肖静宁:从神经科学的发展看实验材料选择的方法论意义

选择字号:   本文共阅读 2347 次 更新时间:2008-11-02 18:55:44

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肖静宁 (进入专栏)  

  

  (肖静宁,女,1934年生,武汉大学哲学系自然辩证法教授,中国生理学会会员。)

  

  神经科学(Neuroscience)是一门高度综合的,坚实的交叉学科,是一门日趋成熟的从分子水平扩展到整体水平的统一的科学。“神经科学是一个较新的术语,第一次以它现在的意义来使用可能是 Rofph W . Gerard在50年代后期”[1]。在过去的30年中,神经科学得到了蓬勃的发展,进入80年代以来,这种发展几呈爆炸之势。由此科学家敏锐地感到神经科学正处在其发展的关键时期,正在孕育一场革命,以迎接揭示大脑奥秘的挑战。80年代后期美国国会通过了科学家的倡议:命名90年代为“脑的10年[2],当前神经科学发展的重要趋势是将研究工作向细胞与分子水平深入,这对于阐明神经活动的本质具有重大的意义。

  

  回顾神经科学走过的道路和取得的重大进展时,有两个显著的特点给人以深刻的印象。首先,作为一门实验科学,对脑和神经系统的研究在很大程度上有赖于研究手段的发展与完善;其次,神经科学的发展,在相当程度上取决于能否找到合适的实验材料来对某个特定问题进行研究。这两个相互联系、相互影响的特点向我们提出了许多值得研究的课题。本文拟通过几个有影响的实例来讨论神经科学发展对选择实验材料的依赖性及其科学方法论意义。

  

  实例分析

  

  1.生物电基础理论研究的突破与枪乌鰂的巨大轴突

  

  生物电是与生命过程相伴随自行产生的一种电现象,是研究活组织与细胞兴奋过程的最直接、最精确的客观指标。由生物电研究发展和完善起来的电生理、微电极技术至今仍是脑研究的柱石,而生物电研究带来的基础理论的重大突破,开创了神经生理学研究的整整一个新时代。

  

  早在两个世纪以前,意大利生理学家Galvani通过简单的生物学效应首次明确提出了动物电的存在,直到1843年,德国生理学家DuBois Reymond才用电流计证实了生物电存在的真实性。本世纪初,德国生理学家Bernstein用比较灵敏的电流计分别考察了活组织在静息与活动时的电位变化,并根据已有的知识于1902年创立了“膜学说”以解释生物电是怎样产生的。他合理地推测活组织表面有一层“特殊临界膜”,该膜两侧带电离子的分布与运动是产生静息电位与动作电位的基本机制。但长期以来,膜学说得不到直接实验证据的支持,其学说中的谬误也长期流传,致使生物电研究陷入长达30余年的停滞不前的困境。

  

  到了30、40年代,随着灵敏的电子学仪器的出现和电极的不断微小化,已使生物电的直接记录有了可能。但要把生物电研究向细胞水平启动却不容易。因为一般神经纤维太细,物质含量极微,使现有实验技巧无能为力。因此,要走出生物电研究的困境,关键在于能否找到一种实验材料,把微电极直接插入神经膜内以测量电位变化,并分析膜内外离子成分的分布与运动的规律。科学方法论告诉我们:“大自然的一种创造一旦为人们所了解,就将比人工设计的一种新仪器能更显著地推动科学的发展”[3]。枪乌鰂的巨大轴突就是最好的例证。1933年,英国生物学家Young通过潜心研究发现海洋软体动物枪乌鰂(Squid)有一条特别粗大的神经,并预示这将为神经冲动的研究提供异常的便利。有意思的是,这种巨大神经实际上是数百个神经节细胞的轴突融合而成的一个透明的管状大神经,可视为单根轴突,它长数百毫米,直径达1毫米,比哺乳动物最粗的神经纤维还粗50倍。这种绝妙的材料真可谓是大自然为研究生物电而专门创造的!

