和環境。我們hi必須研究更有效的措施來克服移植組織/器官的免疫排斥反應。

　　如何維持和調節免疫穩態？

　　免疫穩態是一種內部平衡狀態。如果沒有穩態，免疫系統就無法正常工作，導致疾病和感染。了解這種平衡如何維持可以提供更全面的身體工作方式，并可能幫助我們校準醫療干預。例如，與目前非選擇性地增強或抑制整個免疫系統不同，未來我們可能能夠重新平衡失調的免疫系統。在人類和動物模型中進行的研究幾乎涉及了免疫反應的每個方面，并檢查了許多免疫細胞群，但仍有一些未解決的問題。基因組學、蛋白質組學和其他組學數據是有用的。但是人類免疫系統是動態的，非常個性化的，因此動物模型的使用有限，需要一個強大的平臺來研究和操作人類免疫細胞來解決這個問題。

　　中醫的經絡系統有科學依據嗎？

　　中醫認為，能量通過12條主要通道——經絡——流經身體，與器官相關。各種疾病都與經絡堵塞有關，而針灸通過刺激身體的穴位，釋放和緩解能量流動。已經有很多科學研究探索了經絡系統和針灸在治療疾病方面的應用，一些研究表明，針灸可能有助于緩解慢性疼痛和預防偏頭痛。根據美國國立衛生研究院的調查，針灸影響大腦處理疼痛的方式。至于經絡本身，1987年，科學家們分析了體內放射性同位素的運動，得出結論：經絡實際上是體內的空間，而不是結構，2020年發表在 Research 期刊的一篇論文也得出了同樣的結論。

　　下一代疫苗將如何生產？

　　下一代疫苗平臺通過對病毒蛋白進行測序來加速疫苗開發。今天，我們已經看到類病毒載體疫苗、核酸疫苗和抗原呈遞細胞被用于對抗COVID-19。

　　自閉癥的病因是什么？

　　自閉癥譜系障礙（ASD）是一種神經發育障礙，影響個體感知和處理信息以及與他人社交的能力。它可能導致社交互動、溝通和某些重復行為模式的問題。ASD之所以被稱為“譜系”，因為它包括各種癥狀，可以以不同的方式和嚴重程度表現出來。雖然ASD已經被研究了幾十年，但其病因仍然是一個謎。雖然基于遺傳和環境因素，人們患上自閉癥的風險似乎有所增加，但仍沒有確鑿的證據確定其病因。

　　我們能否克服抗生素耐藥性？

　　抗生素耐藥性對全球健康和糧食安全構成了重大威脅。可以通過政策、醫療保健、研究和農業領域的貢獻，以及個人謹慎使用抗生素來解決這一問題。

　　我們的微生物組在健康何疾病中扮演什么角色？

　　你可能認為自己是一個單一的個體，但在你的皮膚上和皮膚下以及身體各器官和組織中，存在著一個完整的微生物生態系統，即微生物群落。我們體內有超過100萬億個病毒，至少80個真菌屬和1000種細菌。在大多數情況下，這些微生物群落和諧地存在于我們體內，在許多生理過程中以及宿主整體健康的維護和調節中發揮著至關重要的作用。微生物群落涉及從纖維分解和氨基酸生物合成到宿主免疫系統調節和病原體抵抗力等各個方面。有趣的是，微生物群落可能會影響我們的免疫穩態。研究表明，微生物群落失衡與多種疾病有關，包括代謝障礙、免疫和炎癥疾病、神經退行性疾病、癌癥，甚至衰老。由于微生物組與我們體內的所有系統都緊密相連，它也影響著預后和治療選擇。

　　生物信息學和微生物學研究人員正在識別和分離微生物群落中的關鍵角色，并獲得它們與其他微生物和宿主生物共生的機制性理解。宏基因組學調查正在借助多組學分析以及動物模型，從相關性向因果關系轉變。我們需要從空間和時間的角度識別我們微生物群落的所有成員，并基于相互作用和調控網絡破譯共生關系。還需要識別和表征核心微生物群落、健康微生物群落和疾病相關微生物群落。

