肖靜寧：從神經(jīng)科學(xué)的發(fā)展看實(shí)驗(yàn)材料選擇的方法論意義

肖靜寧：從神經(jīng)科學(xué)的發(fā)展看實(shí)驗(yàn)材料選擇的方法論意義：

神經(jīng)科學(xué)

實(shí)驗(yàn)材料選擇

方法論

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肖靜寧

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（肖靜寧，女，1934年生，武漢大學(xué)哲學(xué)系自然辯證法教授，中國(guó)生理學(xué)會(huì)會(huì)員。）

神經(jīng)科學(xué)（Neuroscience）是一門(mén)高度綜合的，堅(jiān)實(shí)的交叉學(xué)科，是一門(mén)日趨成熟的從分子水平擴(kuò)展到整體水平的統(tǒng)一的科學(xué)。“神經(jīng)科學(xué)是一個(gè)較新的術(shù)語(yǔ)，第一次以它現(xiàn)在的意義來(lái)使用可能是RofphW.Gerard在50年代后期”[1]。在過(guò)去的30年中，神經(jīng)科學(xué)得到了蓬勃的發(fā)展，進(jìn)入80年代以來(lái)，這種發(fā)展幾呈爆炸之勢(shì)。由此科學(xué)家敏銳地感到神經(jīng)科學(xué)正處在其發(fā)展的關(guān)鍵時(shí)期，正在孕育一場(chǎng)革命，以迎接揭示大腦奧秘的挑戰(zhàn)。80年代后期美國(guó)國(guó)會(huì)通過(guò)了科學(xué)家的倡議：命名90年代為“腦的10年[2]，當(dāng)前神經(jīng)科學(xué)發(fā)展的重要趨勢(shì)是將研究工作向細(xì)胞與分子水平深入，這對(duì)于闡明神經(jīng)活動(dòng)的本質(zhì)具有重大的意義。

回顧神經(jīng)科學(xué)走過(guò)的道路和取得的重大進(jìn)展時(shí)，有兩個(gè)顯著的特點(diǎn)給人以深刻的印象。首先，作為一門(mén)實(shí)驗(yàn)科學(xué)，對(duì)腦和神經(jīng)系統(tǒng)的研究在很大程度上有賴(lài)于研究手段的發(fā)展與完善；其次，神經(jīng)科學(xué)的發(fā)展，在相當(dāng)程度上取決于能否找到合適的實(shí)驗(yàn)材料來(lái)對(duì)某個(gè)特定問(wèn)題進(jìn)行研究。這兩個(gè)相互聯(lián)系、相互影響的特點(diǎn)向我們提出了許多值得研究的課題。本文擬通過(guò)幾個(gè)有影響的實(shí)例來(lái)討論神經(jīng)科學(xué)發(fā)展對(duì)選擇實(shí)驗(yàn)材料的依賴(lài)性及其科學(xué)方法論意義。

實(shí)例分析

1．生物電基礎(chǔ)理論研究的突破與槍烏鰂的巨大軸突

生物電是與生命過(guò)程相伴隨自行產(chǎn)生的一種電現(xiàn)象，是研究活組織與細(xì)胞興奮過(guò)程的最直接、最精確的客觀指標(biāo)。由生物電研究發(fā)展和完善起來(lái)的電生理、微電極技術(shù)至今仍是腦研究的柱石，而生物電研究帶來(lái)的基礎(chǔ)理論的重大突破，開(kāi)創(chuàng)了神經(jīng)生理學(xué)研究的整整一個(gè)新時(shí)代。

早在兩個(gè)世紀(jì)以前，意大利生理學(xué)家Galvani通過(guò)簡(jiǎn)單的生物學(xué)效應(yīng)首次明確提出了動(dòng)物電的存在，直到1843年，德國(guó)生理學(xué)家DuBoisReymond才用電流計(jì)證實(shí)了生物電存在的真實(shí)性。本世紀(jì)初，德國(guó)生理學(xué)家Bernstein用比較靈敏的電流計(jì)分別考察了活組織在靜息與活動(dòng)時(shí)的電位變化，并根據(jù)已有的知識(shí)于1902年創(chuàng)立了“膜學(xué)說(shuō)”以解釋生物電是怎樣產(chǎn)生的。他合理地推測(cè)活組織表面有一層“特殊臨界膜”，該膜兩側(cè)帶電離子的分布與運(yùn)動(dòng)是產(chǎn)生靜息電位與動(dòng)作電位的基本機(jī)制。但長(zhǎng)期以來(lái)，膜學(xué)說(shuō)得不到直接實(shí)驗(yàn)證據(jù)的支持，其學(xué)說(shuō)中的謬誤也長(zhǎng)期流傳，致使生物電研究陷入長(zhǎng)達(dá)30余年的停滯不前的困境。