  

  30年代末、40年代初,英国神经生理学家Hodgkin与Huxley首次成功地将刚刚兴起的玻璃微电极(尖端为0.1毫米)无损伤地插入枪乌铡的巨大轴突进行细胞内记录,直接而准确地测量了跨膜电位。发现静息时膜电位一般为负70毫伏,而令人十分惊讶的是,动作膜电位竞有正40毫伏的“超射”。这一下子就造成了Bernstein膜学说的危机,因为膜学说认为动作电位只是静息电位的消失,也就是说动作电位达到顶峰时膜两侧电位差应接近于零,哪里来的“超射”呢?这个新发现如春雷,预示着生物电研究的新突破。Hodgkin学派充分利用这一天然标本,对膜内外离子成分进行微量分析,并动用各种先进的实验手段与数学工具,还创造性地设计了“电压钳位”等方法,以充分测定离子电流的变化。通过这种前所未有的、深入细致的定量研究,获得了大量的有关膜的离子通透性及其影响因素的不朽证据。在实验研究的基础上,Hodgkin学派于50年代初着手创立崭新的生物电学说——“离子学说”,对Berntsein的膜学说进行了重大的修正与补充。

  

  离子学说认为,生物电是一种跨膜电位,其数值是由膜控制下膜两侧的离子运动造成的膜内钾离子(K+)高,膜外钠离子(Na+)高,在不同生理状态下,通过膜的离子类别与数量大不相同。静息膜电位是K+的平衡电位,动作膜电位是由于活动时膜对Na+的通透性增加,致使膜外Na+内流到达一临界值时而形成雪崩式内流,从而造成了超射。这样,离子学说便出色地证实与解释了动作电位的产生。离子学说的实验证据确凿,内容丰富,逻辑严密。数十年来,它经受了许多新的实验事实的检验,在关于可兴奋膜离子机制这一重大基础理论的研究中一直处于领先地位。Hodgkin与Huxley因为这项里程碑式的成果获得了1963年的诺贝尔生理学或医学奖。

  

  2.视觉信息加工研究的突破与鲎的奇特复眼

  

  视觉系统是人们认识客观世界的最重要的感觉系统,人脑获得的信息总量中90%来自视觉器官。视觉信息加工的研究是脑研究中进展最快、最富有成果的领域之一。

  

  上世纪60年代,奥地利物理学家、哲学家Maeh在感觉的分析中首次发现了一种被后人称为“马赫带"的心理生理现象,即人眼有一种倾向,能在照明显著不同的区域之间的边界附近看到亮带或暗带。马赫曾天才地指出这种现象乃是视网膜神经组织功能活动的表现和相互作用的结果。一个世纪以后,美国神经生理学家Hartline终于在细胞水平成功地证明了“马赫带”的存在,并按马赫的预见科学地解开了“马赫带”之谜。这一富有戏剧性的进程是耐人寻味的。

  

  众所周知,人和高等动物的视网膜由成亿的微小视觉细胞组成,要研究视网膜中的相互作用是无从下手的。Hertline的成功正是由于选择鲎(Limulus polyphemus,音hou)作为实验材料。鲎是一种原始而古怪的海洋节肢动物,个大,形态似蟹,又酷似一只马蹄,故也称为马蹄蟹。鲎的最奇特之处在于那一对复眼,复眼是鲎的主要视觉器官。复眼很大,长约2厘米,宽约1厘米,每只眼约由800只小眼组成,小眼也比较大。每个小眼是一个相对独立的结构与功能单位,其神经纤维也比较粗,便于分离和记录其电脉冲。利用鲎的奇特的复眼,Hartline进行了巧妙的实验设计来考察各小眼间的相互作用,从而把视觉信息加工的研究推向细胞水平。Hartline首先用一小束光局限地照射一个中心小眼,引导出一定频率的神经电脉冲。而当扩大光照面积时,Hartline惊奇地发现,该中心小眼的电脉冲频率突然明显下降,且重复性很好。这是一种用已有知识无法解释的现象。据此,Hartline合乎逻辑地推断,中心小眼电脉冲的下降乃是受到周围小眼抑制作用所致。通过进一步的定量分析,提供了各小眼相互抑制的直接证据,并通过组织学考察,找到了这种生理现象的结构基础是视网膜中存在的侧向神经网络。于是,Hartline提出了视觉信息加工的新概念:侧抑制作用。

  

  为阐明鲎眼侧抑制作用的机能意义,研究者精心地设计了新的实验,采用一种巧妙的光照刺激分别考察在排除侧抑制作用与存在侧抑制作用的情况下,鲎的小眼电脉冲发放的特征,并用作图方法表示其差异。结果发现由于侧抑制作用的参与,该小眼电脉冲发放不仅频率改变,而且模式改变,图形上出现了一个最大值与最小值。有意思的是,鲎小眼神经脉冲出现最大值和最小值的地方,也就是马赫在对人的心理生理实验中所看到的视知觉的明带和暗带(马赫带)的地方[4]。这样,Hartline就从细胞水平上成功地证明了马赫带的存在,并用科学概念解释了它的原因,开创了用神经生理学的微观研究阐明宏观生理心理现象的先例。

