楊雄里

對(duì)神經(jīng)科學(xué)發(fā)展前景的思考

楊雄里

近半個(gè)世紀(jì)以來，由于科學(xué)家的不懈努力，神經(jīng)科學(xué)研究取得了飛速發(fā)展。闡明腦功能以及腦運(yùn)行機(jī)制的新發(fā)現(xiàn)不斷涌現(xiàn)，新成果接踵而至，新觀點(diǎn)層出不窮，深刻地改變了人們對(duì)腦工作原理的認(rèn)識(shí)。我本人是在1960年代初期進(jìn)入這個(gè)領(lǐng)域的，那時(shí)正值神經(jīng)科學(xué)作為一門綜合性的學(xué)科而崛起之前夜，因而有幸見證了這半個(gè)世紀(jì)當(dāng)中神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域所發(fā)生的革命性變化。借此機(jī)會(huì)，打算就神經(jīng)科學(xué)的發(fā)展現(xiàn)況與前景，談?wù)剛€(gè)人的一點(diǎn)思考。

腦功能研究的進(jìn)展

神經(jīng)科學(xué)在近半個(gè)世紀(jì)的探索中，應(yīng)用了各種形態(tài)學(xué)技術(shù)和電生理技術(shù)，尤其在1960年代以后，應(yīng)用了新興細(xì)胞生物學(xué)和分子生物學(xué)所提供的新方法，對(duì)于在微觀層面（細(xì)胞和分子水平）上神經(jīng)活動(dòng)的基本過程有了相當(dāng)清楚的認(rèn)識(shí)。與此相關(guān)的問題包括：神經(jīng)細(xì)胞的電活動(dòng)是怎么產(chǎn)生的？何種形態(tài)的神經(jīng)細(xì)胞產(chǎn)生怎樣的電活動(dòng)？電信號(hào)在神經(jīng)細(xì)胞之間如何經(jīng)突觸進(jìn)行傳遞，在突觸前和突觸后又發(fā)生了什么？電信號(hào)在通過突觸進(jìn)行傳遞的過程中如何被調(diào)制？神經(jīng)科學(xué)對(duì)于在腦的若干重大疾病過程中，在細(xì)胞和分子層面上所發(fā)生的變化，也有了相當(dāng)深入的了解。在宏觀層面上，無創(chuàng)傷腦成像技術(shù)使得科學(xué)家能夠在無創(chuàng)情況下研究腦不同分區(qū)大群神經(jīng)元的總體活動(dòng)及其動(dòng)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(gè)方面的研究互相推動(dòng)、互相促進(jìn)，促成了人們對(duì)腦和神經(jīng)系統(tǒng)工作原理與運(yùn)行機(jī)制的認(rèn)識(shí)深化。

科學(xué)家在為已經(jīng)取得的研究進(jìn)展而歡欣鼓舞的同時(shí)，又清醒地意識(shí)到，對(duì)腦功能的認(rèn)識(shí)還存在相當(dāng)多的不足之處。目前的研究要么聚焦在單個(gè)神經(jīng)細(xì)胞或少數(shù)幾個(gè)神經(jīng)細(xì)胞所組成的神經(jīng)回路上，要么應(yīng)用無創(chuàng)傷腦成像技術(shù)對(duì)大群神經(jīng)細(xì)胞的活動(dòng)進(jìn)行分析，而由于目前腦成像技術(shù)僅具備有限的空間和時(shí)間分辨率，故對(duì)神經(jīng)細(xì)胞集群中各組成單元的活動(dòng)幾乎一無所知或所知甚少?？梢宰鲞@樣一個(gè)比喻，聚焦于單個(gè)神經(jīng)細(xì)胞或由幾個(gè)神經(jīng)細(xì)胞所組成神經(jīng)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(xì)節(jié)，卻忽略了整個(gè)畫面；而應(yīng)用無創(chuàng)傷腦成像技術(shù)對(duì)大群神經(jīng)細(xì)胞的研究，因?yàn)橹痪邆溆邢薜目臻g分辨率，所以得到的是一個(gè)細(xì)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(xué)家的了解還相當(dāng)有限。

