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神经科学研究近年来取得的飞速进展令人欢欣鼓舞，但这门学科又面临重大的挑战。本文作者立足于对该领域深入了解，提出了自己的洞见。 | 作者：杨雄里 近半个世纪以来，由于科学家的不懈努力，神经科学研究取得了飞速发展。阐明脑功能以及脑运行机制的新发现不断涌现，新成果接踵而至，新观点层出不穷，深刻地改变了人们对脑工作原理的认识。我本人是在1960 年代初期进入这个领域的，那时正值神经科学作为一门综合性的学科而崛起之前夜，因而有幸见证了这半个世纪当中神经科学领域所发生的革命性变化。借此机会，打算就神经科学的发展现况与前景，谈谈个人的一点思考。 脑功能研究的进展 神经科学在近半个世纪的探索中，应用了各种形态学技术和电生理技术，尤其在1960 年代以后，应用了新兴细胞生物学和分子生物学所提供的新方法，对于在微观层面（细胞和分子水平）上神经活动的基本过程有了相当清楚的认识。与此相关的问题包括：神经细胞的电活动是怎么产生的？何种形态的神经细胞产生怎样的电活动？电信号在神经细胞之间如何经突触进行传递，在突触前和突触后又发生了什么？电信号在通过突触进行传递的过程中如何被调制？神经科学对于在脑的若干重大疾病过程中，在细胞和分子层面上所发生的变化，也有了相当深入的了解。在宏观层面上，无创伤脑成像技术使得科学家能够在无创情况下研究脑不同分区大群神经元的总体活动及其动态变化。在微观和宏观两方面都取得了飞速发展，这两个方面的研究互相推动、互相促进，促成了人们对脑和神经系统工作原理与运行机制的认识深化。 不同层面的研究 在微观层面上的研究（左上），揭示细节，但忽略了整体（左下）；在宏观层面上的研究( 右上)，产生的是细节模糊的整体画面（右下）。 科学家在为已经取得的研究进展而欢欣鼓舞的同时，又清醒地意识到，对脑功能的认识还存在相当多的不足之处。目前的研究要么聚焦在单个神经细胞或少数几个神经细胞所组成的神经回路上，要么应用无创伤脑成像技术对大群神经细胞的活动进行分析，而由于目前脑成像技术仅具备有限的空间和时间分辨率，故对神经细胞集群中各组成单元的活动几乎一无所知或所知甚少。可以做这样一个比喻，聚焦于单个神经细胞或由几个神经细胞所组成神经回路的研究，就好似从近距离看像素很高的图片，可以看清楚很多细节，却忽略了整个画面；而应用无创伤脑成像技术对大群神经细胞的研究，因为只具备有限的空间分辨率，所以得到的是一个细节模糊的整体画面。在宏观与微观层面之间的介观层面（mesoscopic level）上，科学家的了解还相当有限[1]。 众所周知，神经系统的基本组成单元是神经元（即神经细胞），但神经元在神经系统中并不是孤立存在的，而且单个神经元无法实施神经系统的功能。神经元必须通过突触相互连接所形成的神经回路，才有可能实施某种功能。组成神经回路的细胞数，少则几百，多则上万，甚至上百万。这就提出了一个问题：大群神经元的活动是如何动态地进行组合、编码、加工，最终实现其功能的呢？以音乐作为类比，所有音乐均由音符组成，单个音符没有什么特别的涵义，但是作曲家把不同的音符通过一定的规律组合起来，形成旋律，这样创作的音乐可以表达喜悦、哀伤等情绪，让人产生恢宏、华丽等感受。正是不同的旋律，使柴可夫斯基的交响乐不同于贝多芬的交响乐。再来看神经回路，其组成的每个神经元所产生的单个神经信号相当于乐曲里的单个音符，这些单个的音符其实没有什么特定的意义。毋宁说，大群神经元此起彼伏的音符所产生的动态活动模式（pattern，相当于音乐中的旋律），才对实施神经系统的功能具有关键意义。