肖静宁:“脑的10年”与神经科学发展的哲学思考

选择字号:   本文共阅读 1321 次 更新时间:2017-10-31 21:39:11

进入专题: 人脑   神经科学  

肖静宁 (进入专栏)  

  

   从世界范围来看,当代科学正把注意的焦点集中到人类自身。揭示大脑的奥秘,解除神经系统疾病的威胁,发展模仿人脑功能的神经计算机是神经科学的宗旨,它关系到人类的未来。真正意义上的神经科学至今才不过30余年(从20世纪中期计,下同。——笔者)的历史,现已成为生命科学中发展最快的领域之一,其势头有如20世纪初期的物理学和50年代的分子生物学。近年来神经科学取得的重大突破以及它正在孕育着的一些新突破,表明神经科学正处在其发展的关键时刻。为此,科学家倡议20世纪90年代为“脑的10年”。本文拟从探讨神经科学与哲学的相互关系出发,对当代神经科学的进展与趋势作一简略述评。

  

   一、20世纪90年代——“脑的10年”

  

   神经科学已走过其早期阶段,正在走向成熟,“已逐渐发展成为一门其内涵所要求的从分子扩展到行为的统一的学科”。[1] 高科技的兴起,多学科的协作,“正在驱使神经科学朝着微观和宏观两极发展”。[2] 科学家敏锐地意识到,必须借助于社会各界的大力支持,才能推动神经科学获得进一步的发展。20世纪80年代后期,美国一些神经科学家就脑研究的重要性穿梭于美国科学学会、政府机关、国会、私人机构之间,与各方人士进行广泛的接触和充分的磋商,结果在1989年形成了一个联合倡议——“命名1990年1月1日开始的10年为脑的10年”,[3]  后来由来自10个州的85名议员联合提案,获美国国会一致通过。美国国会首次对一个具体科学领域作出长达10年的决议,这本身就是对脑研究重要性的非同寻常的肯定。1989年7月25日,布什总统签署了这一法案。国际脑研究组织(IBRO)欢迎“脑的10年”的倡议,并力促使之成为全球性行动。

  

   是什么使科学家的倡议成为政府的决策呢?首先在于提案以大量的事实尖锐地指出了神经系统疾病的严重性及用于这些疾病的治疗的高额费用,充分表明脑研究的重要性与紧迫感。其次,提案令人振奋地概述了当前神经科学前沿的主要成果,展现了神经科学已经达到的水平和进一步发展的现实可能性与广阔的前景。最近25年(指1989以前——笔者)来,已有15位神经科学家荣获诺贝尔生理学或医学奖。神经科学的基础研究与临床应用硕果累累。脑研究中的技术革命已使神经科学家能无损伤地仔细分析深藏在颅腔之中的大脑的活动;数学、物理学、计算机科学、信息科学的发展已使科学家正在成功地设计神经网络和神经计算机。

  

   20世纪90年代以来,美国、英国、苏联、日本等国采取一系列措施使支持“脑的10年”的活动切实开展起来。我国上海、北京、西安、广州的神经科学家对“脑的10年”和发展我国的神经科学表现了巨大的热情,并提出了一些很好的建议。

  

   二、神经科学的前沿与展望

  

   神经科学是一门高度综合的学科。在一系列有重大理论意义和实际应用价值的前沿阵地上,它显示出了其内涵所要求的多层次、多学科共同奉献的特点和令人瞩目的重大进展。下面分七个方面略加勾画。

  

   1.分子神经生物学的崛起是现代神经科学发展的重要趋势

  

   20世纪70年代分子生物学与神经科学相结合产生了分子神经生物学,其任务是在分子水平上阐明神经系统的结构与功能。分子神经生物学与细胞神经生物学密不可分,共同推进神经递质、受体、离子通道这三个主要方向的研究,进展十分显著。分子生物学及其它现代技术,如重组DNA技术、生化分析技术、细胞内记录及各种标记技术、离子单通道技术的应用,使科学家开始有可能阐明神经系统活动的细胞与分子机制,神经科学爆炸性知识更新主要来自这一重要前沿。神经递质、受体、离子通道这三方面的研究又是紧密相连的,统一在突触信息传递、信息处理的过程中,在神经科学的研究中占有中心的地位。这方面的研究,可望在20世纪90年代取得更大的进展。这对于神经系统控制自身特性方式的多样性、复杂性、专一性、可调性将有更完整而深刻的认识,为揭示大脑奥秘提供极其重要的基础知识。