眾所周知，神經(jīng)系統(tǒng)的基本組成單元是神經(jīng)元（即神經(jīng)細(xì)胞），但神經(jīng)元在神經(jīng)系統(tǒng)中并不是孤立存在的，而且單個(gè)神經(jīng)元無法實(shí)施神經(jīng)系統(tǒng)的功能。神經(jīng)元必須通過突觸相互連接所形成的神經(jīng)回路，才有可能實(shí)施某種功能。組成神經(jīng)回路的細(xì)胞數(shù)，少則幾百，多則上萬，甚至上百萬。這就提出了一個(gè)問題：大群神經(jīng)元的活動(dòng)是如何動(dòng)態(tài)地進(jìn)行組合、編碼、加工，最終實(shí)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(gè)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(dá)喜悅、哀傷等情緒，讓人產(chǎn)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(jīng)回路，其組成的每個(gè)神經(jīng)元所產(chǎn)生的單個(gè)神經(jīng)信號(hào)相當(dāng)于樂曲里的單個(gè)音符，這些單個(gè)的音符其實(shí)沒有什么特定的意義。毋寧說，大群神經(jīng)元此起彼伏的音符所產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)活動(dòng)模式（pattern，相當(dāng)于音樂中的旋律），才對(duì)實(shí)施神經(jīng)系統(tǒng)的功能具有關(guān)鍵意義。遺憾的是，我們現(xiàn)在若要對(duì)組成回路的大群神經(jīng)元活動(dòng)進(jìn)行同時(shí)記錄，仍缺乏有效的手段。

面對(duì)這種現(xiàn)況，科學(xué)家將致力于研發(fā)分辨率高得多的成像技術(shù)，從而有可能同時(shí)對(duì)大群神經(jīng)元的活動(dòng)進(jìn)行卓有成效的分析。這樣一些技術(shù)必然是與納米技術(shù)、電子探針等新技術(shù)緊密結(jié)合在一起的。如果把應(yīng)用這些技術(shù)的同時(shí)記錄與動(dòng)物行為掛起鉤來，進(jìn)而把對(duì)動(dòng)物的研究擴(kuò)展到對(duì)人的研究，就有可能使科學(xué)家在探索腦的奧秘過程中，不斷跨越溝壑，向前推進(jìn)。以此為主要目標(biāo)的美國(guó)腦研究計(jì)劃中有一句生動(dòng)的口號(hào)：“記錄神經(jīng)回路中每個(gè)神經(jīng)元的每個(gè)動(dòng)作電位（recording every spike from every neuron in a circuit）。”對(duì)此各位一定記憶猶新，因?yàn)檫@句口號(hào)在中國(guó)的報(bào)刊上曾被大肆渲染過。不過在我看來，同時(shí)記錄大群神經(jīng)細(xì)胞的反應(yīng)固然是重要的，但要記錄每一個(gè)神經(jīng)元的每一個(gè)動(dòng)作電位，既不必要，也不可能。有關(guān)這方面的討論可以參閱我的有關(guān)論文。重要的仍然是找出實(shí)現(xiàn)機(jī)體功能的神經(jīng)回路活動(dòng)的模式。

