神經(jīng)科學(xué)的發(fā)展與科技革命

1、神經(jīng)科學(xué)的發(fā)展與科技革命    摘要:本文論述了在科技革命的推動(dòng)下神經(jīng)科學(xué)的發(fā)展過程及研究熱點(diǎn),并對(duì)目前的神經(jīng)科學(xué)未來發(fā)展進(jìn)行了展望:科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步促進(jìn)了神經(jīng)科學(xué)的研究深入,神經(jīng)科學(xué)的研究成果也將成為下一輪新科技革命的源泉和動(dòng)力。 關(guān)鍵詞:神經(jīng)科學(xué);腦研究;科技革命 中圖分類號(hào):Q988 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 神經(jīng)科學(xué)(或腦科學(xué))的迅速崛起是20世紀(jì)末30年內(nèi)自然科學(xué)發(fā)展中的重大事件。由于神經(jīng)系統(tǒng)尤其是腦功能的重要性和復(fù)雜性,人們對(duì)其展開了多學(xué)科、多層次的研究,其最終目的是從不同層次闡明神經(jīng)系統(tǒng)如何控制機(jī)體的各種行為,包括從分子、細(xì)胞、網(wǎng)絡(luò)、神經(jīng)回路和全腦水平

2、進(jìn)行研究,分析神經(jīng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能,揭示各種神經(jīng)活動(dòng)的基本規(guī)律,闡明腦的基本工作原理,這是現(xiàn)代神經(jīng)科學(xué)的基本目標(biāo),在此研究層次的基礎(chǔ)之上,進(jìn)一步闡明神經(jīng)系統(tǒng)疾患的病因、機(jī)制,預(yù)防和治療神經(jīng)系統(tǒng)疾病。隨著傳染性疾病得到有效的控制,腦疾病的重要性逐步上升,特別是隨著社會(huì)節(jié)奏的加快,由于精神緊張、焦慮、應(yīng)激而產(chǎn)生的神經(jīng)官能癥和身心疾病日益增多;隨著交通和建筑業(yè)的發(fā)展,顱腦和脊柱外傷不斷增加;隨著人口預(yù)期壽命的不斷延長(zhǎng),老年退變性疾病(老年癡呆,帕金森病等)的發(fā)病率日益上升,醫(yī)療費(fèi)用和社會(huì)負(fù)擔(dān)逐漸加重等。因此,防治神經(jīng)系統(tǒng)疾病的研究已刻不容緩。與此同時(shí)還有必要進(jìn)一步開發(fā)人腦的潛力,增強(qiáng)智能,模擬腦的工

3、作原理,設(shè)計(jì)制造新型的智能電腦。作為神經(jīng)科學(xué)主體的腦科學(xué)的研究已經(jīng)成為生命科學(xué)中發(fā)展最迅速的前沿學(xué)科之一,而歸根結(jié)底,神經(jīng)科學(xué)研究的飛速發(fā)展與科技革命的形成及科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步是密不可分的。 1 神經(jīng)科學(xué)研究的發(fā)展 腦科學(xué)的近代發(fā)展始于一百多年前。高爾基、卡哈爾等人發(fā)明的神經(jīng)元染色技術(shù),使人類第一次認(rèn)識(shí)到神經(jīng)元是大腦工作的基本結(jié)構(gòu)和功能單位。這一歷史性的研究工作使高爾基和卡哈爾獲得了1905年的諾貝爾獎(jiǎng),并由此開創(chuàng)了現(xiàn)代腦科學(xué)研究。在20世紀(jì)30年代,霍奇金(Alan Hodgkin)等應(yīng)用神經(jīng)元單電極記錄技術(shù),進(jìn)行了一系列經(jīng)典電生理學(xué)研究工作,發(fā)現(xiàn)了神經(jīng)動(dòng)作電位。由于這一發(fā)現(xiàn)在腦科學(xué)研究上的劃時(shí)

