毛星剛 章翔 章薇 陳石蕊 李金城 薛小燕

(第四軍醫(yī)大學(xué):1西京醫(yī)院神經(jīng)外科; 2藥學(xué)系藥理學(xué)教研室，陜西 西安 710032)

·醫(yī)學(xué)教育·

多學(xué)科交叉培養(yǎng)在神經(jīng)外科及腦科學(xué)教學(xué)中的作用

毛星剛1章翔1*章薇1陳石蕊1李金城1薛小燕2

(第四軍醫(yī)大學(xué):1西京醫(yī)院神經(jīng)外科;2藥學(xué)系藥理學(xué)教研室，陜西 西安 710032)

目的探討多學(xué)科交叉教育培養(yǎng)復(fù)合型人才對神經(jīng)外科及腦科學(xué)發(fā)展的意義。方法結(jié)合神經(jīng)外科和腦科學(xué)發(fā)展的歷史及最新研究進展，分析多學(xué)科交叉的重要性。結(jié)果過去及現(xiàn)在，神經(jīng)外科在基礎(chǔ)神經(jīng)科學(xué)發(fā)展中均有重要作用；最新的研究進展中，神經(jīng)外科為腦科學(xué)提出了重要問題，并提供了技術(shù)支撐；同時，現(xiàn)代神經(jīng)外科也高度依賴于基礎(chǔ)科學(xué)、數(shù)學(xué)、計算機等自然科學(xué)的發(fā)展。許多具有重要意義的創(chuàng)新性成果都來自于多學(xué)科的深度交融。結(jié)論實踐并探索多學(xué)科交叉培養(yǎng)復(fù)合型人才，對推動神經(jīng)外科及腦科學(xué)的發(fā)展具有重要意義。

神經(jīng)外科; 腦科學(xué); 多學(xué)科交叉; 融合; 復(fù)合型人才

作為生命科學(xué)和自然科學(xué)的前沿，腦科學(xué)越來越受到重視，也對科學(xué)家提出了更高的要求。美歐日等國相繼推出了各類“腦計劃”研究項目，投入巨資進行腦科學(xué)的基礎(chǔ)與應(yīng)用研究。在20世紀(jì)末、21世紀(jì)初，美國率先提出了“腦的十年計劃”，歐盟也啟動了為期10年的“歐洲人類大腦研究計劃”，日本政府宣布投入200億美元實施“腦科學(xué)時代”計劃；國際腦科學(xué)組織亦采取了多種舉措，以推動腦科學(xué)研究發(fā)展。美國政府提出的“腦計劃”[1]，其覆蓋范圍包括基因組學(xué)、發(fā)育學(xué)、功能學(xué)、人工智能的實現(xiàn)等多學(xué)科、多層面，用以推廣人類對大腦的認(rèn)識，并為一些重要的大腦疾病及軍事應(yīng)用尋找治療的新方案。在我國，腦科學(xué)與認(rèn)知科學(xué)被列入《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006～2020年)》八大前沿科學(xué)問題之一，作為事關(guān)我國未來發(fā)展的重大科技項目之一，“中國腦計劃”項目也已經(jīng)啟動。

很明顯，腦科學(xué)研究已從最初的結(jié)構(gòu)與形態(tài)學(xué)探索，逐漸擴展到了腦功能產(chǎn)生機制的研究。對于結(jié)構(gòu)與形態(tài)學(xué)研究，包括大腦的解剖、腦功能分區(qū)、細胞構(gòu)筑等，以及在細胞分類與纖維聯(lián)系等微觀結(jié)構(gòu)的研究已很深入，且進展迅速。首先有關(guān)大腦的解剖和功能分區(qū)越來越精細化，除以往的由細胞學(xué)和大體形態(tài)學(xué)為基礎(chǔ)的分區(qū)之外，近年來還提出了以基因、神經(jīng)遞質(zhì)、各類RNA表達為基礎(chǔ)的分子基因分區(qū)。其次，從微觀的細胞之間連接構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)也進行了細致研究。隨著自然科學(xué)、計算機信息化等的發(fā)展，人們越來越關(guān)注的終極問題是：在大腦物質(zhì)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上如何產(chǎn)生各類腦功能，包括人的各種感知(如視覺、聽覺)肢體運動甚至是思維和意識。對于這些問題的研究，將極大地依賴于多學(xué)科的交叉與融合。因此，當(dāng)代的腦科學(xué)是高度交叉的前沿學(xué)科，又是具有戰(zhàn)略地位的重要學(xué)科。培養(yǎng)腦科學(xué)的拔尖創(chuàng)新人才，對國家的發(fā)展、學(xué)科的進步均具有重要意義。