　　異種移植能否解決供體器官短缺的問題？

　　如果我們能夠克服毒性、排異反應和凝血功能障礙，異種移植（即不同物種間器官移植）可以解決器官短缺的問題。

　　生物學

　　什么可以幫助保護海洋？

　　隨著陸地資源的日益緊缺，海洋顯然是人類生存和應對氣候變化的最后保障。海洋保護需要跨不同學科、行業和專業的全球合作。生態學家、經濟學家、社會科學家、決策者、傳播專家、工程師、地球科學家、數學家和氣候專家只是應對這一動態挑戰的實踐者中的一部分。數學模型可以幫助我們更好地理解復雜的氣候相關系統，預測水資源保護和污染控制的機會，并向我們展示如何減輕氣候變化的普遍影響。解決方案不止一個，我們需要全球政府和經濟部門的利益相關者的參與。

　　我們可以阻止自己衰老嗎？

　　隨著年齡的增長，死亡的可能性顯著增加。但2018年發表在 Science 期刊的一篇論文表明，當達到105歲時，我們基本上停止了衰老，也就是說，當我們達到106歲及以上時死亡的可能性在數學上將可能保持不變。這是否意味著百歲老人會停止衰老？這不是一個容易回答的問題。重要的是要認識到，衰老本身并不會導致死亡，也不是一種疾病。美國國立衛生研究院下屬的美國國家老齡化研究所認為，衰老與動態的生物、生理、環境、心理、行為和社會過程的變化有關。科學家們繼續尋找影響這些過程的機制。但如果我們能夠減緩或停止這些過程，這對人類意味著什么？

　　為什么只有一些細胞會變成其他細胞？

　　干細胞是一種特殊的細胞，具有分化成其他細胞類型的能力。在周圍細胞的正確生態系統中，稱為干細胞生態位，干細胞分裂成子細胞，然后成為新的干細胞或具有獨特功能的專門細胞，例如大腦、胃和腸道細胞。沒有其他細胞具有這種分化或創造新細胞類型的轉化能力。胚胎干細胞來自3-5天的胚胎，這些細胞特別具有多能性，可以用于再生或修復不健康的組織。成體干細胞存在于多種組織中，包括骨髓，雖然它們也可以成為其他細胞，但與胚胎干細胞相比，它們的潛力不如胚胎干細胞廣泛。一些新研究顯示，成體干細胞可能更適應從它們來源的組織中形成細胞類型，例如骨髓，因此可以用來創造骨骼或心肌或其他類型的細胞。此外，一些成體干細胞可以通過基因重組來具有胚胎干細胞的特性。使用重組細胞代替胚胎干細胞可能會防止免疫系統排斥新的干細胞，但目前尚不清楚這些經過修改的成體干細胞是否會對人類產生有害影響。

　　醫學研究拓展了我們對細胞系統的普遍理解。進展令人震驚：干細胞實驗療法已經被用于人類臨床試驗。但我們在動物模型中檢查干細胞療法并探索利用干細胞改善人類健康和減輕健康負擔的新方法時，只觸及了表面。我們已經知道，胚胎干細胞的分化是由于信號機制而發生的，并受各種生長因子和表觀遺傳過程的控制。我們需要繼續研究其確切機制；我們需要更加了解胚胎細胞的行為，以便更好地理解如何控制它們形成的分化細胞的類型。

　　為什么有些基因組非常大而另一些又非常小？

　　基因組大小，即細胞核中DNA的數量，在動植物中極其多樣，差異超過64000倍。最大的基因組屬于一種叫做日本重樓的開花植物，其每個細胞有40條染色體，有1500億個DNA堿基對，是人類基因組的50倍。盡管我們現在知道基因組大小的多樣性的主要貢獻者是非蛋白質編碼，通常是高度重復的DNA序列，但它們數量變化如此之大的原因仍然是個謎。