到了30、40年代，隨著靈敏的電子學(xué)儀器的出現(xiàn)和電極的不斷微小化，已使生物電的直接記錄有了可能。但要把生物電研究向細(xì)胞水平啟動(dòng)卻不容易。因?yàn)橐话闵窠?jīng)纖維太細(xì)，物質(zhì)含量極微，使現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)技巧無(wú)能為力。因此，要走出生物電研究的困境，關(guān)鍵在于能否找到一種實(shí)驗(yàn)材料，把微電極直接插入神經(jīng)膜內(nèi)以測(cè)量電位變化，并分析膜內(nèi)外離子成分的分布與運(yùn)動(dòng)的規(guī)律。科學(xué)方法論告訴我們：“大自然的一種創(chuàng)造一旦為人們所了解，就將比人工設(shè)計(jì)的一種新儀器能更顯著地推動(dòng)科學(xué)的發(fā)展”[3]。槍烏鰂的巨大軸突就是最好的例證。1933年，英國(guó)生物學(xué)家Young通過(guò)潛心研究發(fā)現(xiàn)海洋軟體動(dòng)物槍烏鰂（Squid）有一條特別粗大的神經(jīng)，并預(yù)示這將為神經(jīng)沖動(dòng)的研究提供異常的便利。有意思的是，這種巨大神經(jīng)實(shí)際上是數(shù)百個(gè)神經(jīng)節(jié)細(xì)胞的軸突融合而成的一個(gè)透明的管狀大神經(jīng)，可視為單根軸突，它長(zhǎng)數(shù)百毫米，直徑達(dá)1毫米，比哺乳動(dòng)物最粗的神經(jīng)纖維還粗50倍。這種絕妙的材料真可謂是大自然為研究生物電而專(zhuān)門(mén)創(chuàng)造的！

30年代末、40年代初，英國(guó)神經(jīng)生理學(xué)家Hodgkin與Huxley首次成功地將剛剛興起的玻璃微電極（尖端為0.1毫米）無(wú)損傷地插入槍烏鍘的巨大軸突進(jìn)行細(xì)胞內(nèi)記錄，直接而準(zhǔn)確地測(cè)量了跨膜電位。發(fā)現(xiàn)靜息時(shí)膜電位一般為負(fù)70毫伏，而令人十分驚訝的是，動(dòng)作膜電位競(jìng)有正40毫伏的“超射”。這一下子就造成了Bernstein膜學(xué)說(shuō)的危機(jī)，因?yàn)槟W(xué)說(shuō)認(rèn)為動(dòng)作電位只是靜息電位的消失，也就是說(shuō)動(dòng)作電位達(dá)到頂峰時(shí)膜兩側(cè)電位差應(yīng)接近于零，哪里來(lái)的“超射”呢?這個(gè)新發(fā)現(xiàn)如春雷，預(yù)示著生物電研究的新突破。Hodgkin學(xué)派充分利用這一天然標(biāo)本，對(duì)膜內(nèi)外離子成分進(jìn)行微量分析，并動(dòng)用各種先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)手段與數(shù)學(xué)工具，還創(chuàng)造性地設(shè)計(jì)了“電壓鉗位”等方法，以充分測(cè)定離子電流的變化。通過(guò)這種前所未有的、深入細(xì)致的定量研究，獲得了大量的有關(guān)膜的離子通透性及其影響因素的不朽證據(jù)。在實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，Hodgkin學(xué)派于50年代初著手創(chuàng)立嶄新的生物電學(xué)說(shuō)——“離子學(xué)說(shuō)”，對(duì)Berntsein的膜學(xué)說(shuō)進(jìn)行了重大的修正與補(bǔ)充。

