對神經科學發(fā)展前景的思考

楊雄里

對神經科學發(fā)展前景的思考

楊雄里

近半個世紀以來，由于科學家的不懈努力，神經科學研究取得了飛速發(fā)展。闡明腦功能以及腦運行機制的新發(fā)現(xiàn)不斷涌現(xiàn)，新成果接踵而至，新觀點層出不窮，深刻地改變了人們對腦工作原理的認識。我本人是在1960年代初期進入這個領域的，那時正值神經科學作為一門綜合性的學科而崛起之前夜，因而有幸見證了這半個世紀當中神經科學領域所發(fā)生的革命性變化。借此機會，打算就神經科學的發(fā)展現(xiàn)況與前景，談談個人的一點思考。

腦功能研究的進展

神經科學在近半個世紀的探索中，應用了各種形態(tài)學技術和電生理技術，尤其在1960年代以后，應用了新興細胞生物學和分子生物學所提供的新方法，對于在微觀層面（細胞和分子水平）上神經活動的基本過程有了相當清楚的認識。與此相關的問題包括：神經細胞的電活動是怎么產生的？何種形態(tài)的神經細胞產生怎樣的電活動？電信號在神經細胞之間如何經突觸進行傳遞，在突觸前和突觸后又發(fā)生了什么？電信號在通過突觸進行傳遞的過程中如何被調制？神經科學對于在腦的若干重大疾病過程中，在細胞和分子層面上所發(fā)生的變化，也有了相當深入的了解。在宏觀層面上，無創(chuàng)傷腦成像技術使得科學家能夠在無創(chuàng)情況下研究腦不同分區(qū)大群神經元的總體活動及其動態(tài)變化。在微觀和宏觀兩方面都取得了飛速發(fā)展，這兩個方面的研究互相推動、互相促進，促成了人們對腦和神經系統(tǒng)工作原理與運行機制的認識深化。

科學家在為已經取得的研究進展而歡欣鼓舞的同時，又清醒地意識到，對腦功能的認識還存在相當多的不足之處。目前的研究要么聚焦在單個神經細胞或少數(shù)幾個神經細胞所組成的神經回路上，要么應用無創(chuàng)傷腦成像技術對大群神經細胞的活動進行分析，而由于目前腦成像技術僅具備有限的空間和時間分辨率，故對神經細胞集群中各組成單元的活動幾乎一無所知或所知甚少?？梢宰鲞@樣一個比喻，聚焦于單個神經細胞或由幾個神經細胞所組成神經回路的研究，就好似從近距離看像素很高的圖片，可以看清楚很多細節(jié)，卻忽略了整個畫面；而應用無創(chuàng)傷腦成像技術對大群神經細胞的研究，因為只具備有限的空間分辨率，所以得到的是一個細節(jié)模糊的整體畫面。在宏觀與微觀層面之間的介觀層面（mesoscopic level）上，科學家的了解還相當有限。

眾所周知，神經系統(tǒng)的基本組成單元是神經元（即神經細胞），但神經元在神經系統(tǒng)中并不是孤立存在的，而且單個神經元無法實施神經系統(tǒng)的功能。神經元必須通過突觸相互連接所形成的神經回路，才有可能實施某種功能。組成神經回路的細胞數(shù)，少則幾百，多則上萬，甚至上百萬。這就提出了一個問題：大群神經元的活動是如何動態(tài)地進行組合、編碼、加工，最終實現(xiàn)其功能的呢？以音樂作為類比，所有音樂均由音符組成，單個音符沒有什么特別的涵義，但是作曲家把不同的音符通過一定的規(guī)律組合起來，形成旋律，這樣創(chuàng)作的音樂可以表達喜悅、哀傷等情緒，讓人產生恢宏、華麗等感受。正是不同的旋律，使柴可夫斯基的交響樂不同于貝多芬的交響樂。再來看神經回路，其組成的每個神經元所產生的單個神經信號相當于樂曲里的單個音符，這些單個的音符其實沒有什么特定的意義。毋寧說，大群神經元此起彼伏的音符所產生的動態(tài)活動模式（pattern，相當于音樂中的旋律），才對實施神經系統(tǒng)的功能具有關鍵意義。遺憾的是，我們現(xiàn)在若要對組成回路的大群神經元活動進行同時記錄，仍缺乏有效的手段。

