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摘 要 :本文论述了在科技革命的推动下神经科学的发展过程及研究热点,并对目前的神经科学未来发展进行了展望:科学技术的进步促进了神经科学的研究深入,神经科学的研究成果也将成为下一轮新科技革命的源泉和动力.
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关 键 词 :神经科学,脑研究,科技革命
中图分类号:Q988 文献标识码:A
神经科学(或脑科学)的迅速崛起是20世纪末30年内自然科学发展中的重大事件.由于神经系统尤其是脑功能的重要性和复杂性,人们对其展开了多学科、多层次的研究,其最终目的是从不同层次阐明神经系统如何控制机体的各种行为,包括从分子、细胞、网络、神经回路和全脑水平进行研究,分析神经系统的结构和功能,揭示各种神经活动的基本规律,阐明脑的基本工作原理,这是现代神经科学的基本目标,在此研究层次的基础之上,进一步阐明神经系统疾患的病因、机制,预防和治疗神经系统疾病.随着传染性疾病得到有效的控制,脑疾病的重要性逐步上升,特别是随着社会节奏的加快,由于精神紧张、焦虑、应激而产生的神经官能症和身心疾病日益增多,随着交通和建筑业的发展,颅脑和脊柱外伤不断增加,随着人口预期寿命的不断延长,老年退变性疾病(老年痴呆,帕金森病等)的发病率日益上升,医疗费用和社会负担逐渐加重等.因此,防治神经系统疾病的研究已刻不容缓.与此同时还有必要进一步开发人脑的潜力,增强智能,模拟脑的工作原理,设计制造新型的智能电脑.作为神经科学主体的脑科学的研究已经成为生命科学中发展最迅速的前沿学科之一,而归根结底,神经科学研究的飞速发展与科技革命的形成及科学技术的进步是密不可分的.
1.神经科学研究的发展
脑科学的近展始于一百多年前.高尔基、卡哈尔等人发明的神经元染色技术,使人类第一次认识到神经元是大脑工作的基本结构和功能单位.这一历史性的研究工作使高尔基和卡哈尔获得了1905年的诺贝尔奖,并由此开创了现代脑科学研究.在20世纪30年代,霍奇金(Alan Hodgkin)等应用神经元单电极记录技术,进行了一系列经典电生理学研究工作,发现了神经动作电位.由于这一发现在脑科学研究上的划时代意义,霍奇金等科学家获得了1963年的诺贝尔奖.
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到了20世纪80年代,随着细胞生物学的发展和分子生物学的崛起,神经科学家们正努力把对神经活动机制的研究迅速推向细胞和分子水平,从而促使神经科学发生了一场革命性的变化.微电极细胞内记录和染色技术在单个神经元上把功能和结构紧密联系起来,同时也大大地推动了对神经元之间联系模式的了解.由于免疫组织化学方法的应用,又有可能把神经元的功能与其神经递质的分析融为一体.组织培养、细胞培养,以及组织薄片方法,使人们能把复杂的神经元回路还原成简单的单元进行分析.新的电生理技术(膜片钳位技术)和分子生物学方法(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.对突触部位所发生的细胞和分子事件,如神经递质的合成、维持、释放及与受体的相互作用的研究都取得了令人瞩目的进展.对神经元和神经系统发育的分子机制的研究也有长足的进展.在脑的高级功能方面,研究也已深人到细胞和分子水平.
虽然脑科学的研究在这方面已经取得了许多进展,但由于其研究主要在离体脑片及神经细胞培养下进行,不能直接对清醒动物大脑的认知功能,如学习、记忆、思维、意识等进行多层次、整合性的研究.而近10余年来,出现了不少新技术、新思想和新成果,逐渐弥补了这一缺陷,如正电子发射断层扫描术(PET),为在无创伤条件下分析神经系统内的化学变化及其神经活动或行为的相关性,提供了重要手段,其它一些脑的成像技术,如功能性核磁共振成像术(fMRI)、核磁共振谱术(MRS)和单光子发射计算机扫描术(SPECT)等技术也都有了较大的发展,为在整体水平上研究脑功能提供了关键技术,也使得在正常状态下整体研究脑的高级功能活动成为可能.高级脑功能的研究如感觉信息加工、学习与记忆的机理、语言文字的理解等方面也都取得了重大进展.
2.脑科学与智能革命
脑研究的中心问题是阐明脑神经回路的组织结构和神经信息的处理机制,进而阐明脑的工作原理.脑和感官对信息接收、加工和储存方面研究的突破必将推动信息科学和技术的进展,从而导致计算机、人工智能和智能机器人等高技术领域的革命性变化.
人脑是由上千亿细胞组成,结构和功能无比复杂的超巨系统,可能存在完全不同于现有计算机的结构和工作原理.未来的脑科学将加强与行为科学、认知科学和信息科学的联系.脑科学与信息科学及技术的结合将引起脑为中心的科技革命――智能革命.在当代的高新技术中,计算机技术和生物技术是两大主力.神经网络计算机集中了脑科学的精粹,并且还是计算机技术和现代生物技术杂交生成的
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3.神经科学展望
神经科学已经走过了其发展的早期阶段,开始走向成熟,“脑的十年”中已经取得了巨大的成就.神经科学的发展是如此之快,可以预料在未来几十年内,随着第四次科技革命的深入,脑科学还将在各方面取得更大的突破.