遗憾的是，我们现在若要对组成回路的大群神经元活动进行同时记录，仍缺乏有效的手段。 面对这种现况，科学家将致力于研发分辨率高得多的成像技术，从而有可能同时对大群神经元的活动进行卓有成效的分析。这样一些技术必然是与纳米技术、电子探针等新技术紧密结合在一起的。如果把应用这些技术的同时记录与动物行为挂起钩来，进而把对动物的研究扩展到对人的研究，就有可能使科学家在探索脑的奥秘过程中，不断跨越沟壑，向前推进。以此为主要目标的美国脑研究计划中有一句生动的口号：“记录神经回路中每个神经元的每个动作电位（Recording every spike from every neuron in a circuit）。”对此各位一定记忆犹新，因为这句口号在中国的报刊上曾被大肆渲染过。不过在我看来，同时记录大群神经细胞的反应固然是重要的，但要记录每一个神经元的每一个动作电位，既不必要，也不可能。有关这方面的讨论可以参阅我的有关论文[2]。重要的仍然是找出实现机体功能的神经回路活动的模式。 米勒-莱尔错觉 对神经科学前景的思考 从1950年代起，在细胞和分子层面上对神经系统的研究长久占据着主导地位。今后在这个层面上的研究无疑将继续向前推进。当然还将留下许多“硬骨头”继续挑战我们的智慧。例如，为何哺乳动物的中枢神经系统不能再生？但是，或许可以这么说：对这一类型的研究走向何方，我们在一定程度上已经能够把握，并且可以大致预测将得到什么。而在脑的高级功能，特别是复杂高级功能的研究方面，情况完全不同，我们甚至很难想象将来会展现何种新面貌，就像我们在揭示基因对于生理功能的重要作用之前所曾经处于的情景。在我看来，正因为如此，最有显著意义的进展可能会发生在对脑的高级功能的认识上。 追溯科学的历史，在相当长时间内，所谓的心—脑二元论（mind-brain dualism）曾经长期占据着统治地位，从柏拉图（Plato）到笛卡尔（Rene Descartes）都认为身体（body）和心智（mind）是分离的，也就是说，他们不认为精神活动是大脑神经系统活动的产物。这样的观点甚至在1980年代依然流行，一个突出的标志是奥地利科学哲学家波普尔（Karl Popper）和诺贝尔生理学或医学奖得主、澳大利亚神经生理学家埃克尔斯（John Carew Eccles）两人支持这种生命的二元论。他们在《自我及其大脑》（The Self and Its Brain）这本书中详细阐述了自己的观点，有兴趣的读者可以参阅。现在，绝大多数科学家都认为精神活动的物质基础是大脑的神经活动。 刚才我已经谈了应用功能性磁共振成像技术对脑高级活动的研究，在这方面还可以举一个生动的例子。打牌时，如果我手上的牌有梅花5，但是我谎称没有，我的左前额叶皮层和扣带皮层两个脑区会异常活跃。我以此例想要说明的是，对于一些人们原来认为很难研究的问题（如说谎），科学家现在已经开始有可能研究了。不过还要清醒地意识到，对于脑的高级功能，目前认识到的还只是冰山一角，而这方面的研究不仅有科学上的意义，还涉及深刻的哲学思考。有一个大家熟悉的视错觉——米勒—莱尔错觉（Müller-Lyer illusion）。在加上透视背景之后，观察者强烈地把两根等长线段感知为不等长[3]。这个例子清楚地表明，我们所见到的和感知的，未必是客观世界的真实映像。迄今为止对视觉的研究强烈提示，在进行视觉感知时，大脑中存在一种主动的视觉过程，而不是单纯地对视网膜上的映像进行解码。这就是说，人的神经系统在长期进化过程中会形成一个模板，这个模板对感知对象进行解读，而这种解读反映了主观与客观之间的交互作用。这样一类神经科学的探讨，无疑将有助于深化和发展现有的哲学观点。 大脑活动升华为精神活动后产生的现象 其所遵循的规律可能不同于物质世界运动的规律。 