在當(dāng)今學(xué)科越來越細化的情況下，交叉學(xué)科人才的培養(yǎng)具有更大的挑戰(zhàn)與困惑。由于大腦具有極其復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，神經(jīng)外科專家和神經(jīng)生物學(xué)家都需要非常豐富的專業(yè)經(jīng)驗才能夠?qū)ζ溆猩钊氲睦斫馀c掌握；而高速發(fā)展的以腦科學(xué)為基礎(chǔ)的人工智能，依賴于專業(yè)的數(shù)理計算機科學(xué)，這也是外科醫(yī)生或生物學(xué)家難以理解的問題。例如，生物學(xué)前沿的腦機接口可以實現(xiàn)癱瘓患者對肢體的控制，其所需的手術(shù)技能高度依賴于經(jīng)驗豐富的神經(jīng)外科學(xué)專家，而該技術(shù)所涉及到的電生理解碼、信號轉(zhuǎn)化及控制技術(shù)等，又必須高度依賴于現(xiàn)代自然科學(xué)技術(shù)。若對這些相互交叉的領(lǐng)域有更加深入的研究，則需要對多個領(lǐng)域都很熟練的交叉復(fù)合型人才來處理。結(jié)合現(xiàn)今腦科學(xué)的發(fā)展趨勢，培養(yǎng)相關(guān)復(fù)合型人才至少需要以下幾個重點學(xué)科的深入結(jié)合，包括：臨床醫(yī)學(xué)、基礎(chǔ)神經(jīng)科學(xué)、數(shù)字自然科學(xué)及計算機科學(xué)等(圖 1)。

圖1 神經(jīng)外科與多學(xué)科交叉對推動腦科學(xué)發(fā)展有重要意義
Fig 1 The intersection of neurosurgery and multidisciplinary sciences is important to the development of brain science

一、神經(jīng)外科學(xué)與腦科學(xué)交叉培養(yǎng)及教育

神經(jīng)外科在腦科學(xué)的發(fā)展中一直具有舉足輕重的地位。醫(yī)學(xué)是腦科學(xué)問題的出發(fā)點之一，大量經(jīng)典的神經(jīng)科學(xué)問題以及現(xiàn)代的腦科學(xué)、人工智能等應(yīng)用實例均與臨床醫(yī)學(xué)關(guān)系密切。例如大腦的運動語言中樞Broca區(qū)最初就是由外科醫(yī)生所發(fā)現(xiàn)。19世紀(jì)60年代，法國外科醫(yī)師、神經(jīng)病學(xué)家布羅卡(Broca P, 1824～1880)遇到一例腦外傷后失去語言功能的患者，于患者去世之后經(jīng)尸檢發(fā)現(xiàn)大腦額下回受損，從而確定了運動性言語中樞(即Broca區(qū))的位置。類似的在1874年，奧地利醫(yī)師威爾尼克發(fā)現(xiàn)了另一個稱之為威爾尼克區(qū)(Wernicke area)的語言中樞。目前廣泛采用的大腦皮質(zhì)分區(qū)，則是德國神經(jīng)科醫(yī)師布羅德曼(Brodmann K, 1868～1918)在20世紀(jì)初根據(jù)大腦皮層不同區(qū)域的細胞構(gòu)筑不同而分為52個區(qū)域。20世紀(jì)50年代，美國神經(jīng)外科醫(yī)師斯科維爾(Scoville W)治療一例頭部外傷后的癲癇患者，手術(shù)切除了大腦海馬組織及其周圍的部分顳葉內(nèi)側(cè)部，術(shù)后患者癲癇得到明顯控制，但卻喪失了記憶，因而為大腦記憶的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)提供了重要的線索。這些都是歷史上比較經(jīng)典的外科學(xué)與基礎(chǔ)神經(jīng)科學(xué)相結(jié)合的范例，沿用至今而經(jīng)久不衰。這些成果為現(xiàn)代外科學(xué)和基礎(chǔ)神經(jīng)科學(xué)奠定了堅實的基礎(chǔ)。因此我們認(rèn)為，在培養(yǎng)學(xué)生方面，應(yīng)注重結(jié)合歷史典故與實際，讓學(xué)生不僅從專業(yè)的角度，更從歷史的宏觀方面去理解交叉學(xué)科的重要性，激發(fā)他(她)們的興趣，從而引導(dǎo)其在實際工作中能夠提出并解決新問題的能力。