離子學(xué)說(shuō)認(rèn)為，生物電是一種跨膜電位，其數(shù)值是由膜控制下膜兩側(cè)的離子運(yùn)動(dòng)造成的膜內(nèi)鉀離子（K+）高，膜外鈉離子（Na+）高，在不同生理狀態(tài)下，通過(guò)膜的離子類(lèi)別與數(shù)量大不相同。靜息膜電位是K+的平衡電位，動(dòng)作膜電位是由于活動(dòng)時(shí)膜對(duì)Na+的通透性增加，致使膜外Na+內(nèi)流到達(dá)一臨界值時(shí)而形成雪崩式內(nèi)流，從而造成了超射。這樣，離子學(xué)說(shuō)便出色地證實(shí)與解釋了動(dòng)作電位的產(chǎn)生。離子學(xué)說(shuō)的實(shí)驗(yàn)證據(jù)確鑿，內(nèi)容豐富，邏輯嚴(yán)密。數(shù)十年來(lái)，它經(jīng)受了許多新的實(shí)驗(yàn)事實(shí)的檢驗(yàn)，在關(guān)于可興奮膜離子機(jī)制這一重大基礎(chǔ)理論的研究中一直處于領(lǐng)先地位。Hodgkin與Huxley因?yàn)檫@項(xiàng)里程碑式的成果獲得了1963年的諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。

2．視覺(jué)信息加工研究的突破與鱟的奇特復(fù)眼

視覺(jué)系統(tǒng)是人們認(rèn)識(shí)客觀世界的最重要的感覺(jué)系統(tǒng)，人腦獲得的信息總量中90％來(lái)自視覺(jué)器官。視覺(jué)信息加工的研究是腦研究中進(jìn)展最快、最富有成果的領(lǐng)域之一。

上世紀(jì)60年代，奧地利物理學(xué)家、哲學(xué)家Maeh在感覺(jué)的分析中首次發(fā)現(xiàn)了一種被后人稱(chēng)為“馬赫帶"的心理生理現(xiàn)象，即人眼有一種傾向，能在照明顯著不同的區(qū)域之間的邊界附近看到亮帶或暗帶。馬赫曾天才地指出這種現(xiàn)象乃是視網(wǎng)膜神經(jīng)組織功能活動(dòng)的表現(xiàn)和相互作用的結(jié)果。一個(gè)世紀(jì)以后，美國(guó)神經(jīng)生理學(xué)家Hartline終于在細(xì)胞水平成功地證明了“馬赫帶”的存在，并按馬赫的預(yù)見(jiàn)科學(xué)地解開(kāi)了“馬赫帶”之謎。這一富有戲劇性的進(jìn)程是耐人尋味的。

眾所周知，人和高等動(dòng)物的視網(wǎng)膜由成億的微小視覺(jué)細(xì)胞組成，要研究視網(wǎng)膜中的相互作用是無(wú)從下手的。Hertline的成功正是由于選擇鱟（Limuluspolyphemus,音hou）作為實(shí)驗(yàn)材料。鱟是一種原始而古怪的海洋節(jié)肢動(dòng)物，個(gè)大，形態(tài)似蟹，又酷似一只馬蹄，故也稱(chēng)為馬蹄蟹。鱟的最奇特之處在于那一對(duì)復(fù)眼，復(fù)眼是鱟的主要視覺(jué)器官。復(fù)眼很大，長(zhǎng)約2厘米，寬約1厘米，每只眼約由800只小眼組成，小眼也比較大。每個(gè)小眼是一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的結(jié)構(gòu)與功能單位，其神經(jīng)纖維也比較粗，便于分離和記錄其電脈沖。利用鱟的奇特的復(fù)眼，Hartline進(jìn)行了巧妙的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)來(lái)考察各小眼間的相互作用，從而把視覺(jué)信息加工的研究推向細(xì)胞水平。Hartline首先用一小束光局限地照射一個(gè)中心小眼，引導(dǎo)出一定頻率的神經(jīng)電脈沖。而當(dāng)擴(kuò)大光照面積時(shí)，Hartline驚奇地發(fā)現(xiàn)，該中心小眼的電脈沖頻率突然明顯下降，且重復(fù)性很好。這是一種用已有知識(shí)無(wú)法解釋的現(xiàn)象。據(jù)此，Hartline合乎邏輯地推斷，中心小眼電脈沖的下降乃是受到周?chē)⊙垡种谱饔盟?。通過(guò)進(jìn)一步的定量分析，提供了各小眼相互抑制的直接證據(jù)，并通過(guò)組織學(xué)考察，找到了這種生理現(xiàn)象的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)是視網(wǎng)膜中存在的側(cè)向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。于是，Hartline提出了視覺(jué)信息加工的新概念：側(cè)抑制作用。