4、代意義,霍奇金等科學(xué)家獲得了1963年的諾貝爾獎(jiǎng)。 到了20世紀(jì)80年代,隨著細(xì)胞生物學(xué)的發(fā)展和分子生物學(xué)的崛起,神經(jīng)科學(xué)家們正努力把對(duì)神經(jīng)活動(dòng)機(jī)制的研究迅速推向細(xì)胞和分子水平,從而促使神經(jīng)科學(xué)發(fā)生了一場(chǎng)革命性的變化。微電極細(xì)胞內(nèi)記錄和染色技術(shù)在單個(gè)神經(jīng)元上把功能和結(jié)構(gòu)緊密聯(lián)系起來,同時(shí)也大大地推動(dòng)了對(duì)神經(jīng)元之間聯(lián)系模式的了解。由于免疫組織化學(xué)方法的應(yīng)用,又有可能把神經(jīng)元的功能與其神經(jīng)遞質(zhì)的分析融為一體。組織培養(yǎng)、細(xì)胞培養(yǎng),以及組織薄片方法,使人們能把復(fù)雜的神經(jīng)元回路還原成簡(jiǎn)單的單元進(jìn)行分析。新的電生理技術(shù)(膜片鉗位技術(shù))和分子生物學(xué)方法(重組DNA技術(shù)等)使我們對(duì)神經(jīng)信號(hào)發(fā)生、傳遞的基本單元

5、離子通道的結(jié)構(gòu)、功能特性及運(yùn)轉(zhuǎn)方式的認(rèn)識(shí)完全改觀。對(duì)突觸部位所發(fā)生的細(xì)胞和分子事件,如神經(jīng)遞質(zhì)的合成、維持、釋放及與受體的相互作用的研究都取得了令人矚目的進(jìn)展。對(duì)神經(jīng)元和神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育的分子機(jī)制的研究也有長(zhǎng)足的進(jìn)展。在腦的高級(jí)功能方面,研究也已深人到細(xì)胞和分子水平。 雖然腦科學(xué)的研究在這方面已經(jīng)取得了許多進(jìn)展,但由于其研究主要在離體腦片及神經(jīng)細(xì)胞培養(yǎng)下進(jìn)行,不能直接對(duì)清醒動(dòng)物大腦的認(rèn)知功能,如學(xué)習(xí)、記憶、思維、意識(shí)等進(jìn)行多層次、整合性的研究。而近10余年來,出現(xiàn)了不少新技術(shù)、新思想和新成果,逐漸彌補(bǔ)了這一缺陷,如正電子發(fā)射斷層掃描術(shù)(PET),為在無創(chuàng)傷條件下分析神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)的化學(xué)變化及其神經(jīng)活動(dòng)

6、或行為的相關(guān)性,提供了重要手段;其它一些腦的成像技術(shù),如功能性核磁共振成像術(shù)(fMRI)、核磁共振譜術(shù)(MRS)和單光子發(fā)射計(jì)算機(jī)掃描術(shù)(SPECT)等技術(shù)也都有了較大的發(fā)展,為在整體水平上研究腦功能提供了關(guān)鍵技術(shù),也使得在正常狀態(tài)下整體研究腦的高級(jí)功能活動(dòng)成為可能。高級(jí)腦功能的研究如感覺信息加工、學(xué)習(xí)與記憶的機(jī)理、語言文字的理解等方面也都取得了重大進(jìn)展。 2 腦科學(xué)與智能革命 腦研究的中心問題是闡明腦神經(jīng)回路的組織結(jié)構(gòu)和神經(jīng)信息的處理機(jī)制,進(jìn)而闡明腦的工作原理。腦和感官對(duì)信息接收、加工和儲(chǔ)存方面研究的突破必將推動(dòng)信息科學(xué)和技術(shù)的進(jìn)展,從而導(dǎo)致計(jì)算機(jī)、人工智能和智能機(jī)器人等高技術(shù)領(lǐng)域的革命性變