現(xiàn)代神經(jīng)外科領(lǐng)域已經(jīng)取得重要研究進展，在臨床上已成功開展的技術(shù)，包括深部腦刺激(deep brain stimulation, DBS)，臨床應(yīng)用主要包括以下幾方面：椎體外系運動障礙疾病如帕金森病(Parkinson's disease)、亨廷頓氏舞蹈癥(Huntington's disease)、癲癇、昏迷患者脊髓刺激、難治性精神心理疾病如強迫癥、抑郁癥等。另外，癲癇的形成受到復(fù)雜的皮層之間神經(jīng)連接網(wǎng)絡(luò)的控制[2]。通過深部腦刺激(deep brain stimulation, DBS)技術(shù)，在大腦相關(guān)核團植入刺激電極，可調(diào)控此神經(jīng)連接網(wǎng)絡(luò)，從而達到緩解、甚至治愈的效果[3]。功能神經(jīng)外科的進展是現(xiàn)代外科學(xué)與基礎(chǔ)神經(jīng)科學(xué)、自然科學(xué)緊密結(jié)合的術(shù)式，更是一個多學(xué)科交叉融合的代表。這方面的研究技術(shù)依賴于基礎(chǔ)神經(jīng)科學(xué)、計算機科學(xué)及工程控制學(xué)的進步，而它在臨床的應(yīng)用，則又可以獲得新的觀察結(jié)果，提出新的問題，反過來促進了基礎(chǔ)神經(jīng)科學(xué)的研究。在教學(xué)方面，應(yīng)當(dāng)結(jié)合發(fā)展歷史以及這些技術(shù)的原理進行培養(yǎng)與教育，激發(fā)學(xué)生從不同角度來思考問題與探索的能力。

二、神經(jīng)外科學(xué)與前沿科學(xué)的交叉教育

除經(jīng)典的外科與腦科學(xué)的問題之外，更需要引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)并了解前沿的科學(xué)研究狀況。例如在當(dāng)代的腦科學(xué)研究中，人機接口是備受矚目的一個領(lǐng)域，它與臨床關(guān)系較密切、涉及到癱瘓患者肢體功能的康復(fù)及采用深部腦刺激技術(shù)治療腦功能性疾病。對于意念控制肢體活動的研究，大多來自于神經(jīng)功能缺失患者，包括視覺[4]、聽覺、嗅覺喪失患者及癱瘓者。通過對脊髓損傷患者大腦皮層植入電極，接受并分析患者的腦電波，從而解碼為運動指令，再通過指令控制機械手臂，最終實現(xiàn)患者控制肢體動作[5]?；趯χw運動中樞模式發(fā)生器(central pattern generator, CPG)的研究、腦電分析理論與技術(shù)的進步，可讓癱瘓者于意識控制下進行較為簡單的動作。然而，進一步精細的活動及其他復(fù)雜的行為，目前尚在研究探索之中。這方面的研究與應(yīng)用，病例及需求來源于臨床，其技術(shù)的實現(xiàn)也依賴于臨床神經(jīng)外科手術(shù)。另外，這些患者的治療方案及發(fā)病原理都需要神經(jīng)外科醫(yī)生的參與。因此，醫(yī)學(xué)，尤其是神經(jīng)外科學(xué)，是引導(dǎo)腦科學(xué)及人工智能發(fā)展的重要領(lǐng)域。這些病例在臨床上也屬于多學(xué)科交叉治療范疇，而其所涉及的技術(shù)，則含有工程學(xué)、控制論、計算機科學(xué)、人工智能、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等多個學(xué)科。在教育與培養(yǎng)方面，需要引導(dǎo)學(xué)生展開聯(lián)想與思維，并積極參與學(xué)習(xí)，了解相關(guān)知識及原理。只有具備多學(xué)科綜合理論與實踐技能的人才，才有可能在實踐中潛移默化地影響其思想，從而發(fā)揮多學(xué)科交叉融合的優(yōu)勢。

