摘要:本文論述了在科技革命的推動下神經科學的發(fā)展過程及研究熱點,并對目前的神經科學未來發(fā)展進行了展望:科學技術的進步促進了神經科學的研究深入,神經科學的研究成果也將成為下一輪新科技革命的源泉和動力。
　　關鍵詞:神經科學;腦研究;科技革命
　　中圖分類號:Q988 文獻標識碼:A
　　
　　神經科學(或腦科學)的迅速崛起是20世紀末30年內自然科學發(fā)展中的重大事件。由于神經系統(tǒng)尤其是腦功能的重要性和復雜性,人們對其展開了多學科、多層次的研究,其最終目的是從不同層次闡明神經系統(tǒng)如何控制機體的各種行為,包括從分子、細胞、網絡、神經回路和全腦水平進行研究,分析神經系統(tǒng)的結構和功能,揭示各種神經活動的基本規(guī)律,闡明腦的基本工作原理,這是現(xiàn)代神經科學的基本目標,在此研究層次的基礎之上,進一步闡明神經系統(tǒng)疾患的病因、機制,預防和治療神經系統(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,特別是隨著社會節(jié)奏的加快,由于精神緊張、焦慮、應激而產生的神經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;隨著人口預期壽命的不斷延長,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)療費用和社會負擔逐漸加重等。因此,防治神經系統(tǒng)疾病的研究已刻不容緩。與此同時還有必要進一步開發(fā)人腦的潛力,增強智能,模擬腦的工作原理,設計制造新型的智能電腦。作為神經科學主體的腦科學的研究已經成為生命科學中發(fā)展最迅速的前沿學科之一,而歸根結底,神經科學研究的飛速發(fā)展與科技革命的形成及科學技術的進步是密不可分的。
　　
　　1 神經科學研究的發(fā)展
　　
　　腦科學的近代發(fā)展始于一百多年前。高爾基、卡哈爾等人發(fā)明的神經元染色技術,使人類第一次認識到神經元是大腦工作的基本結構和功能單位。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,并由此開創(chuàng)了現(xiàn)代腦科學研究。在20世紀30年代,霍奇金(Alan Hodgkin)等應用神經元單電極記錄技術,進行了一系列經典電生理學研究工作,發(fā)現(xiàn)了神經動作電位。由于這一發(fā)現(xiàn)在腦科學研究上的劃時代意義,霍奇金等科學家獲得了1963年的諾貝爾獎。
　　到了20世紀80年代,隨著細胞生物學的發(fā)展和分子生物學的崛起,神經科學家們正努力把對神經活動機制的研究迅速推向細胞和分子水平,從而促使神經科學發(fā)生了一場革命性的變化。微電極細胞內記錄和染色技術在單個神經元上把功能和結構緊密聯(lián)系起來,同時也大大地推動了對神經元之間聯(lián)系模式的了解。由于免疫組織化學方法的應用,又有可能把神經元的功能與其神經遞質的分析融為一體。組織培養(yǎng)、細胞培養(yǎng),以及組織薄片方法,使人們能把復雜的神經元回路還原成簡單的單元進行分析。新的電生理技術(膜片鉗位技術)和分子生物學方法(重組DNA技術等)使我們對神經信號發(fā)生、傳遞的基本單元――離子通道的結構、功能特性及運轉方式的認識完全改觀。對突觸部位所發(fā)生的細胞和分子事件,如神經遞質的合成、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展。對神經元和神經系統(tǒng)發(fā)育的分子機制的研究也有長足的進展。在腦的高級功能方面,研究也已深人到細胞和分子水平。
　　雖然腦科學的研究在這方面已經取得了許多進展,但由于其研究主要在離體腦片及神經細胞培養(yǎng)下進行,不能直接對清醒動物大腦的認知功能,如學習、記憶、思維、意識等進行多層次、整合性的研究。而近10余年來,出現(xiàn)了不少新技術、新思想和新成果,逐漸彌補了這一缺陷,如正電子發(fā)射斷層掃描術(PET),為在無創(chuàng)傷條件下分析神經系統(tǒng)內的化學變化及其神經活動或行為的相關性,提供了重要手段;其它一些腦的成像技術,如功能性核磁共振成像術(fMRI)、核磁共振譜術(MRS)和單光子發(fā)射計算機掃描術(SPECT)等技術也都有了較大的發(fā)展,為在整體水平上研究腦功能提供了關鍵技術,也使得在正常狀態(tài)下整體研究腦的高級功能活動成為可能。高級腦功能的研究如感覺信息加工、學習與記憶的機理、語言文字的理解等方面也都取得了重大進展。