　　有可能治愈所有癌癥嗎？

　　我們對抗疾病最重要的武器是我們自己的免疫系統。免疫系統對于抵御癌癥尤其關鍵，癌癥是細胞不受控制地分裂和在組織中遷移。癌癥是全球主要的死亡原因之一：僅在2018年，就有1810萬人被診斷出患有某種類型癌癥，根據世界衛生組織國際癌癥研究機構的數據，到2040年，這個數字預計將上升到每年2950萬人。令人驚訝的是，39.5%的成年人將在一生中的某個時刻被診斷出癌癥。

　　通過數十年的實驗室和臨床研究，我們在治療癌癥方面取得了重要進展。我們知道，癌癥是由DNA變化引起的，這些變化可以由內部或環境刺激引發。我們還知道，某些干預措施，如手術、化療和放療，在某些情況下可以對生存率產生重大影響。近年來，科學家們對免疫系統的性質有了有希望的發現。這些發現已經導致了基于免疫系統的治療方法。但我們需要繼續研究和探索如何更好地利用免疫系統來預防和治療癌癥，這可能帶來“一站式”癌癥療法，有潛力帶來治療各種類型癌癥的新療法。

　　哪些基因是我們人類與眾不同？

　　人類基因組中包含約30000個基因，其中約99%與我們的近親黑猩猩相同。科學家們正在利用生物信息學、細胞生物學和遺傳學方面的創新技術和大量積累的知識來確定我們與眾不同的原因。我們已經繪制了人類基因組以及其他靈長類動物的基因組，通過與其他基因組的比較，有可能識別出我們基因序列中與其他物種不同的序列。重要的是要問這些基因差異中哪些影響了人類大腦的進化。為了回答這個問題，研究人員正在利用某些類型的干細胞構建大腦類器官來觀察人類和黑猩猩的大腦發育。

　　遷徙動物如何知道它們要去哪里？

　　遷徙是指動物受季節影響，定期遷移到新的棲息地。動物遷徙的原因眾所周知：它們需要不同的或更好的棲息地、庇護所和食物，以及繁殖壓力。我們熟悉鳥類和蝴蝶從北向南遷徙，但其他類型的遷徙包括東西之間或海洋和陸地之間，在山脈中移動到不同的高度，甚至在海洋和湖泊的水柱中遷徙。遷徙生物的多樣性非常豐富——從昆蟲和哺乳動物到魚類。甚至黏菌也會遷徙。但是，雖然人類已經觀察動物遷徙幾個世紀了，但直到最近我們才能夠更好地理解遷徙生物知道自己在哪里和要去哪里的潛在機制。然而，許多理論仍有待充分驗證。我們推測一些動物依賴于視覺線索，如地理標志，其他動物，如某些鳴禽、海豹和甲蟲，利用太陽或星星的位置導航。

　　為什么恐龍長得如此之大？

　　古生物學家推測恐龍的如此巨大的體型可能與食物來源、體溫調節、保護自己免受捕食者傷害和其他因素有關。

　　地球上有多少物種？

　　對于“物種”的不同定義就有約有50種之多，地球上有著許多未知的微生物，根據不同定義，估計地球上的物種總數在530萬到1萬億之間。

　　有機體是如何進化的？

　　進化是指一個種群隨著時間的推移而發生的累積變化。正如查爾斯·達爾文所證明的那樣，自然選擇決定了當生物繁殖和發展可遺傳的特征時，它們會更容易適應環境，從而使其物種更偏愛那些具有有益基因的個體。這些基因將隨著時間的推移被后代所繼承。自然選擇是進化的基本機制。但是，進化理論有許多謎團尚未被真正理解。例如，眼睛或胎盤等復雜器官是如何進化的？科學家們正在研究這些器官，以確定數百萬年來發生的基因變化，并認識到進化永不停息。