7、化。 人腦是由上千億細(xì)胞組成,結(jié)構(gòu)和功能無比復(fù)雜的超巨系統(tǒng),可能存在完全不同于現(xiàn)有計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理。未來的腦科學(xué)將加強(qiáng)與行為科學(xué)、認(rèn)知科學(xué)和信息科學(xué)的聯(lián)系。腦科學(xué)與信息科學(xué)及技術(shù)的結(jié)合將引起腦為中心的科技革命智能革命。在當(dāng)代的高新技術(shù)中,計(jì)算機(jī)技術(shù)和生物技術(shù)是兩大主力。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)集中了腦科學(xué)的精粹,并且還是計(jì)算機(jī)技術(shù)和現(xiàn)代生物技術(shù)雜交生成的寵兒。隨著神經(jīng)生物學(xué)的發(fā)展,在生物學(xué)、技術(shù)科學(xué)和社會(huì)科學(xué)的交叉領(lǐng)域中,認(rèn)知科學(xué)和行為科學(xué)正在崛起。認(rèn)知科學(xué)對(duì)人類智能和機(jī)器智能的研究將大大增強(qiáng)人類智能,認(rèn)知科學(xué)的出現(xiàn)表明在人腦高級(jí)功能活動(dòng)(精神現(xiàn)象)研究方面已不再停留在內(nèi)省和思辨上,而是開始建立嚴(yán)

8、格實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上的科學(xué)研究?？茖W(xué)研究開始進(jìn)入精神世界,這對(duì)于人類思維發(fā)展的影響將是無比深遠(yuǎn)的。行為科學(xué)是研究在自然和社會(huì)環(huán)境中人的行為的學(xué)科群,人腦細(xì)胞如何指導(dǎo)行為是未來生物學(xué)中富有發(fā)展?jié)摿Φ念I(lǐng)域之一。今后幾十年內(nèi),行為科學(xué)將可能在行為的神經(jīng)生物學(xué)基礎(chǔ),以及人的智力、性格和行為模式的遺傳基礎(chǔ),認(rèn)知過程的心理機(jī)制等方面取得重大突破,這無疑促進(jìn)人的學(xué)習(xí)能力的開發(fā)。另一方面,人機(jī)關(guān)系、計(jì)算機(jī)和機(jī)器人人行為的研究也將取得重大進(jìn)展。行為科學(xué)和技術(shù)科學(xué)的結(jié)合也將更為密切,一方面將人的特性“物化”,創(chuàng)造更高水平的“智能機(jī)器人”,另一方面使人更加適應(yīng)高技術(shù)社會(huì)的要求,使人機(jī)關(guān)系更為統(tǒng)一,這對(duì)于未來“智能產(chǎn)業(yè)”的發(fā)

9、展至關(guān)重要。 3 神經(jīng)科學(xué)展望 神經(jīng)科學(xué)已經(jīng)走過了其發(fā)展的早期階段,開始走向成熟,“腦的十年”中已經(jīng)取得了巨大的成就。神經(jīng)科學(xué)的發(fā)展是如此之快,可以預(yù)料在未來幾十年內(nèi),隨著第四次科技革命的深入,腦科學(xué)還將在各方面取得更大的突破。    3.1 不斷揭示新的神經(jīng)調(diào)制方式 在神經(jīng)系統(tǒng)的活動(dòng)中存在著一些具有普遍意義的基本過程,包括神經(jīng)信號(hào)的發(fā)生、轉(zhuǎn)導(dǎo)、傳導(dǎo)、及突觸傳遞等。在離子通道方面,將會(huì)發(fā)現(xiàn)更多的新通道或通道的亞型,確定更多通道的氨基酸序列以及內(nèi)含子與外顯子的界線,從而推出通道類型間的自然進(jìn)化關(guān)系,形成通道的分類模式,并揭示通道類型間的家族關(guān)系。對(duì)于神經(jīng)遞