  

   2.神经系统疾病的分子基础研究展现了实际应用的前景

  

   随着神经科学的发展,对于大量严重危害人类身心健康的神经系统疾病已开始分子水平的有效探索,成功地阐明了若干疾病的病因,并初步提出了预防与治疗对策。如神经递质与受体的研究使科学家认识到脑内突触功能的充分协调和顺利进行是正常的复杂神经、精神活动的必须条件。长期对之束手无策的精神分裂症与帕金森氏症则是脑内多巴胺递质系统失衡的极端表现。精神分裂症是脑内多巴胺功能过度亢进所致;而脑内多巴胺枯竭则导致帕金森氏症。据此,基础研究与临床实践相结合,已使这两种疾病的治疗发生了可喜的变化。随着分子神经遗传学的兴起,科学家已开始预测某些遗传疾患的未来表达或确定缺损基因的定位,如困扰人们已久的常见病——老年性痴呆的基因定位已获成功。[4] 今后10年,这个领域前景广阔,将更多地揭示神经、精神疾患的染色体分布及其基因确切的DNA顺序,可望利用基因疗法达到有效的控制。对于受体的研究导致受体概念的更新,有可能设计出安全高效的药物,有选择性地阻断病理性的过度剌激而不影响神经递质的正常功能。

  

   3.视觉信息加工的研究成为揭示大脑奥秘的重要突破口

  

   人脑是世界上最复杂、最有效的天然信息加工系统,视觉信息加工是神经科学中进展最快、最富成果的领域之一。近30年来取得两次重大进展。(1)美国神经科学家休贝尔(Hubel)与韦塞尔(Wiesel)长期合作,一直致力于视觉的脑机制研究,荣获1981年生理学或医学奖。他们发现大脑视觉皮层在处理图像信息时的层次性与选择性。视觉信息加工的基本方式是通过不同形式的感受野对图像信息逐级进行抽提,即在每一水平抛去一些信息,抽提一些更为重要的一些特征信息,并据此把皮层细胞分为简单、复杂、超复杂细胞三类。他们还用2—脱氧葡萄糖法和电压敏感染色技术首先鉴定了视觉皮层的两种功能柱结构[5]。(2)1978年以后,由于采用细胞色素氧化酶染色法,休贝尔等科学家在猴的视觉皮层中首次染出了“斑点”和“色素”,使视觉信息加工再次获得重大进展。看来,猴视觉系统主要分为M和P两个亚系统,分别鉴定图像的空间特性和物理性质。对于视觉信息加工的系统研究,表现中枢视觉系统具有精巧的组件结构,其中既有平行加工,又有串行加工。视觉信息加工后与脑内存储的图像信息相比较而实现图像识别。对视觉信息加工的新认识为发展信息处理和控制技术开辟了新天地,具有广泛的重要的意义。

  

   4.高级脑功能的细胞与分子机制研究有了可喜的新突破

  

   以学习、记忆为例。学习与记忆是脑的不可分割的高级整合功能,是思维的基本环节和智力的显著特征,是神经科学中最令人感兴趣的问题之一。19世纪末西班牙神经形态学家卡哈(Cajal)就曾强调在细胞水平研究精神活动机制的重要性,预言学习是突触迅速增长的结果,智力训练能促进神经侧支的发育。[6] 到了20世纪40年代末,波兰与加拿大心理学家进一步独立发展了卡哈的设想,提出了突触可塑性与学习改变突触效力的重要概念。但是,研究突触可塑性决非易事,这需要深入到微观领域的先进的科学水平与实验条件。

  

   20世纪60年代末期,美国神经生物学家坎德尔(Kandel)大胆采用低等无脊椎动物海兔的极其简单的神经系统作为研究学习、记忆突触机制的天然模型,从而打开了在细胞与分子水平研究学习与记忆的突破口,海兔能完成习惯化与敏感化的极其简单的学习,且其行为效应十分明显。由于采用了多种先进的实验手段,将宏观的行为变更与细胞内生化过程联系起来[7],是极富成效的。它首次阐明了短期记忆与长期记忆在细胞与分子水平上的异同,揭示了学习、记忆突触机制的一些基本规律,为高等动物和人的学习、记忆带来新的启迪。这种研究的前提在于,无论是简单的或复杂的神经系统,其基本组成块料——神经元的结构与功能是相似的。