三、神經(jīng)外科學(xué)與基礎(chǔ)神經(jīng)科學(xué)研究的交叉融合教育

另一個與腦科學(xué)密切相關(guān)的是基礎(chǔ)研究，包括生物學(xué)、神經(jīng)科學(xué)等。生物學(xué)技術(shù)的蓬勃發(fā)展在腦科學(xué)與神經(jīng)外科學(xué)的多個方面都起到了很好的推動作用。不難看出，神經(jīng)外科臨床實踐中的許多原理，都得益于基礎(chǔ)學(xué)科的研究進展。雖然前沿的一些研究距離臨床應(yīng)用尚有距離，但對于腦科學(xué)而言，擁有基礎(chǔ)學(xué)科研究進展的視角，不僅給臨床的新技術(shù)和新治療方案的研發(fā)提供了潛在的方向，也為現(xiàn)代腦科學(xué)研究提供了良好的平臺和技術(shù)支持[6]。近年來基因組技術(shù)以及醫(yī)學(xué)大數(shù)據(jù)的出現(xiàn)，對進一步深入了解大腦的工作機制發(fā)揮了有力作用，并取得了明顯的進展。在基礎(chǔ)科學(xué)領(lǐng)域，一方面從形態(tài)學(xué)入手，人們從不同角度提供了越來越精細的大腦分區(qū)圖譜；另一方面在腦功能機制領(lǐng)域，則在不同的層面提出了大量的數(shù)學(xué)與計算機模型，例如，人們從多個層面繪制的大腦形態(tài)與功能圖譜十分詳細，涵蓋范圍為功能分區(qū)、細胞學(xué)分區(qū)、以及以分子標(biāo)記物與基因表達、非編碼RNA表達、啟動子活性等為基礎(chǔ)的分子學(xué)分區(qū)[7-8]。在微觀層面上，則從單個細胞水平，對大腦局部區(qū)域的形態(tài)、功能進行了詳細的研究，并構(gòu)建了相關(guān)形態(tài)及功能網(wǎng)絡(luò)[9]，極大地豐富了神經(jīng)科學(xué)研究內(nèi)容。這些不同層次、不同領(lǐng)域的發(fā)展對腦科學(xué)、尤其是深入理解大腦的工作原理，從不同的方面進行了深入探討?；蚣夹g(shù)的發(fā)展則從分子層面進一步了解大腦的工作機制。同時基因?qū)用娴难芯繉Υ竽X相關(guān)疾病的發(fā)病機制及治療也有重要意義?；A(chǔ)科學(xué)的快速發(fā)展產(chǎn)生了大量有關(guān)腦科學(xué)的大數(shù)據(jù)，醫(yī)學(xué)大數(shù)據(jù)的解讀研究，更是交叉學(xué)科教育所面臨的重要任務(wù)[10]。

四、神經(jīng)外科學(xué)與自然科學(xué)的交叉教育

醫(yī)學(xué)生物學(xué)以及神經(jīng)科學(xué)與數(shù)理計算機等自然科學(xué)交叉并產(chǎn)生豐碩成果的例子早已有之。早在20世紀(jì)40年代，著名的量子物理學(xué)家薛定諤就出版了《生命是什么-活細胞的物理學(xué)觀》，并對生物學(xué)產(chǎn)生了巨大影響。例如DNA雙螺旋分子的發(fā)現(xiàn)者沃森，就受到了這本書的影響。對現(xiàn)代腦研究起了重要推動作用的另一個科學(xué)家是著名的數(shù)學(xué)家、控制論提出者諾伯特·維納(Norbert Wiener, 1894～1964)，他強調(diào)了從信息處理的角度來建立和生物系統(tǒng)同構(gòu)的數(shù)學(xué)模型，這對后世的腦科學(xué)研究、尤其是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等人工智能的發(fā)展起了重要的推動作用。正是在維納的影響之下，麥克卡洛(Warren Sturgis McCulloch, 1898～1969)和匹茨(Walter Harry Pitts, Jr., 1923～1969)于1943年就建立起了人工神經(jīng)元的數(shù)學(xué)模型[11]，為以后的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)奠定了基礎(chǔ)。由于構(gòu)成大腦活動最重要的基本結(jié)構(gòu)是神經(jīng)元(neuron)，因而以神經(jīng)元及神經(jīng)元連接而成的網(wǎng)絡(luò)作為研究對象，從而模擬大腦運作已成為極具潛力的研究方向。經(jīng)過半個多世紀(jì)的發(fā)展，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)已從多個層面展開了深入的研究，包括：①單個神經(jīng)元的功能，主要是其對輸入如何整合并輸出傳出信號的數(shù)學(xué)物理機制，這些成果將為人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)-人工神經(jīng)元提供重要的依據(jù)。該項研究已從細胞膜離子通道等電生理的產(chǎn)生機制，深入到以量子力學(xué)為基礎(chǔ)的物理化學(xué)機制；②以人工神經(jīng)元為研究單位，模擬并構(gòu)建神經(jīng)元之間的連接，形成人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(neural network)模型，用以解決生物學(xué)功能機制以及類腦智能的實現(xiàn)；③在更為宏觀的層面，則以大腦功能分區(qū)(實際上是由大量神經(jīng)元組成的神經(jīng)元群)為單位，研究不同功能分區(qū)之間的聯(lián)系，形成功能神經(jīng)連接網(wǎng)絡(luò)。為了精確研究大腦功能，并將其應(yīng)用于“類腦智能”的實踐，這多方面的研究均需要引入數(shù)學(xué)及計算機模型。例如以神經(jīng)元為單位的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)研究包含了多種模型，如前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、反饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、動態(tài)遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等[12]。這些數(shù)學(xué)計算機理論與神經(jīng)生物學(xué)研究交叉融合，已經(jīng)產(chǎn)生了很多有價值的成果，例如，人類或其他動物的很多行為受到CPG的控制。典型的模型包括：椎實螺尋找食物的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可由2個神經(jīng)元構(gòu)成[13]；癱瘓者可在意識控制下進行較為簡單的動作，即是基于對肢體運動CPG的研究以及腦電分析應(yīng)用。以上所述只是最新的一些研究成果的例證。在培養(yǎng)與教學(xué)過程中，可以通過實際例子的講解，一方面讓學(xué)生了解神經(jīng)生物學(xué)以外的一些數(shù)理自然科學(xué)的理論機制，更重要的是培養(yǎng)學(xué)生交叉融合科學(xué)的思維方式。在神經(jīng)外科實踐與研究的過程中，合理借鑒于數(shù)學(xué)計算機等自然科學(xué)的理論作為有力的工具，從而為腦科學(xué)的研究提供具有持久生命力的理念。諸如現(xiàn)時的神經(jīng)外科學(xué)的進展，在一定程度上依賴于神經(jīng)顯微鏡、神經(jīng)內(nèi)鏡、神經(jīng)導(dǎo)航、神經(jīng)影像學(xué)等技術(shù)的進展[14-15]，這些技術(shù)無疑與自然科學(xué)有密切聯(lián)系，具有多學(xué)科技能的人才可以更大地發(fā)揮交叉融合學(xué)科的優(yōu)勢，從而以開創(chuàng)性的推動腦科學(xué)的發(fā)展。