　　能否復活滅絕生物？

　　科學家們正在探索可能讓某些物種從滅絕中復活的選項，同時也在考慮這樣做的倫理影響。雖然由于DNA存活的限制，讓恐龍復活是不可能的，但CRISPR基因編輯技術可能為其他滅絕生物提供一種前進的途徑。復活不是克隆，因此，要想讓猛犸象從滅絕中復活，就需要編輯大象的基因組，改變它們的一些DNA序列，使其類似于猛犸象的DNA序列，從而產生一種雜交動物。

　　遠古人類是否與其他類人祖先雜交？

　　這種雜交確實發生了，由于計算能力的進步和從化石中提取古代DNA的能力，我們已經知道尼安德特人曾與現代人類交配。

　　人類為什么會對貓狗如此著迷？

　　我們如此依戀狗和貓的許多原因都與心理學有關：我們的寵物提供了安全、保障、舒適、情感/身體支持和認可。

　　人類的情感源于何處？

　　人類最迷人的特點之一是我們的情緒：我們對經歷的感受以及我們如何利用情緒做出決策。雖然所有哺乳動物都會產生基本的情緒，例如恐懼和憤怒，但人類的社會情緒尤其高度發達，如羞恥、內疚和自豪。你的感官告訴你外界發生了什么，而你的情緒存在于你的身體內部，告訴你這些事件和環境對你意味著什么。我們利用情緒來處理信息，因此它也具有進化目的。情緒不一定是我們可以控制的東西——它是生物體的一種自動機制，旨在保護我們。因此，每種情緒都對應著一種功能或行動，我們可以采取行動來幫助我們理解自己的需求。

　　雖然我們知道情緒與化學和生理反應有關，但關于情緒究竟是什么仍存在爭議。一些神經科學家認為，情緒并不是自動“發生”于生物體的客觀狀態，而是由大腦學習和構建的。為了更好地理解情緒的起源，我們需要了解情緒的來源和影響因素。研究人員一直關注它們的發展和分類，以及它們對其他心理過程的影響和生理機制，并發現哺乳動物大腦中存在獨立的神經回路或“系統”，控制著三種情緒反應。第一個系統是鼓勵積極行為的系統，例如快樂的情緒，它激發動物探索自己的世界。第二個系統是產生戰斗或逃跑反應的系統，它受到恐懼或憤怒的影響。最后一個系統是產生負面行為的系統，它導致動物產生焦慮，從而傷害自己或他人。

　　情緒很難測量。然而，許多新興的方法和技術正在被利用來進一步研究它們，包括功能性磁共振成像（fMRI）、事件相關電位（ERP）、多通道生理記錄、生物反饋和眼動記錄，以及認知行為實驗和甚至激素測量。

　　世界人口會無限增長嗎？

　　受生育率、死亡率、移民和氣候變化的影響，世界人口增長很可能在2100年停止，屆時世界人口約為110億。

　　我們為什么會停止生長？

　　我們的基因決定了我們何時停止生長。當我們達到成熟年齡并具備生育能力時，我們的身體生長就會停止。

　　人類可以冬眠嗎？

　　體溫調節是關鍵——如果我們人類能夠降低體溫，理論上我們可以誘導低代謝狀態，這樣我們就不需要燃料。

　　未來人類的外貌會有所不同嗎？

　　人類可能會變得不同，這些變化將受到飲食、環境、技術使用等因素的影響。我們已經在進化中脫落了智齒。

　　為什么會發生物中大爆發和大滅絕？

　　進化生命周期中存在兩種類型的事件：物種爆發和大規模滅絕。在5.4億至4.9億年前的寒武紀時期，地球經歷了物種出現的最大規模。環境變化，例如氧氣化，導致了小型、移動生物的擴張，這些生物具有現代動物所具有的解剖特征。最近的證據表明，這種爆發是由小的環境變化組合而成的，這些變化引發了重大的進化發展。這一信息可能引導研究人員更好地描述其他物種的爆發。至于已知的五次大規模滅絕事件，科學家們證實“壓力-脈沖”模型是罪魁禍首，即生態系統和環境的長期變化（壓力）遇到了突發的災難性事件（脈沖）。