面對這種現(xiàn)況，科學家將致力于研發(fā)分辨率高得多的成像技術，從而有可能同時對大群神經元的活動進行卓有成效的分析。這樣一些技術必然是與納米技術、電子探針等新技術緊密結合在一起的。如果把應用這些技術的同時記錄與動物行為掛起鉤來，進而把對動物的研究擴展到對人的研究，就有可能使科學家在探索腦的奧秘過程中，不斷跨越溝壑，向前推進。以此為主要目標的美國腦研究計劃中有一句生動的口號：“記錄神經回路中每個神經元的每個動作電位（recording every spike from every neuron in a circuit）?！睂Υ烁魑灰欢ㄓ洃洩q新，因為這句口號在中國的報刊上曾被大肆渲染過。不過在我看來，同時記錄大群神經細胞的反應固然是重要的，但要記錄每一個神經元的每一個動作電位，既不必要，也不可能。有關這方面的討論可以參閱我的有關論文。重要的仍然是找出實現(xiàn)機體功能的神經回路活動的模式。

對神經科學前景的思考

從1950年代起，在細胞和分子層面上對神經系統(tǒng)的研究長久占據(jù)著主導地位。今后在這個層面上的研究無疑將繼續(xù)向前推進。當然還將留下許多“硬骨頭”繼續(xù)挑戰(zhàn)我們的智慧。例如，為何哺乳動物的中樞神經系統(tǒng)不能再生？但是，或許可以這么說：對這一類型的研究走向何方，我們在一定程度上已經能夠把握，并且可以大致預測將得到什么。而在腦的高級功能，特別是復雜高級功能的研究方面，情況完全不同，我們甚至很難想象將來會展現(xiàn)何種新面貌，就像我們在揭示基因對于生理功能的重要作用之前所曾經處于的情景。在我看來，正因為如此，最有顯著意義的進展可能會發(fā)生在對腦的高級功能的認識上。

追溯科學的歷史，在相當長時間內，所謂的心—腦二元論（mind-brain dualism）曾經長期占據(jù)著統(tǒng)治地位，從柏拉圖（Plato）到笛卡爾（Rene Descartes）都認為身體（body）和心智（mind）是分離的，也就是說，他們不認為精神活動是大腦神經系統(tǒng)活動的產物。這樣的觀點甚至在1980年代依然流行，一個突出的標志是奧地利科學哲學家波普爾（Karl Popper）和諾貝爾生理學或醫(yī)學獎得主、澳大利亞神經生理學家?？藸査梗↗ohn Carew Eccles）兩人支持這種生命的二元論。他們在《自我及其大腦》（《The Self and Its Brain》）這本書中詳細闡述了自己的觀點，有興趣的讀者可以參閱?，F(xiàn)在，絕大多數(shù)科學家都認為精神活動的物質基礎是大腦的神經活動。

剛才我已經談了應用功能性磁共振成像技術對腦高級活動的研究，在這方面還可以舉一個生動的例子。打牌時，如果我手上的牌有梅花5，但是我謊稱沒有，我的左前額葉皮層和扣帶皮層兩個腦區(qū)會異常活躍。我以此例想要說明的是，對于一些人們原來認為很難研究的問題（如說謊），科學家現(xiàn)在已經開始有可能研究了。不過還要清醒地意識到，對于腦的高級功能，目前認識到的還只是冰山一角，而這方面的研究不僅有科學上的意義，還涉及深刻的哲學思考。有一個大家熟悉的視錯覺——米勒—萊爾錯覺（Müller-Lyer illusion）。在加上透視背景之后，觀察者強烈地把兩根等長線段感知為不等長。這個例子清楚地表明，我們所見到的和感知的，未必是客觀世界的真實映像。迄今為止對視覺的研究強烈提示，在進行視覺感知時，大腦中存在一種主動的視覺過程，而不是單純地對視網膜上的映像進行解碼。這就是說，人的神經系統(tǒng)在長期進化過程中會形成一個模板，這個模板對感知對象進行解讀，而這種解讀反映了主觀與客觀之間的交互作用。這樣一類神經科學的探討，無疑將有助于深化和發(fā)展現(xiàn)有的哲學觀點。