五、小結(jié)

大腦的奧秘是人類探索的重要目標(biāo)，神經(jīng)外科學(xué)作為直接與大腦接觸并觀察的特殊學(xué)科，理應(yīng)承擔(dān)并作出重要的貢獻。過去一個多世紀(jì)，人們對大腦結(jié)構(gòu)與形態(tài)學(xué)的研究已取得了很大成果。如何進一步解析大腦結(jié)構(gòu)的意義，以及在此結(jié)構(gòu)與形態(tài)學(xué)上出現(xiàn)的功能機制，最終闡明人的意識產(chǎn)生的原理，將是接下來腦科學(xué)以及神經(jīng)外科學(xué)所面臨的新任務(wù)。雖然現(xiàn)代學(xué)科劃分越來越精細，分工也越來越明顯，但是人們也意識到，現(xiàn)今腦科學(xué)研究需要深入掌握多學(xué)科的復(fù)合型人才，實踐并探索多學(xué)科交叉融合以培養(yǎng)復(fù)合型神經(jīng)外科學(xué)人才的方法，將對腦科學(xué)的發(fā)展產(chǎn)生積極的推動作用。

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Thesignificanceofmultidisciplinarytraininginneurosurgeryandbrainscienceteaching

MAOXinggang1,ZHANGXiang1,ZHANGWei1,CHENShirui1,LIJincheng1,XUEXiaoyan2

1DepartmentofNeurosurgery,XijingHospital;2DepartmentofPharmacology,SchoolofPharmacy,FourthMilitaryMedicalUniversity,Xi'an710032, China

ObjectiveThe significance of multidisciplinary education for the training of complex talents in Department of Neurosurgery and brain science was explored.MethodsBy considering the history of Department of Neurosurgery and brain science development and the latest research progress, the importance of interdisciplinary and its innovative results were analyzed.ResultsBoth in the past and at present, neurosurgery played an important role in the development of neuroscience. Neurosurgery not only raised the important questions but also provided the technical support for brain science. At the same time, modern Department of Neurosurgery was also highly dependent on the development of basic science, mathematics, computers and other natural sciences. Actually, many innovative achievements of great significance came from the comprehensive integration of multi-discipline.ConclusionIt is of great significance to promote the development of neurosurgery and brain science by practicing and exploring interdisciplinary training of compound talents.

Neurosurgery; Brain science; Multidisciplinary education; Fusion; Compound talents

1671-2897(2017)16-441-04

G 642

A

國家自然科學(xué)基金資助項目(81502143; 81671302; 81672909; 81471266)

毛星剛，博士，主治醫(yī)師，講師，E-mail:xinggmao@163.com

*通訊作者： 章翔，教授、主任醫(yī)師，博士生導(dǎo)師，E-mail:xzhang@fmmu.edu.cn

2017-07-01；

2017-07-18)