對(duì)神經(jīng)科學(xué)前景的思考

從1950年代起，在細(xì)胞和分子層面上對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)的研究長(zhǎng)久占據(jù)著主導(dǎo)地位。今后在這個(gè)層面上的研究無疑將繼續(xù)向前推進(jìn)。當(dāng)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(dòng)物的中樞神經(jīng)系統(tǒng)不能再生？但是，或許可以這么說：對(duì)這一類型的研究走向何方，我們?cè)谝欢ǔ潭壬弦呀?jīng)能夠把握，并且可以大致預(yù)測(cè)將得到什么。而在腦的高級(jí)功能，特別是復(fù)雜高級(jí)功能的研究方面，情況完全不同，我們甚至很難想象將來會(huì)展現(xiàn)何種新面貌，就像我們?cè)诮沂净驅(qū)τ谏砉δ艿闹匾饔弥八?jīng)處于的情景。在我看來，正因?yàn)槿绱?，最有顯著意義的進(jìn)展可能會(huì)發(fā)生在對(duì)腦的高級(jí)功能的認(rèn)識(shí)上。

追溯科學(xué)的歷史，在相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，所謂的心—腦二元論（mind-brain dualism）曾經(jīng)長(zhǎng)期占據(jù)著統(tǒng)治地位，從柏拉圖（Plato）到笛卡爾（Rene Descartes）都認(rèn)為身體（body）和心智（mind）是分離的，也就是說，他們不認(rèn)為精神活動(dòng)是大腦神經(jīng)系統(tǒng)活動(dòng)的產(chǎn)物。這樣的觀點(diǎn)甚至在1980年代依然流行，一個(gè)突出的標(biāo)志是奧地利科學(xué)哲學(xué)家波普爾（Karl Popper）和諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)得主、澳大利亞神經(jīng)生理學(xué)家?？藸査梗↗ohn Carew Eccles）兩人支持這種生命的二元論。他們?cè)凇蹲晕壹捌浯竽X》（《The Self and Its Brain》）這本書中詳細(xì)闡述了自己的觀點(diǎn)，有興趣的讀者可以參閱?，F(xiàn)在，絕大多數(shù)科學(xué)家都認(rèn)為精神活動(dòng)的物質(zhì)基礎(chǔ)是大腦的神經(jīng)活動(dòng)。

剛才我已經(jīng)談了應(yīng)用功能性磁共振成像技術(shù)對(duì)腦高級(jí)活動(dòng)的研究，在這方面還可以舉一個(gè)生動(dòng)的例子。打牌時(shí)，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(gè)腦區(qū)會(huì)異?；钴S。我以此例想要說明的是，對(duì)于一些人們?cè)瓉碚J(rèn)為很難研究的問題（如說謊），科學(xué)家現(xiàn)在已經(jīng)開始有可能研究了。不過還要清醒地意識(shí)到，對(duì)于腦的高級(jí)功能，目前認(rèn)識(shí)到的還只是冰山一角，而這方面的研究不僅有科學(xué)上的意義，還涉及深刻的哲學(xué)思考。有一個(gè)大家熟悉的視錯(cuò)覺——米勒—萊爾錯(cuò)覺（Müller-Lyer illusion）。在加上透視背景之后，觀察者強(qiáng)烈地把兩根等長(zhǎng)線段感知為不等長(zhǎng)。這個(gè)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(shí)映像。迄今為止對(duì)視覺的研究強(qiáng)烈提示，在進(jìn)行視覺感知時(shí)，大腦中存在一種主動(dòng)的視覺過程，而不是單純地對(duì)視網(wǎng)膜上的映像進(jìn)行解碼。這就是說，人的神經(jīng)系統(tǒng)在長(zhǎng)期進(jìn)化過程中會(huì)形成一個(gè)模板，這個(gè)模板對(duì)感知對(duì)象進(jìn)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(jīng)科學(xué)的探討，無疑將有助于深化和發(fā)展現(xiàn)有的哲學(xué)觀點(diǎn)。