　　
　　2 腦科學與智能革命
　　
　　腦研究的中心問題是闡明腦神經回路的組織結構和神經信息的處理機制,進而闡明腦的工作原理。腦和感官對信息接收、加工和儲存方面研究的突破必將推動信息科學和技術的進展,從而導致計算機、人工智能和智能機器人等高技術領域的革命性變化。
　　人腦是由上千億細胞組成,結構和功能無比復雜的超巨系統(tǒng),可能存在完全不同于現(xiàn)有計算機的結構和工作原理。未來的腦科學將加強與行為科學、認知科學和信息科學的聯(lián)系。腦科學與信息科學及技術的結合將引起腦為中心的科技革命――智能革命。在當代的高新技術中,計算機技術和生物技術是兩大主力。神經網絡計算機集中了腦科學的精粹,并且還是計算機技術和現(xiàn)代生物技術雜交生成的寵兒。隨著神經生物學的發(fā)展,在生物學、技術科學和社會科學的交叉領域中,認知科學和行為科學正在崛起。認知科學對人類智能和機器智能的研究將大大增強人類智能,認知科學的出現(xiàn)表明在人腦高級功能活動(精神現(xiàn)象)研究方面已不再停留在內省和思辨上,而是開始建立嚴格實驗基礎上的科學研究。科學研究開始進入精神世界,這對于人類思維發(fā)展的影響將是無比深遠的。行為科學是研究在自然和社會環(huán)境中人的行為的學科群,人腦細胞如何指導行為是未來生物學中富有發(fā)展?jié)摿Φ念I域之一。今后幾十年內,行為科學將可能在行為的神經生物學基礎,以及人的智力、性格和行為模式的遺傳基礎,認知過程的心理機制等方面取得重大突破,這無疑促進人的學習能力的開發(fā)。另一方面,人――機關系、計算機和機器人人行為的研究也將取得重大進展。行為科學和技術科學的結合也將更為密切,一方面將人的特性“物化”,創(chuàng)造更高水平的“智能機器人”,另一方面使人更加適應高技術社會的要求,使人――機關系更為統(tǒng)一,這對于未來“智能產業(yè)”的發(fā)展至關重要。
　　
　　3 神經科學展望
　　
　　神經科學已經走過了其發(fā)展的早期階段,開始走向成熟,“腦的十年”中已經取得了巨大的成就。神經科學的發(fā)展是如此之快,可以預料在未來幾十年內,隨著第四次科技革命的深入,腦科學還將在各方面取得更大的突破。
　　3.1 不斷揭示新的神經調制方式
　　在神經系統(tǒng)的活動中存在著一些具有普遍意義的基本過程,包括神經信號的發(fā)生、轉導、傳導、及突觸傳遞等。在離子通道方面,將會發(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含子與外顯子的界線,從而推出通道類型間的自然進化關系,形成通道的分類模式,并揭示通道類型間的家族關系。對于神經遞質存貯、保持、釋放、調節(jié)過程目前已經有了一幅概圖,其中的一些精細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,神經遞質受體的分子特性、遞質和受體的相互作用無疑將在腦科學中占有關鍵的地位,對由G蛋白偶合的第二信使級聯(lián)反應所介導的信號轉導方式及其在腦功能中的作用的研究會有重要的拓展。
　　人們將不斷揭示新的神經調制方式,對神經系統(tǒng)控制其自身特性方式的多樣性形成更完整的認識。這些研究所具有的潛在的應用價值將會更充分、更明顯地表現(xiàn)出來。例如,神經遞質之間的關系,以及它們如何取得平衡,顯然是一個重要的理論問題,而這種平衡正是保障腦和機體正常功能的基礎。一旦我們對這一問題有更深刻的了解,并且對失衡所造成的影響有更細致的分析,人們就有可能采用新的方式來補充缺少的遞質或者減少、阻遏多余的遞質所產生的效應,從而恢復腦和機體中固有的平衡。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。隨著對神經遞質受體的認識不斷深入,以及新的分子生物學方法的發(fā)展,人們已能克隆受體基因并決定其分子結構,這就從原理上為設計良好的藥物提供了可能性。
　　3.2 中樞神經的再生繼續(xù)成為熱點