10、質(zhì)存貯、保持、釋放、調(diào)節(jié)過程目前已經(jīng)有了一幅概圖,其中的一些精細(xì)過程將得以清楚地闡明。由于在腦中所有的信息處理均涉及突觸,神經(jīng)遞質(zhì)受體的分子特性、遞質(zhì)和受體的相互作用無疑將在腦科學(xué)中占有關(guān)鍵的地位,對(duì)由G蛋白偶合的第二信使級(jí)聯(lián)反應(yīng)所介導(dǎo)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)方式及其在腦功能中的作用的研究會(huì)有重要的拓展。 人們將不斷揭示新的神經(jīng)調(diào)制方式,對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)控制其自身特性方式的多樣性形成更完整的認(rèn)識(shí)。這些研究所具有的潛在的應(yīng)用價(jià)值將會(huì)更充分、更明顯地表現(xiàn)出來。例如,神經(jīng)遞質(zhì)之間的關(guān)系,以及它們?nèi)绾稳〉闷胶?顯然是一個(gè)重要的理論問題,而這種平衡正是保障腦和機(jī)體正常功能的基礎(chǔ)。一旦我們對(duì)這一問題有更深刻的了解,并且對(duì)失衡

11、所造成的影響有更細(xì)致的分析,人們就有可能采用新的方式來補(bǔ)充缺少的遞質(zhì)或者減少、阻遏多余的遞質(zhì)所產(chǎn)生的效應(yīng),從而恢復(fù)腦和機(jī)體中固有的平衡。重建這種平衡可能為癲癇、帕金森氏病、舞蹈病、老年性癡呆、精神發(fā)育遲緩、精神分裂癥提供新的有效的治療手段。隨著對(duì)神經(jīng)遞質(zhì)受體的認(rèn)識(shí)不斷深入,以及新的分子生物學(xué)方法的發(fā)展,人們已能克隆受體基因并決定其分子結(jié)構(gòu),這就從原理上為設(shè)計(jì)良好的藥物提供了可能性。   3.2 中樞神經(jīng)的再生繼續(xù)成為熱點(diǎn) 神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育的關(guān)鍵問題之一,是細(xì)胞運(yùn)動(dòng)和誘導(dǎo)信號(hào)的相互作用。應(yīng)用低等動(dòng)物簡(jiǎn)單神經(jīng)系統(tǒng)對(duì)這種相互作用的細(xì)致分析,以及作為其基礎(chǔ)的細(xì)胞間信號(hào)傳導(dǎo)、轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)、基因表達(dá)的研

12、究將繼續(xù)成為研究的重點(diǎn)。對(duì)在發(fā)育過程中神經(jīng)元整合各種分子信號(hào)形成突觸和組成回路的研究將取得重大進(jìn)展,將有更多的神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子被鑒定,相應(yīng)的受體被發(fā)現(xiàn),它們?cè)诎l(fā)育中和成年腦中的作用將逐漸被闡明。這些研究的進(jìn)展將使人們更清楚地認(rèn)識(shí)到,在發(fā)育過程中遺傳突變的表達(dá)如何引起神經(jīng)系統(tǒng)的缺損。 神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)育和再生是同一問題的兩個(gè)側(cè)面。中樞神經(jīng)系統(tǒng)的再生,將繼續(xù)成為研究的熱點(diǎn)。對(duì)于成熟的中樞神經(jīng)系統(tǒng)為何不能再生目前還只有粗淺的了解,因此還只能局限于進(jìn)行實(shí)驗(yàn)性嘗試,去克服妨礙其再生的因子。可以期望在不久的將來,人們對(duì)這一問題的認(rèn)識(shí)會(huì)大大加深,這將為利用腦內(nèi)移植或其他方法成功地促進(jìn)中樞神經(jīng)的再生奠定基礎(chǔ),許多退行