關(guān)于腦的高級(jí)功能，還有更多有待進(jìn)一步探討的問題。我們都相信，精神活動(dòng)是由大腦神經(jīng)系統(tǒng)的活動(dòng)所產(chǎn)生的，但是當(dāng)大腦活動(dòng)升華為精神活動(dòng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一些與物質(zhì)世界運(yùn)動(dòng)不同的現(xiàn)象，對(duì)這樣一些現(xiàn)象需要運(yùn)用不同的技術(shù)、不同的觀點(diǎn)、不同的理論來加以分析。以做夢(mèng)為例，科學(xué)家現(xiàn)在可以通過檢測(cè)快速眼動(dòng)（rapid eye movement, REM）腦電波，知道睡眠者正在做夢(mèng)。但除了傾聽做夢(mèng)者的主訴，或者通過他在做夢(mèng)過程中所說的夢(mèng)囈以外，難道還有什么客觀手段來了解睡眠者在做什么夢(mèng)嗎？有一句常用的口頭禪：“誰知道他在想什么！”就夢(mèng)而言，可以說：“誰知道他在做什么夢(mèng)？”迄今為止，這樣說基本上還是對(duì)的。弗洛伊德（Sigmund Freud）在《夢(mèng)的解析》（The Interpretation of Dreams）中曾說：“對(duì)夢(mèng)的本質(zhì)了解以及對(duì)其不可思議性提供客觀上的了解，科學(xué)為此能夠做的，如果不是說一點(diǎn)都沒有，也只能說是微乎其微。”時(shí)至今日，這番話仍然符合實(shí)際情況。前幾年放映過一部美國(guó)科幻電影《盜夢(mèng)空間》，媒體上對(duì)盜夢(mèng)是否可能曾進(jìn)行過不少討論。在我看來，在可以預(yù)見的將來，這只是科學(xué)上的幻想。理由很簡(jiǎn)單：既然我們對(duì)別人做什么夢(mèng)都不知道，我們又如何去盜夢(mèng)呢？神經(jīng)科學(xué)已經(jīng)取得了飛速的發(fā)展，但是我們一定不能對(duì)神經(jīng)科學(xué)已經(jīng)取得的成就及今后的發(fā)展估計(jì)過高，對(duì)腦的高級(jí)功能的復(fù)雜性必須有足夠充分的認(rèn)識(shí)。

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(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)的得主，早年受過嚴(yán)格的精神科醫(yī)師訓(xùn)練，但是在1965年，他毅然決然地轉(zhuǎn)到從細(xì)胞和分子水平上對(duì)學(xué)習(xí)和記憶進(jìn)行研究，并用細(xì)胞和分子生物學(xué)的語(yǔ)言，很好地解釋了學(xué)習(xí)和記憶的一些基本過程。在2000年12月10日諾貝爾獎(jiǎng)授獎(jiǎng)儀式結(jié)束后的午餐會(huì)上，坎德爾做了一個(gè)精彩的發(fā)言。他講述道，21世紀(jì)對(duì)于心智的研究，堪比20世紀(jì)對(duì)基因的研究。他最后說道：“心智的生物學(xué)研究并不只是前景遠(yuǎn)大的自然科學(xué)探索，也是一種重要的人文方面的追求；它架設(shè)起自然科學(xué)和人文科學(xué)之間的橋梁，這是一個(gè)新的整合，其成果將不僅使我們更好地認(rèn)識(shí)神經(jīng)、精神疾患，也將加深我們對(duì)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(duì)真理與絕對(duì)真理的關(guān)系。我們?cè)诿恳粋€(gè)時(shí)期不斷地探索和認(rèn)識(shí)關(guān)于腦的相對(duì)真理，但腦的奧秘是一個(gè)絕對(duì)真理，我們不可能窮盡這個(gè)絕對(duì)真理。直言之，我們不能指望有一天能宣布腦的奧秘已經(jīng)大白于天下。科學(xué)家能夠做的、也應(yīng)該能做到的，就是用堅(jiān)韌不拔的持續(xù)努力，逐漸去逼近這個(gè)絕對(duì)真理。探究腦的奧秘是一條漫長(zhǎng)的道路，我們將不斷上下求索。?

【作者單位：復(fù)旦大學(xué)腦科學(xué)研究院】

（摘自《科學(xué)》2017年第1期）