　　基因組編輯將如何用于治療疾病？

　　由于CRISPR技術的發明，基因組編輯時代已經到來。這個簡單但強大而多功能的工具使科學家能夠改變DNA序列，從而改變細胞內的基因。它引發了許多領域的基礎和應用研究中基因組編輯的革命，包括醫學，畢竟，如果我們可以改變DNA編碼的信息，對人類健康產生積極影響的潛力是巨大的，使我們有可能通過對基因組的有針對性修改來治療遺傳疾病的根本原因。

　　在2020年，Emmanuelle Charpentier和Jennifer Doudna因她們在2012年首次揭示CRISPR-Cas9基因編輯技術原理而分享了諾貝爾化學獎。自2012年引入CRISPR以來，基因組編輯的應用已經爆炸式增長，科學家們不斷尋找擴大其應用范圍的途徑。體外研究結合人類疾病的動物模型已經明確了CRISPR可以用于糾正基因缺陷，科學家們已經將其納入對抗多種疾病的研究中。除了生物醫學應用外，這些CRISPR工具現在還被用于加快作物和牲畜育種、設計新的抗微生物藥物和控制攜帶疾病的昆蟲等。

　　可以人工合成細胞嗎？

　　科學家們為什么對創造人工細胞感興趣？因為我們希望通過比較更好地理解我們的人性，并且因為這種成就將在醫學和生物學等領域產生巨大的影響。但是，對從頭開始工程生命、有機組織的追求超越了學科和靈感的界限。通過推動科學和技術的邊界來設計人工細胞，我們可能能夠更好地理解生命的起源和生命的運作方式，這可能會改變我們對“生命”的定義。然而，當我們追求這些崇高的目標時，我們正在獲得關于生物系統的寶貴見解，這將使我們能夠改善社會的許多領域，從食品和智能技術到通信和醫療保健。

　　合成生物學家與其他生命科學家、物理學家、化學家、工程師、計算機科學家和生物信息學家合作，數十年來一直致力于合成細胞的目標。各種國際、學術和科學會議已經開始了這項工作。2010年，J. Craig Venter研究所（JCVI）的科學家宣布他們成功地合成了一個細菌基因組，然后將其放入細菌中，取代了其原有的DNA。在合成基因組的推動下，這個人造微生物細胞開始復制并制造一組新的蛋白質，這項努力耗資4000萬美元，耗費了20人10年的時間，但它顯著加速了合成生物學。2010年代以來，合成人工細胞所需的技術出現了新的里程碑，包括CRISPR-Cas9基因編輯技術、微流控、膜科學、納米技術和成像能力等等。

　　細胞內的生物分子是如何組織從而有序有效發揮作用的？

　　研究人員注意到，細胞中充滿了許多令人驚訝的和諧的生物分子群，包括蛋白質、核酸、脂質和碳水化合物。然而，細胞仍然設法確保這些生物分子的多樣性功能有序有效。眾所周知，細胞膜設置亞細胞隔室，為不同的細胞活動提供物理屏障。最近發現的相分離效應在生物分子聚集和凝聚的動態調節中發揮了作用，揭示了對細胞中生物分子的組織和可用性的另一個重要控制水平。科學家們正在使用冷凍熒光顯微鏡和冷凍電子斷層掃描的組合來揭示不同相位下生物分子的納米級組織。這一領域的蓬勃發展繼續為細胞生物學提供有價值的機制視角。

　　神經科學

　　意識存在于何處？

　　意識可以被描述為我們大腦的主觀體驗。事實上，意識被定義為有知覺的存在所經歷的一切。它不一定意味著自我意識，這兩個概念不應該混淆。自然地，意識的研究是一個交叉領域，吸引了各種各樣的學者，包括神經科學家、哲學家、心理學家，甚至是電氣工程師。但盡管有共同的努力，專家們仍然對意識的性質、機制和位置存在分歧。意識研究領域被認為是無序的、有爭議的，在某種程度上是心靈科學家的雷區。