3.1 不断揭示新的神经调制方式
在神经系统的活动中存在着一些具有普遍意义的基本过程,包括神经信号的发生、转导、传导、及突触传递等.在离子通道方面,将会发现更多的新通道或通道的亚型,确定更多通道的氨基酸序列以及内含子与外显子的界线,从而推出通道类型间的自然进化关系,形成通道的分类模式,并揭示通道类型间的家族关系.对于神经递质存贮、保持、释放、调节过程目前已经有了一幅概图,其中的一些精细过程将得以清楚地阐明.由于在脑中所有的信息处理均涉及突触,神经递质受体的分子特性、递质和受体的相互作用无疑将在脑科学中占有关键的地位,对由G蛋白偶合的第二信使级联反应所介导的信号转导方式及其在脑功能中的作用的研究会有重要的拓展.
人们将不断揭示新的神经调制方式,对神经系统控制其自身特性方式的多样性形成更完整的认识.这些研究所具有的潜在的应用价值将会更充分、更明显地表现出来.例如,神经递质之间的关系,以及它们如何取得平衡,显然是一个重要的理论问题,而这种平衡正是保障脑和机体正常功能的基础.一旦我们对这一问题有更深刻的了解,并且对失衡所造成的影响有更细致的分析,人们就有可能采用新的方式来补充缺少的递质或者减少、阻遏多余的递质所产生的效应,从而恢复脑和机体中固有的平衡.重建这种平衡可能为癫痫、帕金森氏病、舞蹈病、老年性痴呆、精神发育迟缓、精神分裂症提供新的有效的治疗手段.随着对神经递质受体的认识不断深入,以及新的分子生物学方法的发展,人们已能克隆受体基因并决定其分子结构,这就从原理上为设计良好的药物提供了可能性.
3.2 中枢神经的再生继续成为热点
神经系统发育的关键问题之一,是细胞运动和诱导信号的相互作用.应用低等动物简单神经系统对这种相互作用的细致分析,以及作为其基础的细胞间信号传导、转录调节、基因表达的研究将继续成为研究的重点.对在发育过程中神经元整合各种分子信号形成突触和组成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,它们在发育中和成年脑中的作用将逐渐被阐明.这些研究的进展将使人们更清楚地认识到,在发育过程中遗传突变的表达如何引起神经系统的缺损.
神经系统的发育和再生是同一问题的两个侧面.中枢神经系统的再生,将继续成为研究的热点.对于成熟的中枢神经系统为何不能再生目前还只有粗浅的了解,因此还只能局限于进行实验性尝试,去克服妨碍其再生的因子.可以期望在不久的将来,人们对这一问题的认识会大大加深,这将为利用脑内移植或其他方法成功地促进中枢神经的再生奠定基础,许多退行性中枢神经系统的疾病可望得以缓解或治愈.
3.3 基因研究步伐大大加快
在应用分子遗传学的方法对遗传性神经系统疾患的研究方面,已经有了良好的开端,若干影响脑正常发育或产生进行性脑变性的缺损基因已经被定位或鉴定.迄今为止,所考察过的基因还不过是组成人类基因组(约为4万个基因)中的百分之几,随着基因组研究的进展,这方面进展的步伐将会大大加快.同时,运用基因定位技术,有可能追踪DNA的某种标志,以确定是否存在某种特定的基因,并利用这种标志在症状出现之前就发现遗传性疾病.在未来几十年内,人们将能预测大部分的遗传性疾病的未来表达或确定缺损基因的定位,产前诊断和遗传筛选程序将大大降低某些疾病的发病率.鉴定缺损基因之后,将对这些基因如何引起病症的机制进行探索.只有当对致病机制有深入了解之后,才可能有针对性地发展某种药物或治疗方法,防止或阻遏病理性变化.
对于神经性和通讯性(言语和听觉性)疾患所发生的神经系统变性,将能更早地做出精确的诊断.新的外科技术和神经性修复术(助听器、助视器、人工肢体等)的发展将进一步减轻神经系统疾患的严重后果.对于病毒引起的神经系统损伤将发展出更有效的治疗手段.神经营养性因子和神经干细胞将为神经退行性疾病的治疗提供广阔的前景.对这些因子的研究,加上遗传工程的方法,并与脑移植结合起来,最终导致产生新的治疗方法,修复因事故、中风、各种神经系统疾病所致的脑损伤.目前,迅速发展的基因疗法可能使某些神经性疾患完全被治愈.
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3.4 脑的高级功能研究将产生重大突破
对于脑的高级功能,诸如感知、运动控制、学习记忆、情绪、语言、意识等的认识,可能会取得突破性的进展.未来几十年,人们将创立一系列新方法,包括若干原理上全新的方法,把离子通道、突触、神经元的兴奋和抑制等概念与脑的高级功能沟通起来.现有的脑成象技术的时间、空间分辨能力将大幅度提高,新的无创伤检测脑活动的技术将进一步发展起来,在清醒动物上,多电极同时记录不同脑区神经元的技术将出现突破,从而更紧密的把神经元群体活动和高级功能研究结合起来.计算神经科学的发展将进一步揭示脑执行各种高级功能的算法.基于神经生物学的实验资料及基于数学和物理上的分析的脑高级功能的模型,有可能在脑科学中产生重大突破.
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