13、性中樞神經(jīng)系統(tǒng)的疾病可望得以緩解或治愈。 3.3 基因研究步伐大大加快 在應(yīng)用分子遺傳學(xué)的方法對(duì)遺傳性神經(jīng)系統(tǒng)疾患的研究方面,已經(jīng)有了良好的開端,若干影響腦正常發(fā)育或產(chǎn)生進(jìn)行性腦變性的缺損基因已經(jīng)被定位或鑒定。迄今為止,所考察過的基因還不過是組成人類基因組(約為4萬個(gè)基因)中的百分之幾,隨著基因組研究的進(jìn)展,這方面進(jìn)展的步伐將會(huì)大大加快。同時(shí),運(yùn)用基因定位技術(shù),有可能追蹤DNA的某種標(biāo)志,以確定是否存在某種特定的基因,并利用這種標(biāo)志在癥狀出現(xiàn)之前就發(fā)現(xiàn)遺傳性疾病。在未來幾十年內(nèi),人們將能預(yù)測(cè)大部分的遺傳性疾病的未來表達(dá)或確定缺損基因的定位,產(chǎn)前診斷和遺傳篩選程序?qū)⒋蟠蠼档湍承┘膊〉陌l(fā)病率。鑒定

14、缺損基因之后,將對(duì)這些基因如何引起病癥的機(jī)制進(jìn)行探索。只有當(dāng)對(duì)致病機(jī)制有深入了解之后,才可能有針對(duì)性地發(fā)展某種藥物或治療方法,防止或阻遏病理性變化。 對(duì)于神經(jīng)性和通訊性(言語和聽覺性)疾患所發(fā)生的神經(jīng)系統(tǒng)變性,將能更早地做出精確的診斷。新的外科技術(shù)和神經(jīng)性修復(fù)術(shù)(助聽器、助視器、人工肢體等)的發(fā)展將進(jìn)一步減輕神經(jīng)系統(tǒng)疾患的嚴(yán)重后果。對(duì)于病毒引起的神經(jīng)系統(tǒng)損傷將發(fā)展出更有效的治療手段。神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)性因子和神經(jīng)干細(xì)胞將為神經(jīng)退行性疾病的治療提供廣闊的前景。對(duì)這些因子的研究,加上遺傳工程的方法,并與腦移植結(jié)合起來,最終導(dǎo)致產(chǎn)生新的治療方法,修復(fù)因事故、中風(fēng)、各種神經(jīng)系統(tǒng)疾病所致的腦損傷。目前,迅速發(fā)展的

15、基因療法可能使某些神經(jīng)性疾患完全被治愈。 3.4 腦的高級(jí)功能研究將產(chǎn)生重大突破 對(duì)于腦的高級(jí)功能,諸如感知、運(yùn)動(dòng)控制、學(xué)習(xí)記憶、情緒、語言、意識(shí)等的認(rèn)識(shí),可能會(huì)取得突破性的進(jìn)展。未來幾十年,人們將創(chuàng)立一系列新方法,包括若干原理上全新的方法,把離子通道、突觸、神經(jīng)元的興奮和抑制等概念與腦的高級(jí)功能溝通起來?，F(xiàn)有的腦成象技術(shù)的時(shí)間、空間分辨能力將大幅度提高,新的無創(chuàng)傷檢測(cè)腦活動(dòng)的技術(shù)將進(jìn)一步發(fā)展起來,在清醒動(dòng)物上,多電極同時(shí)記錄不同腦區(qū)神經(jīng)元的技術(shù)將出現(xiàn)突破,從而更緊密的把神經(jīng)元群體活動(dòng)和高級(jí)功能研究結(jié)合起來。計(jì)算神經(jīng)科學(xué)的發(fā)展將進(jìn)一步揭示腦執(zhí)行各種高級(jí)功能的算法?；谏窠?jīng)生物學(xué)的實(shí)驗(yàn)資料及基于數(shù)學(xué)和物理上的分析的腦高級(jí)功能的模型,有可能在腦科學(xué)中產(chǎn)生重大突破。 參考文獻(xiàn) 1壽天德.神經(jīng)生物學(xué)M.高等教育出版社,2001.