為闡明鱟眼側(cè)抑制作用的機(jī)能意義，研究者精心地設(shè)計(jì)了新的實(shí)驗(yàn)，采用一種巧妙的光照刺激分別考察在排除側(cè)抑制作用與存在側(cè)抑制作用的情況下，鱟的小眼電脈沖發(fā)放的特征，并用作圖方法表示其差異。結(jié)果發(fā)現(xiàn)由于側(cè)抑制作用的參與，該小眼電脈沖發(fā)放不僅頻率改變，而且模式改變，圖形上出現(xiàn)了一個(gè)最大值與最小值。有意思的是，鱟小眼神經(jīng)脈沖出現(xiàn)最大值和最小值的地方，也就是馬赫在對(duì)人的心理生理實(shí)驗(yàn)中所看到的視知覺(jué)的明帶和暗帶（馬赫帶）的地方[4]。這樣，Hartline就從細(xì)胞水平上成功地證明了馬赫帶的存在，并用科學(xué)概念解釋了它的原因，開(kāi)創(chuàng)了用神經(jīng)生理學(xué)的微觀研究闡明宏觀生理心理現(xiàn)象的先例。

側(cè)抑制作用的發(fā)現(xiàn)把視覺(jué)信息加工的研究推向新水平。它揭示了側(cè)抑制作用是視覺(jué)信息加工的重要方式，能增強(qiáng)視覺(jué)對(duì)外界景物的邊緣反差與明暗對(duì)比，從而有利于模式識(shí)別。由于這項(xiàng)突破性成果，Hartline獲得了1967年的諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。在同年的獲獎(jiǎng)演說(shuō)[5]中，他反復(fù)提到選擇鱟作為實(shí)驗(yàn)動(dòng)物是一件極大的幸事。

繼Hartline對(duì)視覺(jué)系統(tǒng)最低層次視網(wǎng)膜的信息加工的研究后，科學(xué)家已把研究工作逐漸向高層次深入，直到推向視覺(jué)皮層的最高中樞，進(jìn)展令人矚目。

3．學(xué)習(xí)與記憶的細(xì)胞、分子機(jī)制研究的突破與海兔的縮鰓反射

學(xué)習(xí)與記憶是腦的高級(jí)整合功能之一。上世紀(jì)末西班牙學(xué)者Cajal最先強(qiáng)調(diào)在細(xì)胞水平研究精神活動(dòng)的重要性，預(yù)言學(xué)習(xí)過(guò)程中神經(jīng)細(xì)胞間的連接（即突觸）可能發(fā)生了形態(tài)學(xué)的變化，智力訓(xùn)練可促進(jìn)神經(jīng)側(cè)支的發(fā)育[6]。半個(gè)世紀(jì)之后，波蘭心理學(xué)家Konorski與加拿大心理學(xué)家Hebb進(jìn)一步獨(dú)立發(fā)展了Cajal的設(shè)想，提出了突觸可塑性與學(xué)習(xí)改變突觸效力的重要概念[7]。盡管這種設(shè)想是合理的，但要付諸實(shí)驗(yàn)決非易事。因?yàn)楦叩葎?dòng)物與人腦神經(jīng)元數(shù)目極其龐大，相互連接極其復(fù)雜，學(xué)習(xí)行為十分高超，是無(wú)法探討其學(xué)習(xí)、記憶的突觸機(jī)制的。當(dāng)務(wù)之急在于找到一種適宜的實(shí)驗(yàn)材料，使學(xué)習(xí)行為與細(xì)胞功能變化聯(lián)系起來(lái)，才能回答學(xué)習(xí)過(guò)程中的突觸可塑性問(wèn)題。

又過(guò)了20年，大自然的又一創(chuàng)造——海兔（Aplysia）終于充當(dāng)了研究學(xué)習(xí)、記憶突觸機(jī)制的天然模型。海兔為海洋腹足類(lèi)軟體動(dòng)物，個(gè)大，成熟個(gè)體達(dá)數(shù)公斤，但它的神經(jīng)系統(tǒng)異常簡(jiǎn)單，僅有數(shù)萬(wàn)個(gè)神經(jīng)細(xì)胞，分屬于一些神經(jīng)節(jié)中，最令神經(jīng)科學(xué)家感興趣的是海兔的腹神經(jīng)節(jié)，只有1000余神經(jīng)元，有的神經(jīng)元特別大，直徑達(dá)1毫米，還呈現(xiàn)各種鮮明的顏色便于分辨與命名，更有意思的是，海兔具有特殊的行為效應(yīng)——縮鰓反射，這是受腹神經(jīng)節(jié)控制韻一種與海兔生命攸關(guān)的防御反射。