　　 一些科學家認為，意識只是一連串的生化反應，是每一次輸入和喚醒都引發和發送信號的糾結神經元的舞蹈。但還有其他科學家認為意識是大腦的一部分，他們認為意識源于大腦神經元內被稱為微管的蛋白質聚合物的量子振動。對意識的本質和機制的真正理解將打開知識的閘門，推動許多圍繞神經科學的領域，包括計算機科學和醫學。對意識的持續探索可以支持對復雜腦疾病分子機制的理解，并促進類腦智能算法的發展。我們還有很長的路要走，仍然需要更精細的高維分子數據來模擬大腦的動力學，但幸運的是，我們現在有高分辨率成像技術和人工智能等現代技術的幫助。

　　神經元放電序列的編碼準則是什么？

　　放電序列——單個神經元放電的讀數——可以在許多物種的不同狀態下測量。如何將刺激與特定神經元的反應連接（或“映射”）尚未完全闡明，但正在進行深入研究。

　　能否數字化地存儲、操控和移植人類記憶？

　　科幻電影描繪了有一天我們可以將我們的記憶上傳到云端，然后將它們下載到某種形式的計算機中——這會是一個機器人，還是一個人工生命形式？神經科學家和認知科學研究人員并不嘲笑這種前景，而是將其作為一種靈感，推動知識的邊界，更好地理解記憶如何工作，以及它是如何存儲在我們大腦的神經元中。

　　記憶是大腦保留信息的方式。我們的大腦可以記錄我們作為一個有意識的生命所經歷的一切——某事物所喚起的感覺；它產生的氣味、聲音、視覺和思維；以及我們采取和觀察的行為。

　　 記憶是我們認知的基礎方面，指導我們與世界互動和導航的方式。它的內部運作通常被認為依賴于兩個不同系統的雙重過程，其中無意識和常規的思維過程與更自覺的、解決問題的思維過程合作。在某種意義上，記憶類似于計算機模型，因為它涉及輸入、編碼、存儲和檢索。但是，我們距離將我們的記憶復制到U盤還有多遠？ 現在比以往任何時候都更近了，但距離現實仍然有很多年。制造人工記憶的成就可能會影響理論和實驗認知研究以及臨床醫學：也許我們可以利用我們對記憶存儲和操縱的理解，從阿爾茨海默病和創傷后應激障礙等毀滅性疾病中解放出來。

　　為什么我們需要睡眠？

　　我們一生中大約有25%到30%的時間用于睡眠。但不要認為這是休閑、懶惰或奢侈。睡眠通過晝夜節律和睡眠驅動等過程誘導，對大多數動物來說具有許多極其重要的角色。睡眠確保大腦的可塑性——它適應不同輸入的能力。有證據表明，睡眠不足會對我們處理當天所學知識的能力產生負面影響，并減少我們對未來事件的回憶。睡眠可能是一種清除腦細胞廢物的方式，與我們的整體健康息息相關。事實上，睡眠影響我們許多核心身體功能，睡眠不足與免疫力受損和高血壓、抑郁癥和癲癇等健康問題的可能性有關。

　　什么是成癮，它又是如何工作的？

　　美國國立衛生研究院將成癮定義為“一種慢性、復發性疾病，其特征是強迫性尋求藥物（或其他物質），盡管有有害后果仍繼續使用，以及大腦中長期的變化。它被認為是一種復雜的大腦障礙和精神疾病。對一種物質或活動的重復使用對我們大腦處理自然抑制、獎勵、自控、學習、記憶和決策的能力有動態影響。美國國立衛生研究院報告稱，成癮的力量很大程度上在于其劫持和損害大腦的能力。多年來，科學已經改變了我們對成癮的看法和處理方式。有許多環境、遺傳和其他生物風險因素在起作用，研究人員開始研究影響成癮發展和進展的遺傳變異。

　　為什么我們會墜入愛河？

　　這是哲學家、人類學家、心理學家和生理學家思考的一個古老問題，我們現在可能更接近于理解我們身體和大腦中產生愛的感覺的機制。我們的求偶欲望和有時對另一個人的依戀從根本上說是由確保物種生存的需求驅動的。研究人員將浪漫愛情分為欲望、吸引和依戀。毫無疑問，激素在其中發揮著巨大的作用。