關于腦的高級功能，還有更多有待進一步探討的問題。我們都相信，精神活動是由大腦神經系統(tǒng)的活動所產生的，但是當大腦活動升華為精神活動時，會產生一些與物質世界運動不同的現(xiàn)象，對這樣一些現(xiàn)象需要運用不同的技術、不同的觀點、不同的理論來加以分析。以做夢為例，科學家現(xiàn)在可以通過檢測快速眼動（rapid eye movement, REM）腦電波，知道睡眠者正在做夢。但除了傾聽做夢者的主訴，或者通過他在做夢過程中所說的夢囈以外，難道還有什么客觀手段來了解睡眠者在做什么夢嗎？有一句常用的口頭禪：“誰知道他在想什么！”就夢而言，可以說：“誰知道他在做什么夢？”迄今為止，這樣說基本上還是對的。弗洛伊德（Sigmund Freud）在《夢的解析》（The Interpretation of Dreams）中曾說：“對夢的本質了解以及對其不可思議性提供客觀上的了解，科學為此能夠做的，如果不是說一點都沒有，也只能說是微乎其微?！睍r至今日，這番話仍然符合實際情況。前幾年放映過一部美國科幻電影《盜夢空間》，媒體上對盜夢是否可能曾進行過不少討論。在我看來，在可以預見的將來，這只是科學上的幻想。理由很簡單：既然我們對別人做什么夢都不知道，我們又如何去盜夢呢？神經科學已經取得了飛速的發(fā)展，但是我們一定不能對神經科學已經取得的成就及今后的發(fā)展估計過高，對腦的高級功能的復雜性必須有足夠充分的認識。

我最近重讀了坎德爾（Eric Richard Kandel）的《尋找記憶的痕跡》（《In Search of Memory》）一書?？驳聽柺?000年諾貝爾生理學或醫(yī)學獎的得主，早年受過嚴格的精神科醫(yī)師訓練，但是在1965年，他毅然決然地轉到從細胞和分子水平上對學習和記憶進行研究，并用細胞和分子生物學的語言，很好地解釋了學習和記憶的一些基本過程。在2000年12月10日諾貝爾獎授獎儀式結束后的午餐會上，坎德爾做了一個精彩的發(fā)言。他講述道，21世紀對于心智的研究，堪比20世紀對基因的研究。他最后說道：“心智的生物學研究并不只是前景遠大的自然科學探索，也是一種重要的人文方面的追求；它架設起自然科學和人文科學之間的橋梁，這是一個新的整合，其成果將不僅使我們更好地認識神經、精神疾患，也將加深我們對自身的了解?！?/p>

恩格斯（Friedrich von Engels）在《反杜林論》（《Anti-Dühring》）中曾精辟論述了相對真理與絕對真理的關系。我們在每一個時期不斷地探索和認識關于腦的相對真理，但腦的奧秘是一個絕對真理，我們不可能窮盡這個絕對真理。直言之，我們不能指望有一天能宣布腦的奧秘已經大白于天下?？茖W家能夠做的、也應該能做到的，就是用堅韌不拔的持續(xù)努力，逐漸去逼近這個絕對真理。探究腦的奧秘是一條漫長的道路，我們將不斷上下求索。?

【作者單位：復旦大學腦科學研究院】

（摘自《科學》2017年第1期）