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神经生物学的发展趋势

时间: 2019-09-11

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  作为神经生物学近几十年发展的目击者,在细胞和分子水平的许多重大的研究成果给我留下的印象是深刻的。对脑的不少重要部位神经回路信号传递及其化学基础已形成相当清楚的图景。组织培养、细胞培养,白姐彩色图库,以及组织薄片方法,使人们能把复杂的神经回路还原成简单的单元进行分析。膜片钳位技术和重组DNA技术等,使我们对神经信号发生、传递的基本单元——离子通道的结构、功能特性及运转方式的认识完全改观。对突触部位发生的细胞和分子事件,如神经递质的合成、维持、释放,以及与相应受体的相互作用的研究进展令人瞩目。对神经元、神经系统发展的细胞、分子机制的认识已大大拓展。在脑的高级功能方面,我们已经可以开始谈论记忆的分子基础。对困扰人们已久的若干神经系统疾病的基固定位已经成功,在分子水平对致病原因已进行了细致的分析。如此等等,不胜枚举。

  对神经活动的细胞、分子机制的研究,在本质上,是一种还原论(reductionism)的分析,其合理性的基础是:神经活动可最终归结为细胞和分子水平所发生的事件。这样的分析是完全必需的,并且已经取得了巨大的成功。但是,必须清醒地认识到,困于纯粹的还原论分析,对于认识脑和神经系统这样一种高度复杂的系统无疑是跛足的。这是因为,当把复杂的系统“还原”成基本的单元后,不可避免会失去许多信息,而当把基本的单元和过程组织成复杂的系统时,又必然会产生全新的工作特点。试图从基本组分(如基因、离子通道、神经元、突触)的性质来外推脑和神经系统的活动,有其本质上的局限性;进行这种跨越组构层次的推论,必须慎之又慎,并必然有许多保留。

  正是考虑到上述这些问题,人们开始强调用整合的观点来研究脑,并形成了神经生物学另一个重要的发展趋势。在我来看,整合的涵义是多方面的。首先,神经活动的多侧面性,要求多学科的研究途径,关于这一点,我已在前面谈到了。整合观点的另一层更重要的涵义是,对神经系统活动的研究必须是多层次的,这是由这门学科的研究内涵所决定的。不论是感觉、运动,还是脑的高级功能,都既有整体上的表现,而其机制的分析则又肯定涉及各种层次。在低层次(细胞、分子水平)上的工作为较高的层次的观察提供分析的基础,而较高层次的观察,又有助于引导低层次工作的推进方向及体现后者的功能意义。重要的是,把这多层次的信息“整合”起来,形成完整的认识。

  在较高层次上的研究,包括对大群神经元组合成神经网络的工作原理,以及对不同脑区神经元活动如何协同以实现复杂的功能的探索。新的无创伤脑成象技术(PET,fMRI等)的开发,多导程脑电图技术的发展,以及行为与神经元活动相关研究的推进,反映了科学家在这方面作出的努力。

  神经生物学的这些发展趋势,促成了这一领域的繁荣局面,并将在今后相当长时期内主导其发展进程。

  在细胞和分子水平的研究将不断拓展和推进,对神经活动的基本过程的研究将进一步深入,并逐渐形成更完整的认识。随着更多的新离子通道(或亚型)的发现及其氨基酸序列的确定,有可能形成更准确的通道分类模式,揭示不同通道的家族关系。对神经递质的存贮、释放、调节的一系列精细过程将得以清楚的阐明。对神经递质与受体结合后的信号转导及其功能作用,将无疑会有更深入的了解,同时将会发现许多新的神经调制方式。在神经系统的发育方面,对神经元整合各种分子信号形成突触和组织特定的神经回路的研究,将取得重大进展;将有更多的神经营养因子被鉴定,相应的受体被发现,它们在发育和成熟的神经系统中的作用将被阐明。这些研究将使人们了解在发育过程中遗传突变的表述如何引起神经系统的缺损。鉴于进展主要是在低等动物的简单神经系统上取得的,人们必须去发展新的技术和方法,在分子水平上去探索高等动物复杂神经系统的发生、发育规律。

  在感觉研究方面,研究层次的跨度更大。感觉技能发生在细胞和分子水平上,其过程的阐明将揭示感觉极高敏感度(一个光量子可使先感受器兴奋,毛细胞纤毛运动0.3nm即可达到听阈)的奥秘。在感觉信息加工领域中,既有细胞和分子层次上的研究(如信号的化学传送机制),也包括信号的串行、平行处理最终形成感知觉的更高层次的探索。而对运动的研究,同样具有跨层次的特点,人们将最终了解运动程序如何编制,行为如何实现。

  遗传性神经系统疾患的研究无疑将有长足的进展。从研究步伐来看,在未来几十年内,将能预测大部分疾病在个体的未来表达或定位其缺损基因,并对这些基因致病的分子机制有深入的了解。

  以上所谈的大致可以从发展态势加以预测。在脑的高级功能方面,我们从眼下的研究进展,当然也可以作一点预测。例如,对于学习、记忆分子机制将会有更深入的了解;利用脑成象技术对神经元活动和精神现象间的关联的认识将不断有所进展等等。但是,我们必须清醒地意识到,在真正意义上对脑的高级功能,特别是复杂高级功能(语言、智力、思维、意识等)的认识还刚刚开始,还存在着巨大的知识上的鸿沟。这种鸿沟产生的根本原因,在于对精神现象变幻莫测的多样性,还缺乏有力的研究工具。精神现象固然有其物质基础,但物质的东西一旦升华为精神,就会产生许多不同的性质和特点。这就是说,人们必须创立一系列新方法,包括若干新原理的方法,跨越不同的组构层次,把神经活动的基本过程与脑高级功能关联起来。如果说,在新世纪中神经生物学要出现重大的突破,在我看来,可能是在脑的高级功能的研究上,这是一个亟待开拓的新领域。(选自《生物化学与生物物理进展》原文标题做了修改)