关于脑的高级功能，还有更多有待进一步探讨的问题。我们都相信，精神活动是由大脑神经系统的活动所产生的，但是当大脑活动升华为精神活动时，会产生一些与物质世界运动不同的现象，对这样一些现象需要运用不同的技术、不同的观点、不同的理论来加以分析。以做梦为例，科学家现在可以通过检测快速眼动（rapid eye movement, REM）脑电波，知道睡眠者正在做梦。但除了倾听做梦者的主诉，或者通过他在做梦过程中所说的梦呓以外，难道还有什么客观手段来了解睡眠者在做什么梦吗？有一句常用的口头禅：“谁知道他在想什么！”就梦而言，可以说：“谁知道他在做什么梦？”迄今为止，这样说基本上还是对的。弗洛伊德（Sigmund Freud）在《梦的解析》（The Interpretation of Dreams）中曾说：“对梦的本质了解以及对其不可思议性提供客观上的了解，科学为此能够做的，如果不是说一点都没有，也只能说是微乎其微。”时至今日，这番话仍然符合实际情况。前几年放映过一部美国科幻电影《盗梦空间》，媒体上对盗梦是否可能曾进行过不少讨论。在我看来，在可以预见的将来，这只是科学上的幻想。理由很简单：既然我们对别人做什么梦都不知道，我们又如何去盗梦呢？神经科学已经取得了飞速的发展，但是我们一定不能对神经科学已经取得的成就及今后的发展估计过高，对脑的高级功能的复杂性必须有足够充分的认识。 我最近重读了坎德尔（Eric Richard Kandel）的《寻找记忆的痕迹》（In Search of Memory）一书。坎德尔是2000年诺贝尔生理学或医学奖的得主，早年受过严格的精神科医师训练，但是在1965年，他毅然决然地转到从细胞和分子水平上对学习和记忆进行研究，并用细胞和分子生物学的语言，很好地解释了学习和记忆的一些基本过程。在2000年12月10日诺贝尔奖授奖仪式结束后的午餐会上，坎德尔做了一个精彩的发言。他讲述道，21世纪对于心智的研究，堪比20世纪对基因的研究。他最后说道：“心智的生物学研究并不只是前景远大的自然科学探索，也是一种重要的人文方面的追求；它架设起自然科学和人文科学之间的桥梁，这是一个新的整合，其成果将不仅使我们更好地认识神经、精神疾患，也将加深我们对自身的了解。”[4] 恩格斯（Friedrich von Engels）在《反杜林论》（Anti-Dühring）中曾精辟论述了相对真理与绝对真理的关系。我们在每一个时期不断地探索和认识关于脑的相对真理，但脑的奥秘是一个绝对真理，我们不可能穷尽这个绝对真理。直言之，我们不能指望有一天能宣布脑的奥秘已经大白于天下。科学家能够做的、也应该能做到的，就是用坚韧不拔的持续努力，逐渐去逼近这个绝对真理。探究脑的奥秘是一条漫长的道路，我们将不断上下求索。 （本文是作者在第二军医大学“神经科学进展”研讨会上的发言，编辑做了少量文字处理，并经作者审定同意发表。） 杨雄里：研究员，中国科学院院士，复旦大学脑科学研究院，上海200032。xlyang@fudan.edu.cn Yang Xiongli: Research Professor, Member of CAS, Institutes of Brain Science, Fudan University, Shanghai 200032.