　　言語如何演變形成，大腦的哪些部分對其進行控制？

　　最流行的理論是，由大腦左半球控制的語言大約在20萬年前發展起來，盡管新的見解表明，它可能早在約2700萬年前就存在于人類和猴子的共同祖先中。但是，語言是如何進化的，以及為什么它集中在左腦中仍然不清楚。

　　除人類以外的其他動物有多聰明？

　　動物在許多方面都非常聰明。它們甚至可以使用工具；例如，一些烏鴉掌握了制作鉤子來抓取食物的能力，并將堅果放在道路上，以便過往車輛拆卸外殼。海豚具有內置的聲納功能和自己的語言，它們非常聰明，甚至被研究人員稱為“非人類的人”。章魚可以快速識別威脅和偽裝，并被觀察到攜帶像椰子殼這樣的物體來作為盔甲，并擰開罐子蓋子來獲取食物。黑猩猩可以說是最聰明的動物，它們可以學習手語，使用和組合符號來表達復雜的觀點。它們具有出色的記憶能力，在某些任務中比人類表現更好。

　　為什么大多數人都是右撇子？

　　據估計，85%-90%的人是右撇子，但這并沒有一個簡單的原因。它可能受到基因、文化和其他遺傳因素的影響，或者這些因素的組合。

　　我們可以治愈神經退行性疾病嗎？

　　神經退行性疾病，即大腦或神經系統的神經細胞失去功能并死亡，會帶來巨大的痛苦。每年有數百萬人經歷這些疾病的疼痛和創傷，其中最常見的是阿爾茨海默病和帕金森病。干預措施可以減輕或緩解癥狀，但不能完全緩解，而且到目前為止，還沒有治愈和完全阻止或逆轉疾病進展的方法。年齡是一個重要的風險因素——隨著年齡的增長，被診斷為神經退行性疾病的可能性呈指數級增加。根據世界衛生組織的數據，神經退行性疾病將在未來二十年內成為第二大常見死因。

　　數十億美元被投入到這個重要研究領域，科學界已經做好了成功的準備：我們關于遺傳學和神經元發病機制的集體知識，結合創新技術，已經導致了令人興奮的發現。例如，我們已經確定了神經退行性疾病之間的特定共性，包括蛋白質錯誤折疊、聚集和包涵體形成。炎癥也是普遍存在的，科學家們將繼續探索這一因素。還有新的證據表明腸道微生物群可能發揮作用。我們還取得了重要的技術進步，使我們能夠比以往任何時候都更清晰地成像大腦和單個細胞。干細胞治療的研究可能會成為未來擺脫神經退行性疾病的基石。

　　有可能預知未來嗎？

　　預測多種復雜系統的模型——從氣候和天氣到經濟和公共衛生——有助于我們理解可能性和概率。我們可以輕松地預測衛星和恒星的位置。那么，先進的智能機器是否可以幫助我們預測未來呢？

　　精神障礙能否有效診斷和治療？

　　精神障礙如抑郁癥、精神分裂癥和焦慮癥是復雜的，經常與其他精神疾病重疊。診斷和治療往往相互依賴，一個干預措施可能具有多種目的，緩解多個癥狀或問題。但是，無法保證一種藥物會對患者的一生有效；其有效性可能會降低或完全消失。此外，藥物反應在個體之間可能存在很大差異。為了解決這種護理中的變異性和脆弱性，臨床精神病學家和心理學家與神經科學家一起研究成功的治療機制，以更好地理解它們的實際作用。