　　神經系統(tǒng)發(fā)育的關鍵問題之一,是細胞運動和誘導信號的相互作用。應用低等動物簡單神經系統(tǒng)對這種相互作用的細致分析,以及作為其基礎的細胞間信號傳導、轉錄調節(jié)、基因表達的研究將繼續(xù)成為研究的重點。對在發(fā)育過程中神經元整合各種分子信號形成突觸和組成回路的研究將取得重大進展,將有更多的神經營養(yǎng)因子被鑒定,相應的受體被發(fā)現(xiàn),它們在發(fā)育中和成年腦中的作用將逐漸被闡明。這些研究的進展將使人們更清楚地認識到,在發(fā)育過程中遺傳突變的表達如何引起神經系統(tǒng)的缺損。
　　神經系統(tǒng)的發(fā)育和再生是同一問題的兩個側面。中樞神經系統(tǒng)的再生,將繼續(xù)成為研究的熱點。對于成熟的中樞神經系統(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行實驗性嘗試,去克服妨礙其再生的因子�？梢云谕�在不久的將來,人們對這一問題的認識會大大加深,這將為利用腦內移植或其他方法成功地促進中樞神經的再生奠定基礎,許多退行性中樞神經系統(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
　　在應用分子遺傳學的方法對遺傳性神經系統(tǒng)疾患的研究方面,已經有了良好的開端,若干影響腦正常發(fā)育或產生進行性腦變性的缺損基因已經被定位或鑒定。迄今為止,所考察過的基因還不過是組成人類基因組(約為4萬個基因)中的百分之幾,隨著基因組研究的進展,這方面進展的步伐將會大大加快。同時,運用基因定位技術,有可能追蹤DNA的某種標志,以確定是否存在某種特定的基因,并利用這種標志在癥狀出現(xiàn)之前就發(fā)現(xiàn)遺傳性疾病。在未來幾十年內,人們將能預測大部分的遺傳性疾病的未來表達或確定缺損基因的定位,產前診斷和遺傳篩選程序將大大降低某些疾病的發(fā)病率。鑒定缺損基因之后,將對這些基因如何引起病癥的機制進行探索。只有當對致病機制有深入了解之后,才可能有針對性地發(fā)展某種藥物或治療方法,防止或阻遏病理性變化。
　　對于神經性和通訊性(言語和聽覺性)疾患所發(fā)生的神經系統(tǒng)變性,將能更早地做出精確的診斷。新的外科技術和神經性修復術(助聽器、助視器、人工肢體等)的發(fā)展將進一步減輕神經系統(tǒng)疾患的嚴重后果。對于病毒引起的神經系統(tǒng)損傷將發(fā)展出更有效的治療手段。神經營養(yǎng)性因子和神經干細胞將為神經退行性疾病的治療提供廣闊的前景。對這些因子的研究,加上遺傳工程的方法,并與腦移植結合起來,最終導致產生新的治療方法,修復因事故、中風、各種神經系統(tǒng)疾病所致的腦損傷。目前,迅速發(fā)展的基因療法可能使某些神經性疾患完全被治愈。
　　3.4 腦的高級功能研究將產生重大突破
　　對于腦的高級功能,諸如感知、運動控制、學習記憶、情緒、語言、意識等的認識,可能會取得突破性的進展。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、神經元的興奮和抑制等概念與腦的高級功能溝通起來�，F(xiàn)有的腦成象技術的時間、空間分辨能力將大幅度提高,新的無創(chuàng)傷檢測腦活動的技術將進一步發(fā)展起來,在清醒動物上,多電極同時記錄不同腦區(qū)神經元的技術將出現(xiàn)突破,從而更緊密的把神經元群體活動和高級功能研究結合起來。計算神經科學的發(fā)展將進一步揭示腦執(zhí)行各種高級功能的算法�；�于神經生物學的實驗資料及基于數學和物理上的分析的腦高級功能的模型,有可能在腦科學中產生重大突破。
　　
　　參考文獻
　　[1]壽天德.神經生物學[M].高等教育出版社,2001.
　　[2]徐科.神經生物學綱要[M].科學出版社,2001.
　　[3]錢卓,胡應和.二十一世紀腦科學的前沿:腦功能基因組學[J].科學文化評論,2004(4).
　　[4]李光,方路平,顧凡及,童勤業(yè).腦科學研究漸成熱點[J].國際學術動態(tài),2008(1).
　　[5]韓力群.仿腦智能系統(tǒng)[J].北京工商大學學報(自然科學版),2005(1).
　　[6]林崇德,羅良.認知神經科學關于智力研究的新進展[J].北京師范大學學報(社會科學版),2008(1).
　　[7]楊雄里.神經科學的前景展望[R].復旦神經生物學講座,1998.

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