关键词：神经科学 大脑 神经细胞 心智 ■ 本文刊载于《科学》杂志2017年第1期。 相关阅读 杨雄里院士：为中国脑计划呐喊！ 以阐明脑和神经系统工作原理和运行机制为目标的脑科学（神经科学）最近掀起新的高潮。美国、欧盟、日本等相继推出了各自的脑计划。鉴于脑科学在整个自然科学领域中的前沿地位和重要性，以及经济、社会发展对这个学科的重大需求，中国神经科学家们以不遑多让的历史使命感，大力呼吁推出我国自己的脑计划，通过我国脑科学研究的跨越式发展，回应西方发达国家在这一领域的强势出击。 两年来，在有关部门的领导下，中国脑计划的筹划工作沿着一条基本正确的轨道不断往前推进。作为一项重大的系统工程，脑科学涉及可观的经费以及众多的部门，必须经过严格的论证，慎之又慎，这是完全可以理解的。但是，形势逼人 ，我们又需要有强烈的紧迫感，在紧锣密鼓声中，加快我们的步伐。笔者作为近二年我国脑计划筹划工作的部分参与者，谨就此项工作的推进提出如下建议，供有关部门参考。 当前的第一要务是，建立“中国脑计划”的强有力的领导核心。这个领导集体应该具有把握脑科学发展全局的能力，应该对中国脑科学研究现状了如指掌，并具有组织、领导大科学项目的丰富经验，应该具有海纳百川、集思广益、从善如流的宽广胸怀，摒除以邻为壑的门户之见，以只争朝夕的精神，组织全国相关领域的优秀专家，特别是中青年专家，在民主、和谐的气氛下，努力形成一个有前景、有内涵、有特色、可操作的我国脑计划。没有这样的领导核心，很难想象这项工作会卓有成效地向前推进。 需要指出的是，在过去相当长一段时间内，研讨的重点是，论证脑科学研究的重要性，以确保此项目得以成功立项，这当然是绝对必要的。项目的研究方向基本上是确定的，即以认识脑认知原理（认识脑）为主体，以类脑计算与脑机智能（模仿脑）和脑重大疾病诊治（保护脑）为两翼，但是对具体的研究内容和研究目标乃至项目的组织，实施方式的细致研讨还急待深入。 以基础研究为例，解析实施脑认知功能的神经环路（由神经细胞经特殊的连接点 —突触所形成，是脑的基本功能单元）的运转机制，是公认的科学前沿的关键问题。但是，以解析脑实施何种功能的神经环路为对象，凝练什么科学问题，则需要充分考虑到我国的特点，如我国的研究基础、研究队伍，已有成果的积累，以及是否独特的思路等多种因素，形成我国的特色，这样才有可能在有限的人力、物力支持下，在较短时间内形成优势，从而在激烈的竞争中抢占先机。 在临床相关问题的研究方面，我国具有的突出优势是，拥有最广大的各种神经系统疾患的患者群，这为形成种类齐全、资料完整的样本库，推进研究走向国际前列提供了重要的基础；毋庸置疑，安排研究的重点必须考虑相关疾病在我国的发病率和特点。在类脑人工智能研究方面，则必须紧密联系产业发展、转型的重大需求，从而在创新驱动经济发展、社会进步的进程中起到更重要的作用。 在筹划“中国脑计划”的过程中，我们还需要考虑如何保持我国脑科学研究的可持续发展。近 20年来，在各项科技计划支持下，我国在这一领域的进步是有目共睹的，我们的研究队伍正逐渐壮大，水平不断提高，但是与西方发达国家相比，整体研究水平差距不小；由于研究创新和引领性的内容不多，国际影响力和带动力不强。要改变这种状况，就需要我们对其发展作长远的谋划，以持续前进的步伐，来实现我国脑科学研究的跨越式发展。 此外，脑科学的内涵决定其研究进程的长期性。脑的高级功能是一种涉及大群神经细胞活动及相互作用的动态过程，这种过程会因内、外环境的变化而显现出极其复杂的、多维度的改变，其后果是脑活动强烈的不确定性，这不仅给实验研究带来许多困难，也意味着脑高级活动遵循的规律并不完全与物质世界运动的规律相同，需要从不同的视角，运用不同的实验手段去进行探索，这显然不是一蹴而就的过程。对应于脑科学的这一特点，“中国脑计划 ”需要努力作好安排，采取各种必要的措施，保证我国这一领域在研究方向和研究团队方面的可持续发展。 |
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