如何攻破自然科學(xué)“最后的堡壘”
時(shí)間： 2024-02-29 14:48
探索大腦的工作原理是對(duì)人類的一項(xiàng)巨大挑戰(zhàn)，它被譽(yù)為自然科學(xué)“最后的堡壘”、當(dāng)代科技“皇冠上的明珠”。為了破譯大腦的奧秘，科學(xué)家們采用化整為零的方法，從不同的層次開展腦科學(xué)研究，這些層次分別為分子、細(xì)胞、系統(tǒng)、行為和認(rèn)知。日前，美國(guó)哈佛大學(xué)約翰保爾森工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院的研究人員就推出了一種軟性植入式設(shè)備，能夠長(zhǎng)時(shí)間記錄大腦中單個(gè)神經(jīng)元的活動(dòng)。
在分子層次方面，科學(xué)家從微觀水平研究腦的物質(zhì)結(jié)構(gòu)。腦的物質(zhì)結(jié)構(gòu)中包含著許多奇特的分子，它們對(duì)于腦功能行使扮演著非常關(guān)鍵的角色。例如，神經(jīng)酰胺等“信使”類分子讓神經(jīng)元之間可以傳遞信號(hào)；通道蛋白等“衛(wèi)兵”類分子控制著不同的物質(zhì)進(jìn)出神經(jīng)元；軸突導(dǎo)向分子等“向?qū)А鳖惙肿訁f(xié)調(diào)神經(jīng)元的生長(zhǎng)。對(duì)腦的這些最基本成分的研究被稱為“分子神經(jīng)科學(xué)”，常用到原位雜交、克隆技術(shù)和轉(zhuǎn)基因動(dòng)物。
在細(xì)胞層次方面，科學(xué)家致力于研究大腦有多少不同種類的神經(jīng)元，它們的功能差異在哪里，不同的神經(jīng)元是如何互相傳遞信號(hào)，神經(jīng)元是如何對(duì)不同的信號(hào)進(jìn)行編碼。由于神經(jīng)元的反應(yīng)模式就是發(fā)放電信號(hào)，因此，科學(xué)家通過(guò)電極收集和記錄神經(jīng)元的反應(yīng)，利用膜片鉗技術(shù)和藥理學(xué)方法分析與其相關(guān)的細(xì)胞膜特性及神經(jīng)遞質(zhì)。這類研究往往在實(shí)驗(yàn)動(dòng)物上開展，也有些在離體培養(yǎng)的腦細(xì)胞上開展。
在系統(tǒng)層次方面，科學(xué)家們研究的主題是大腦的各種功能以怎樣的神經(jīng)環(huán)路作為基礎(chǔ)，信號(hào)是如何在神經(jīng)環(huán)路上運(yùn)行？例如，“視覺系統(tǒng)”和“運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)”在腦內(nèi)都擁有各自獨(dú)特的神經(jīng)環(huán)路。這些神經(jīng)環(huán)路涉及到數(shù)以億計(jì)的神經(jīng)元，要通過(guò)染色或示蹤技術(shù)觀察神經(jīng)元之間的連接方式，通過(guò)刺激和反應(yīng)分析其執(zhí)行功能時(shí)的動(dòng)態(tài)聯(lián)系。
在行為層次方面，科學(xué)家嘗試把人或動(dòng)物的行為與相關(guān)腦區(qū)及神經(jīng)環(huán)路聯(lián)系起來(lái)，有關(guān)動(dòng)物的研究為有關(guān)人類的研究打下基礎(chǔ)。例如，人為什么會(huì)做夢(mèng)？為什么會(huì)在特定的刺激下產(chǎn)生特定的情緒或行為？為什么擁有不同類型的記憶？記住陌生人的面孔和記住一首詩(shī)句涉及哪些不同的腦區(qū)？這些問(wèn)題與我們的日常生活相關(guān)。以人為對(duì)象的研究應(yīng)當(dāng)安全無(wú)創(chuàng)，腦電圖、腦磁圖、功能性磁共振成像、正電子發(fā)射型計(jì)算機(jī)斷層顯像、近紅外腦功能成像等技術(shù)在該領(lǐng)域發(fā)揮了重大作用。
在認(rèn)知層次方面，科學(xué)家的目標(biāo)是弄清人類的高級(jí)精神活動(dòng)，如自我意識(shí)、邏輯思維、聯(lián)想和語(yǔ)言的神經(jīng)機(jī)制。該領(lǐng)域的研究用到心理學(xué)、計(jì)算建模、腦成像等多種研究方法。該領(lǐng)域的課題是腦科學(xué)面臨的最大挑戰(zhàn)，因?yàn)榇竽X不同于其他器官之處就在于實(shí)現(xiàn)了從物質(zhì)到精神的跨越，可以思索浩瀚宇宙的秘密。
所有這些研究必須經(jīng)過(guò)巧妙的整合，人類才能完美詮釋大腦的奧秘。而要讓大腦的奧秘造福于人類，腦科學(xué)必須與其他學(xué)科相互交叉，從理論研究進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用。腦科學(xué)與教育學(xué)、認(rèn)知科學(xué)交叉形成了教育神經(jīng)科學(xué)；腦科學(xué)與數(shù)學(xué)交叉形成了神經(jīng)計(jì)算學(xué)；腦科學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)交叉形成了人工智能；腦科學(xué)與醫(yī)學(xué)交叉形成了臨床神經(jīng)科學(xué)；腦科學(xué)與工程學(xué)交叉形成了神經(jīng)工程學(xué)；腦科學(xué)與經(jīng)濟(jì)學(xué)交叉形成了神經(jīng)經(jīng)濟(jì)學(xué)；腦科學(xué)與哲學(xué)交叉形成了心靈哲學(xué)……隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，這些交叉領(lǐng)域的研究會(huì)越來(lái)越深入和廣泛，從而深刻影響到人類社會(huì)的方方面面。
人類憑借卓越的大腦從動(dòng)物界脫穎而出，成為最具創(chuàng)造力而強(qiáng)大的物種。期待人類在不斷探索外界的同時(shí)，更清晰地了解自身，以及自身與宇宙的關(guān)聯(lián)，這樣人類才能在一次又一次的自然選擇中生生不息，開創(chuàng)具有無(wú)限可能的未來(lái)。
（作者系華中師范大學(xué)副教授、中國(guó)神經(jīng)科學(xué)學(xué)會(huì)科普與繼續(xù)教育委員會(huì)委員）