60年代后期美國(guó)神經(jīng)生物學(xué)家Kandel開(kāi)始采用海兔作為研究學(xué)習(xí)、記憶突觸機(jī)制的突破口，并取得了極大的成功。Kandel發(fā)現(xiàn)，象海兔如此低級(jí)而簡(jiǎn)單的動(dòng)物也能進(jìn)行有效的學(xué)習(xí)，即縮鰓反射的習(xí)慣化與敏感化。他認(rèn)為這是兩種最簡(jiǎn)單的學(xué)習(xí)型式。利用各種先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)手段和有關(guān)突觸傳遞的新知識(shí)，Kandel進(jìn)行了精心的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。他以縮鰓反射為指標(biāo)，對(duì)海兔的習(xí)慣化與敏感化學(xué)習(xí)進(jìn)行了嚴(yán)密、系統(tǒng)、深入的研究，將海兔的宏觀行為變化與細(xì)胞、分子水平的事件結(jié)合起來(lái)，將細(xì)胞間的信息傳遞與細(xì)胞內(nèi)的生化過(guò)程聯(lián)系起來(lái)[8]，準(zhǔn)確地繪出了行為反應(yīng)的神經(jīng)線路圖，細(xì)致地闡明了習(xí)慣化與敏感化學(xué)習(xí)的細(xì)胞、分子水平過(guò)程。KandeI的實(shí)驗(yàn)清楚地表明，在學(xué)習(xí)、記憶過(guò)程中，突觸的使用與突觸的功能改變之間存在著一種依存關(guān)系，使突觸可塑性的設(shè)想第一次得到客觀實(shí)驗(yàn)的支撐。在深入研究的基礎(chǔ)上，Kandel試圖建立一種系統(tǒng)—細(xì)胞—分子的大統(tǒng)一的學(xué)習(xí)、記憶理論。這實(shí)際上是從系統(tǒng)論觀點(diǎn)出發(fā)，用神經(jīng)科學(xué)家十分熟悉的神經(jīng)元、突觸傳遞、離子通道等理論來(lái)思考學(xué)習(xí)、記憶的基本機(jī)理，這必將大大推動(dòng)對(duì)于人與高等動(dòng)物的學(xué)習(xí)、記憶的研究。

方法論思考

如上所述，在神經(jīng)科學(xué)發(fā)展的一些重要領(lǐng)域，成功地選擇理想的實(shí)驗(yàn)材料，對(duì)于體現(xiàn)科學(xué)家的構(gòu)思、順利地實(shí)施科學(xué)研究方案，充分發(fā)揮實(shí)驗(yàn)手段的作用并彌補(bǔ)其不足，具有不可低估的重大作用?？梢哉f(shuō)，這些特殊的實(shí)驗(yàn)材料已經(jīng)與神經(jīng)科學(xué)的重大突破一起載入史冊(cè)，并給科學(xué)方法論的深層思考以啟迪。

1．關(guān)于模擬實(shí)驗(yàn)方法

神經(jīng)科學(xué)的明確目標(biāo)是了解行為，包括了解人的高級(jí)精神活動(dòng)是怎樣通過(guò)腦和神經(jīng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的。但是，神經(jīng)科學(xué)的知識(shí)絕大部分是通過(guò)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)獲得的，從方法學(xué)上說(shuō)，動(dòng)物實(shí)驗(yàn)是一種間接實(shí)驗(yàn)方法或模擬實(shí)驗(yàn)方法。模擬實(shí)驗(yàn)之所以必要，是因?yàn)槿四X極端復(fù)雜，受技術(shù)條件的限制，一般無(wú)法直接進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，同時(shí)受社會(huì)因素的制約，也不允許對(duì)人腦直接實(shí)驗(yàn)，一些有限的觀察只能在不影響人體健康的條件下進(jìn)行。模擬實(shí)驗(yàn)之所以可能，從根本上來(lái)說(shuō)，是因?yàn)槟X是生物進(jìn)化的產(chǎn)物，人與動(dòng)物在生物學(xué)上有“類(lèi)同"的一面。基于這種情況，我們可以依據(jù)類(lèi)比推理的原則，在生物從低到高、從簡(jiǎn)到繁的進(jìn)化系列里挑選合適的實(shí)驗(yàn)材料，通過(guò)對(duì)低等動(dòng)物的某一生理機(jī)能的研究以獲得研究人的同一機(jī)能的必要的基礎(chǔ)。