  

  侧抑制作用的发现把视觉信息加工的研究推向新水平。它揭示了侧抑制作用是视觉信息加工的重要方式,能增强视觉对外界景物的边缘反差与明暗对比,从而有利于模式识别。由于这项突破性成果,Hartline获得了1967年的诺贝尔生理学或医学奖。在同年的获奖演说[5]中,他反复提到选择鲎作为实验动物是一件极大的幸事。

  

  继Hartline对视觉系统最低层次视网膜的信息加工的研究后,科学家已把研究工作逐渐向高层次深入,直到推向视觉皮层的最高中枢,进展令人瞩目。

  

  3.学习与记忆的细胞、分子机制研究的突破与海兔的缩鳃反射

  

  学习与记忆是脑的高级整合功能之一。上世纪末西班牙学者Cajal最先强调在细胞水平研究精神活动的重要性,预言学习过程中神经细胞间的连接(即突触)可能发生了形态学的变化,智力训练可促进神经侧支的发育[6]。半个世纪之后,波兰心理学家Konorski与加拿大心理学家Hebb进一步独立发展了Cajal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[7]。尽管这种设想是合理的,但要付诸实验决非易事。因为高等动物与人脑神经元数目极其庞大,相互连接极其复杂,学习行为十分高超,是无法探讨其学习、记忆的突触机制的。当务之急在于找到一种适宜的实验材料,使学习行为与细胞功能变化联系起来,才能回答学习过程中的突触可塑性问题。

  

  又过了20年,大自然的又一创造——海兔(Aplysia)终于充当了研究学习、记忆突触机制的天然模型。海兔为海洋腹足类软体动物,个大,成熟个体达数公斤,但它的神经系统异常简单,仅有数万个神经细胞,分属于一些神经节中,最令神经科学家感兴趣的是海兔的腹神经节,只有1000余神经元,有的神经元特别大,直径达1毫米,还呈现各种鲜明的颜色便于分辨与命名,更有意思的是,海兔具有特殊的行为效应——缩鳃反射,这是受腹神经节控制韵一种与海兔生命攸关的防御反射。

  

  60年代后期美国神经生物学家Kandel 开始采用海兔作为研究学习、记忆突触机制的突破口,并取得了极大的成功。Kandel发现,象海兔如此低级而简单的动物也能进行有效的学习,即缩鳃反射的习惯化与敏感化。他认为这是两种最简单的学习型式。利用各种先进的实验手段和有关突触传递的新知识,Kandel进行了精心的实验设计。他以缩鳃反射为指标,对海兔的习惯化与敏感化学习进行了严密、系统、深入的研究,将海兔的宏观行为变化与细胞、分子水平的事件结合起来,将细胞间的信息传递与细胞内的生化过程联系起来[8],准确地绘出了行为反应的神经线路图,细致地阐明了习惯化与敏感化学习的细胞、分子水平过程。KandeI的实验清楚地表明,在学习、记忆过程中,突触的使用与突触的功能改变之间存在着一种依存关系,使突触可塑性的设想第一次得到客观实验的支撑。在深入研究的基础上,Kandel试图建立一种系统—细胞—分子的大统一的学习、记忆理论。这实际上是从系统论观点出发,用神经科学家十分熟悉的神经元、突触传递、离子通道等理论来思考学习、记忆的基本机理,这必将大大推动对于人与高等动物的学习、记忆的研究。

  

  方法论思考

  

  如上所述,在神经科学发展的一些重要领域,成功地选择理想的实验材料,对于体现科学家的构思、顺利地实施科学研究方案,充分发挥实验手段的作用并弥补其不足,具有不可低估的重大作用。可以说,这些特殊的实验材料已经与神经科学的重大突破一起载入史册,并给科学方法论的深层思考以启迪。

  

  1.关于模拟实验方法

  

  神经科学的明确目标是了解行为,包括了解人的高级精神活动是怎样通过脑和神经系统实现的。但是,神经科学的知识绝大部分是通过动物实验获得的,从方法学上说,动物实验是一种间接实验方法或模拟实验方法。模拟实验之所以必要,是因为人脑极端复杂,受技术条件的限制,一般无法直接进行实验,同时受社会因素的制约,也不允许对人脑直接实验,一些有限的观察只能在不影响人体健康的条件下进行。模拟实验之所以可能,(点击此处阅读下一页)

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