　　這125個科學問題如下：

　　數學

　　1、什么使素數如此特別？

　　2、納維爾-斯托克斯問題會得到解決嗎？

　　3、黎曼猜想是真的嗎？

　　化學

　　4、還有更多色彩元素可發現嗎？

　　5、元素周期表會完整嗎？

　　6、如何在微觀層面測量界面現象？

　　7、能量儲存的未來是怎樣的？

　　8、為什么生命需要手性？

　　9、我們如何更好地管理世界上的塑料廢物？

　　10、AI會重新定義化學的未來嗎？

　　11、物質如何被編碼而成為生命材料？

　　12、是什么驅動生命系統的復制？

　　醫學與健康

　　13、我們可以預測下一次流行病嗎？

　　14、我們會找到治療感冒的方法嗎？

　　15、我們可以設計何制造出為個人定制的藥物嗎？

　　16、人體組織或器官可以完全再生嗎？

　　17、如何維持和調節免疫穩態？

　　18、中醫的經絡系統有科學依據嗎？

　　19、下一代疫苗將如何生產？

　　20、自閉癥的病因是什么？

　　21、我們能否克服抗生素耐藥性？

　　22、我們的微生物組在健康何疾病中扮演什么角色？

　　23、異種移植能否解決供體器官短缺的問題？

　　生物學

　　24、什么可以幫助保護海洋？

　　25、我們可以阻止自己衰老嗎？

　　26、為什么只有一些細胞會變成其他細胞？

　　27、為什么有些基因組非常大而另一些又非常小？

　　28、有可能治愈所有癌癥嗎？

　　29、哪些基因是我們人類與眾不同？

　　30、遷徙動物如何知道它們要去哪里？

　　31、為什么恐龍長得如此之大？

　　32、地球上有多少物種？

　　33、有機體是如何進化的？

　　34、能否復活滅絕生物？

　　35、遠古人類是否與其他類人祖先雜交？

　　36、人類為什么會對貓狗如此著迷？

　　37、人類的情感源于何處？

　　38、世界人口會無限增長嗎？

　　39、我們為什么會停止生長？

　　40、人類可以冬眠嗎？

　　41、未來人類的外貌會有所不同嗎？

　　42、為什么會發生物中大爆發和大滅絕？

　　43、基因組編輯將如何用于治療疾病？

　　44、可以人工合成細胞嗎？

　　45、細胞內的生物分子是如何組織從而有序有效發揮作用的？

　　天文學

　　46、空間中有多少個維度？

　　47、宇宙的形狀是怎樣的？

　　48、大爆炸從何處開始？

　　49、為什么行星的軌道不衰減并導致它們相互碰撞？

　　50、宇宙何時消亡？它會繼續膨脹嗎？

　　51、我們有可能在另一個星球上長期居住嗎？

　　52、為什么存在黑洞？

　　53、宇宙是由什么構成的？

　　54、宇宙射線的起源是什么？

　　55、我們是宇宙中唯一的生命嗎？

　　56、物質的起源是什么？

　　57、時空的最小尺度是什么？

　　58、水是宇宙中所有生命所必需的么，還是只對地球生命？

　　59、是什么阻止了人類進行深空探索？

　　60、愛因斯坦的廣義相對論是正確的嗎？

　　61、脈沖星是如何形成的？

　　62、我們的銀河系特別嗎？

　　63、深層生物圈的規模、組成和意義是什么？

　　64、人類有一天會不得不離開地球嗎（還是會在嘗試中死去）？

　　65、宇宙中的重元素來自何處？

　　66、有可能了解致密恒星和物質的結構嗎？

　　67、高能宇宙中微子的起源是什么？

　　68、什么是重力？

　　物理學

　　69、有衍射極限嗎？

　　70、高溫超導的微觀機理是什么？

　　71、物質傳熱的極限是什么？

　　72、集體運動的基本原理是什么？

　　73、什么是物質的最小組成部分？

　　74、我們會以光速行駛嗎？

　　75、什么是量子不確定性，什么它很重要？

　　76、會有“萬有理論”嗎？

　　77、為什么時間似乎只朝一個方向流動？

　　78、什么是暗物質？

　　79、我們可以制作出真人大小的隱形斗篷嗎？

　　80、是否存在與光子性質或狀態相反的粒子？