模擬實(shí)驗(yàn)方法不是對(duì)研究對(duì)象（如人腦）本身所進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，而是通過(guò)建立或選擇與研究對(duì)象（原型）相似的模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，通過(guò)對(duì)模型規(guī)律的認(rèn)識(shí)，間接地將實(shí)驗(yàn)結(jié)果類(lèi)推到原型中去，從而達(dá)到對(duì)原型的認(rèn)識(shí)。因此，選擇動(dòng)物實(shí)驗(yàn)材料實(shí)際上是選擇一種充當(dāng)模型的自然替代物，這是一種科學(xué)研究的藝術(shù)。在前述例證中，槍烏鰂對(duì)生物電的研究、馬蹄蟹對(duì)視覺(jué)信息加工的研究、海兔對(duì)學(xué)習(xí)與記憶的研究都是十分成功的天然模型。這些處于種系進(jìn)化極其低級(jí)階段的無(wú)脊椎動(dòng)物，對(duì)于神經(jīng)科學(xué)的研究的確起到了事半功倍的作用。

模擬實(shí)驗(yàn)方法中的模型在科學(xué)實(shí)驗(yàn)中的作用具有明確的兩重性。一方面模型本身是認(rèn)識(shí)對(duì)象，是實(shí)驗(yàn)者運(yùn)用實(shí)驗(yàn)手段進(jìn)行研究的靶標(biāo)，如對(duì)海兔學(xué)習(xí)規(guī)律的研究；另一方面，模型在科學(xué)實(shí)驗(yàn)中并非只處于接受作用的被動(dòng)地位，它同時(shí)也是認(rèn)識(shí)手段或認(rèn)識(shí)工具，起著認(rèn)識(shí)原型的中介作用，發(fā)揮多種能動(dòng)作用。

首先，一個(gè)合適的模型有利于從純粹的形態(tài)上來(lái)考察被研究對(duì)象，讓事物內(nèi)部的因果機(jī)理充分地顯示出來(lái)，排除其它復(fù)雜因素的干擾。例如，研究視網(wǎng)膜中的相互作用，要首先分別考察各組成要素單獨(dú)作用的情況，然后才能確定相互作用情況，而馬蹄蟹的復(fù)眼恰好適合這種研究。

其次，有利于科學(xué)研究的簡(jiǎn)單化原則的實(shí)施。生物電研究由定性轉(zhuǎn)入定量研究，關(guān)鍵在于將復(fù)雜的研究對(duì)象加以簡(jiǎn)化，把最本質(zhì)的離子活動(dòng)因素抽取出來(lái)，在這里，沒(méi)有槍烏綢的巨大軸突，跨膜電位的淋漓盡致的研究：是不可想象的。

再次，有利于觀測(cè)方法的精確與周密。神經(jīng)科學(xué)的研究由宏觀到微觀，對(duì)于研究方法的要求十分嚴(yán)格。而一種新的實(shí)驗(yàn)手段開(kāi)始總是不夠完善的，如最初的微電極尖端為100微米，目前則已達(dá)到1微米或更細(xì)。當(dāng)時(shí)選擇槍烏鰂的巨大軸突為模型就可以大大超越實(shí)驗(yàn)手段的局限性，它相當(dāng)于使微電極的精細(xì)化程度一下子提高了上百倍，從而使多種觀測(cè)方法能得到順利實(shí)施。

最后，有利于多學(xué)科研究方法的移植與滲透?，F(xiàn)代神經(jīng)科學(xué)運(yùn)用了多學(xué)科的方法與知識(shí)，特別是分子生物學(xué)方法，生物化學(xué)方法，電生理的新方法……，面對(duì)這些方法的應(yīng)用都有嚴(yán)格的要求與難度。研究學(xué)習(xí)、記憶的突觸機(jī)制即有必要運(yùn)用各種尖端方法，而選擇海兔作為天然模型便極為有利。沒(méi)有這種合適的模型，再好的方法也無(wú)用武之地。

當(dāng)然，動(dòng)物模型也有其局限性?，F(xiàn)在，科學(xué)家正在設(shè)計(jì)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行有關(guān)學(xué)習(xí)、記憶等的研究。這種人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，既較多地考慮到了天然模型揭示的種種規(guī)律，又能超越天然模型的局限性，具有廣闊的理論與實(shí)踐的前景[6]。