  

   坎德尔的工作是诱人的。但科学家最关心的是在高等动物的比较复杂的神经系统内能否进行这类研究。1973年英国神经生物学家布利斯 (T.V.P.Bliss) 等终于发现并研究了哺乳动物脑的一个部位——海马上的显著的突触传递效能增强效应,特称之为长时程增强(LTP)[8]。实验发现,特定剌激引起的这种长时程增强效应可长达10小时以上。以后随着研究方法的改进,已观察到持续时间长达几个月的LTP。这一结果引起科学家的高度重视,认为LTP反映在突触水平的信息贮存过程,可能提供一种记忆巩固的机制。对LTP 的研究正成为神经科学的热点,向着分子水平、网络水平、系统水平三个层次迅速发展,为学习、记忆的研究提供现代神经科学的新证据。

  

   5.发育神经生物学是神经科学又一重要研究领域

  

   脑是物质的,又是进化的。从个体发育来看,脑和身体其他部分一起都是来自一个受精卵。神经发育这一极端复杂的事件是对发育生物学的最大挑战。神经系统的特性之一是各神经元群之间的精确而有序的联结。发育神经生物学主要研究神经细胞的分化与神经路线的建立问题,在神经管形成之后,至少经过增殖、移行、集合、轴突生长、膜和代谢发育、细胞死亡、突触发生、突触排除等一系列相互关联的过程。其中,轴突寻找目标的活动及突触的发生和排过程,是科学家最感兴趣也是研究最多的领域。神经元突起、特别是轴突的形成是神经元分化的突出表现,它是按照化学梯度和突触引导两种机制生长的。一系列的分子路标,使轴突精确而有选择性的达到预定的靶细胞,不能有丝毫的差错。表明发育中的脑具有高度自我识别的机制,对脑的自我识别的研究已成为发育神经生物学中最引人注目的和最活跃的领域之一。20世纪70年代中期产生的“单克隆抗体”技术,是免疫学上的一次革命,引起发育神经生物学家极大注意。科学家首先是对神经系统不同类型表面抗原的成功鉴定,从而提供了脑的自我识别的分子基础。

  

   在探索神经系统发育的分子机制中,关于神经生长因子(NGF)的研究是最引人注目的新领域。意大利女科学家Leve-Montalcini 以77岁高龄荣获1986年诺贝尔生理学或医学奖,以表彰她对神经生长因子的杰出研究。她把神经生长因子的研究从外周神经推向中枢,现在已经建立了神经生长因子对“正常脑的发育及其机能的维持可能是至关重要的”[9]新概念。对于神经元发育的分子机制的任何突破性进展均将对神经元变性和再生等重大临床课题产生重大影响,给人类带来福音。

  

尚须指出,脑的发育不完全受遗传控制,显然环境影响也起相当大的作用,特别是易受早期经验的影响。通过对动物脑的发育的研究正在逐步了解神经系统是怎样形成的,(点击此处阅读下一页)

进入 肖静宁 的专栏     进入专题: 人脑   神经科学  

本文责编:川先生
发信站:爱思想(http://www.aisixiang.com),栏目:天益学术 > 哲学 > 科学哲学
本文链接:http://www.aisixiang.com/data/106659.html

16 推荐

在方框中输入电子邮件地址,多个邮件之间用半角逗号(,)分隔。

爱思想(aisixiang.com)网站为公益纯学术网站,旨在推动学术繁荣、塑造社会精神。
凡本网首发及经作者授权但非首发的所有作品,版权归作者本人所有。网络转载请注明作者、出处并保持完整,纸媒转载请经本网或作者本人书面授权。
凡本网注明“来源:XXX(非爱思想网)”的作品,均转载自其它媒体,转载目的在于分享信息、助推思想传播,并不代表本网赞同其观点和对其真实性负责。若作者或版权人不愿被使用,请来函指出,本网即予改正。
Powered by aisixiang.com Copyright © 2018 by aisixiang.com All Rights Reserved 爱思想 京ICP备12007865号 京公网安备11010602120014号.
易康网