2．關(guān)于典型材料的普遍性與特殊性問(wèn)題

這是選擇實(shí)驗(yàn)材料的一個(gè)重要的方法論問(wèn)題，一般說(shuō)來(lái)，某一材料對(duì)于某一研究領(lǐng)域所涉及的研究對(duì)象越有代表性和典型性，它對(duì)該領(lǐng)域所涉及的研究課題就越有普遍意義，也就越有利于從這特殊的、個(gè)別的材料的研究中揭示和概括出普遍的、共同的自然規(guī)律和科學(xué)概念，如從槍烏鰂這一特殊材料中揭示出來(lái)的由細(xì)胞膜電位改變的定向傳播所引起的電訊號(hào)，對(duì)于神經(jīng)信息過(guò)程的研究就具有普遍意義，研究表明，它是神經(jīng)信息物理編碼的唯一形式．進(jìn)入70年代以來(lái)，隨著對(duì)生物膜分子結(jié)構(gòu)的新認(rèn)識(shí)，離子學(xué)說(shuō)進(jìn)一步發(fā)展為“膜通道理論”。隨著80年代產(chǎn)生的“片膜鉗位”等新技術(shù)，離子通道的研究進(jìn)一步推向分子水平，從而更加開(kāi)闊了人們對(duì)于神經(jīng)系統(tǒng)控制自身的方式與復(fù)雜性的認(rèn)識(shí)。

特殊材料所揭示的普遍性規(guī)律的意義遠(yuǎn)不限于神經(jīng)科學(xué)本身，還擴(kuò)大到其它乃至相距其遠(yuǎn)的領(lǐng)域。如側(cè)抑制作用最初是通過(guò)對(duì)鱟眼視覺(jué)信息的分析提出的，現(xiàn)在巳知，側(cè)抑制是神經(jīng)系統(tǒng)處理信息的一項(xiàng)重要的基本原則，從原始的節(jié)肢動(dòng)物到人，從外周神經(jīng)到最高中樞，從視覺(jué)到其它感覺(jué)系統(tǒng)，都不同程度地具有側(cè)抑制作用。因此，凡是與人的感覺(jué)器官打交道的科學(xué)技術(shù)以及模仿人的智力活動(dòng)的研究領(lǐng)域都在注意利用這一原理。如電視的勾邊電路可提高清晰度。側(cè)抑制作用的研究，已由生物原型研究進(jìn)入側(cè)抑制網(wǎng)絡(luò)的數(shù)學(xué)模型與電子模型的理論與實(shí)踐方面的研究。這已成為生物科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)科相互結(jié)合、相互滲透的成功范例。

當(dāng)然，典型材料的作用不是絕對(duì)的，它會(huì)受到它所屬的層次的限制。在神經(jīng)科學(xué)的研究中，也并不是實(shí)驗(yàn)材料在進(jìn)化階梯中越低等越好，而是隨著研究方法的進(jìn)步，要盡可能選擇進(jìn)化程度較高的實(shí)驗(yàn)材料。海兔的學(xué)習(xí)、記憶突觸機(jī)制的研究雖然十分誘人，但它的神經(jīng)系統(tǒng)與學(xué)習(xí)方式畢竟太簡(jiǎn)單，科學(xué)家關(guān)心的是能否在較高等動(dòng)物的較復(fù)雜的神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行這類(lèi)研究。1973年，英國(guó)神經(jīng)科學(xué)家Bliss等終于發(fā)現(xiàn)并研究了哺乳動(dòng)物家兔腦海馬部位的顯著的突觸傳遞增強(qiáng)效應(yīng)——長(zhǎng)時(shí)程增強(qiáng)（LTP）[10][11]。特定刺激引起的LTP效應(yīng)長(zhǎng)達(dá)10小時(shí)以上。隨著研究方法的改進(jìn)，已觀察到持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)的LTP，甚至可達(dá)幾個(gè)月。這樣的實(shí)驗(yàn)是在過(guò)于簡(jiǎn)單的低等動(dòng)物身上做不出來(lái)的。由于海馬是與記憶密切相關(guān)的腦部位，這一結(jié)果引起神經(jīng)科學(xué)家的高度重視，現(xiàn)正成為研究的熱點(diǎn)，并向著分子水平、網(wǎng)絡(luò)水平，系統(tǒng)水平三個(gè)層次迅速發(fā)展?？茖W(xué)家們認(rèn)為，LTP反映了突觸水平的信息貯存過(guò)程，它可能提供—種記憶鞏固的機(jī)制。

3．關(guān)于還原論研究方法

還原論與反還原的整體論之爭(zhēng)是生命科學(xué)中古老的哲學(xué)爭(zhēng)論。前蘇聯(lián)學(xué)術(shù)界曾一度對(duì)還原論及依據(jù)還原論采用的研究方法采取一概否定和排斥的態(tài)度，坐失原來(lái)具有優(yōu)勢(shì)的學(xué)科進(jìn)一步發(fā)展的良機(jī)。本世紀(jì)中期，不管人們持何種哲學(xué)觀點(diǎn)，現(xiàn)代還原論畢竟從分子生物學(xué)的發(fā)展中找到新的立足點(diǎn)與生長(zhǎng)點(diǎn)。繼分子生物學(xué)之后，神經(jīng)科學(xué)的微觀化進(jìn)程成為重要趨勢(shì)，導(dǎo)致有關(guān)腦的知識(shí)三分之二被改寫(xiě)?？茖W(xué)實(shí)踐證明，微觀還原性研究對(duì)于闡明復(fù)雜神經(jīng)活動(dòng)的細(xì)胞與分子機(jī)制具有必不可少的作用。

前述實(shí)例三則，均討論的是微觀還原的研究，這大體上反映了神經(jīng)科學(xué)的發(fā)展趨勢(shì)。神經(jīng)科學(xué)微觀化進(jìn)程的首要條件當(dāng)然是研究手段的日益精確化，如細(xì)胞內(nèi)記錄與各種標(biāo)記技術(shù)，重組DNA技術(shù)、免疫組織化學(xué)技術(shù)等。但是，從實(shí)例分析中我們看到，為了充分發(fā)揮這些實(shí)驗(yàn)手段的作用，還有賴(lài)于合適的實(shí)驗(yàn)材料即模型的選擇。兩者相互結(jié)合便有力地推動(dòng)科學(xué)的發(fā)展。為什么要下大力氣進(jìn)行細(xì)胞、分子層次的研究?正如有的科學(xué)家指出的，腦那么復(fù)雜，功能那么高超，迄今世界上還沒(méi)有一樣已知的東西可與之比擬。為了研究較高層次的腦功能，首先需要盡可能多地研究仍在高級(jí)功能中起作用的低級(jí)運(yùn)動(dòng)形式。不這樣，揭示大腦奧秘就永遠(yuǎn)只能停留在黑箱方法與推測(cè)階段，無(wú)法深入，對(duì)高級(jí)腦功能的研究只能望洋興嘆。同樣。還原分析方法雖是重要的，有效的，但神經(jīng)科學(xué)的研究卻不能停留在細(xì)胞、分子水平上，更不能把復(fù)雜的腦功能歸結(jié)為細(xì)胞、分子水平的事件。因此，腦研究的策略需要還原論與整體論的互補(bǔ)[12]。正如有的科學(xué)家所說(shuō)；在系統(tǒng)水平工作的神經(jīng)科學(xué)家必須充分了解細(xì)胞和分子水平的進(jìn)展；而研究分子機(jī)制的科學(xué)家也應(yīng)把自己的資料綜合到系統(tǒng)功能的原型中去理解。也就是說(shuō)，以系統(tǒng)整合為出發(fā)點(diǎn)，以還原分析為整體綜合的前提與手段。前述Kandel試圖建立一種由系統(tǒng)—細(xì)胞—分子大統(tǒng)一的學(xué)習(xí)、記憶理論，就是基于這種考慮。

從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，腦研究最終是要揭示腦的種種不可思議的高級(jí)功能，闡明思維的本質(zhì)，而現(xiàn)在不僅缺乏有效的研究手段，連理論上的想法也是模糊的。要理解以基本的細(xì)胞、分子事件為基礎(chǔ)的局部神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是如何組裝起來(lái)的，如何構(gòu)成龐大的神經(jīng)系統(tǒng)而實(shí)現(xiàn)為諸如學(xué)習(xí)記憶、思維、情感的，這就需要有設(shè)計(jì)大量神經(jīng)元組裝成為功能系統(tǒng)的新思路。為了揭示大腦的奧秘，神經(jīng)科學(xué)正在呼喚新理論、