60年代末,美国国会参、众两院一致通过了一项《命名1990年1月1日开始的今后10年为“脑的10年”》的决议,这是美国国会首次对一个具体的学科领域作出有效长达10年的决议。其后,国际脑研究组织(IBRO)希望各成员机构都能力促本国政府以各种方式给予支持,使“脑的10年”成为全球性行动。据估计,仅美国每年就有5000万人罹各种神经系统疾患—其中包括重要的精神疾患、遗传性和退行性疾病、中风、癫痫、嗜瘾症、先天性神经系统损伤、环境性神经毒素和创伤所致疾患、言语、语言听力等认知疾病;用于这些疾患的治疗、病人的康复和有关的费用每年高达3050亿美元。
以上材料我是一年前从国内神经科学专家的一些报告中获悉的。时隔一年多,1992年12月1日,我有幸采访了中科院学部委员、中科院上海生理研究所所长杨雄里教授,在一个小时的交谈中,杨教授纵论了整个神经科学研究发展的近况及未来前景,令我这个门外汉也对这一学科“热”了起来,以至在采访后的一周内,我内心一直涌动着一种对神经科学家杰出成就的敬畏之情。现在我写这篇采访稿已不仅是作为一种工作任务,而且是伴有一种对介绍这一领域工作的极大热情。我很感激杨教授,感谢他以下的介绍。
事实上,采访杨教授是我久已有之的想法,因为他的名字同一门非常重要的学科结缘已近30年,这30年里,中国神经科学起步发展并取得了一定成就,而在全球范围内,神经科学历经这几十年的能量积蓄,已到了振翅腾飞的关键时刻。对于这一学科的发展简况和现状,杨教授介绍说,对神经系统的研究已有十分久远的历史,但真正作为一门世界公认的独立学科乃是60年代后期的事。据现在了解,最早形成“神经科学”(Neuroscience)一词大概是1964年。1968年,美国开始成立神经科学会,当时只有几百个会员,而到了1992年10月,该学会成员已近2万,是美国所有实验性生物科学学会中规模最大的一个。正是基于近几十年来对整个神经系统的功能及其细胞分子基础的了解所取得的突飞猛进的进展,不少神经科学家都意识到,整个神经科学的发展可能正处于一个十分关键的时期。在生物学中,神经科学的发展可能是继分子生物学后的第二个高峰。为此,美国科学家首先倡议,将20世纪的最后10年命名为“脑的10年”。
神经科学的主题,通俗地讲,是试图回答人是怎样看的?人为什么能看?人为什么能看见颜色?人为什么能听,能听到不同的声调?人为什么能随意控制机体的运动?人为什么会记忆、会思维?为何会有各种情绪、各种意识?这些内容决定了神经科学研究的广泛性和多层次性。从神经科学的整体发展看,它有不同的层次,最高的层次是行为层次,表现为人的思考、行为、动作、表情等;其次是这些信息是如何在神经系统中被接收、处理的,即神经系统的通路水平,如人眼看见一个物体,该物体通过眼睛光学系统在视网膜上成像,并转换成电信号,传递到视觉中枢,视觉再与记忆中的印迹联系起来;第三是神经系统的组成单元——神经元,通过突触形成局部回路,即回路水平;第四个是研究单个神经元在其中的功能作用,它是如何兴奋、产生信号的,即细胞水平;最后是分子水平,着重于神经元信号产生、转递、传导的分子机理,这有助于在分子水平上了解遗传性疾病的基础。神经科学在以上各个不同层次的研究课题需要许多科学家作多方位、多角度的通力研究。
杨教授自1963年大学毕业后即到生理所从事视网膜研究,至今已近30年。视网膜是眼球后面由神经细胞组成的一层神经组织,只有0.2~0.3毫米厚,但正是从这一小块神经组织滋生了许多诱人的课题,中外科学家在这一领域的多年辛勤耕耘大大深化了人们对其功能的了解。关于视网膜研究,杨教授介绍说,视网膜虽处于眼球中但实际上是中枢神经系统的一部分,又因为其细胞类型较简单,分层较清楚,因此就成了非常有特色的研究对象。对视网膜的研究既有助于了解整个中枢神经系统,有助于脑功能研究,同时它又很易于着手,便于研究。视觉是人类最重要的感觉,至少有70%以上的外界信息是由视觉感受的,而视觉信息感受有相当部分由视网膜完成,因此研究视网膜细胞如何处理外界信息就显得十分重要。近十几年来,我在这方面的一个主要专题是研究视觉信号如何在视网膜中传递。人之所以能感受、看见光,是因为视网膜里存在着光感受器。光感受器中包含着视色素,视色素对光敏感,在感受光后产生同分异构变化,通过很复杂的过程,转变成电信号。这种电信号是神经系统中信号传递的主要方式。我们要研究的是这种电信号产生后如何在神经细胞之间传递,研究的主要方法是使用微电极作细胞内记录。譬如要研究单个细胞在某种光信号刺激下是如何活动的,可以用一个很尖的微电极插入某一细胞中,观察在这种条件下,细胞电活动的规律,并探究这种电活动的机理。进而,神经元间的信息传递是通过化学物质实现的,那这些化学物质如何实施其功能?这些问题都是我们的研究主题。
在这次采访杨教授前,我对要采访内容的学术深度已作了某种准备,并啃了几页有关的专业书,然想不到,很复杂的科学内容经杨教授一讲,化繁为简,原来艰深的内容变得通俗易懂。在采访中我得知,1987年被任命为中科院上海生理所所长的杨教授这些年来用中、英、日文在国内外发表论文百篇以上,集他多年研究心得与成果的专著《视觉的神经机制》即将出版。特别值得一报的是,由杨教授主持翻译的《神经科学百科全书》已由上海科技出版社和美国伯克豪依萨尔出版社合作出版,从某种程度上讲,这部大型工具书将为中国神经科学的发展起到某种支撑作用。
话题又转回到对整个神经科学发展趋势的展望上。杨教授的看法是,将研究推向细胞、分子水平是这一学科最主要的发展趋势。原因之一是神经科学家们已在厅为、通路、回路水平上耕耘多年,有了相当深入的了解。另一方面,随着分子生物学、细胞生物学的发展,其成果已大大深化了人们对许多问题的认识,这些学科的手段、方法、具体内容等必然要渗透到神经科学,这两方面的因素导致在细胞和分子水平对神经活动研究的蓬勃发展,在这方面目前已取得显著进展,举例来说,人们早已知道神经元之所以会兴奋,是因为神经元膜内外存在着某种电位差,这个电位差在神经元受刺激时会发生变化,由此形成一个电信号;之所以会产生电位差是因为神经细胞的膜对离子是选择性通透的。在60年代初,就有人设想这些离子可能是通过某种特殊的通道在膜内外运动的,当时这只是一个假设。现在已经清楚,确实存在某种离子通道,这种通道实际上是某种蛋白质,它的构形的某种变化实际上就是“开”或“关”的状态。现在离子通道已经克隆出来,甚至将其氨基酸顺序都搞清楚了。这样就使我们对整个神经活动的了解大大深入了一步。再如人类之所以有色觉,主要是人的视网膜中存在三种对不同波长的光敏感的光感受器,这种光感受器称为视锥细胞。现在这些视锥细胞所包含的视色素的基因已经克隆出来,有人之所以先天色盲是因为其基因发生了变化。如有人告诉我,可以用针灸治疗色盲,如果这是真的话,这就意味着你通过针灸改变了患者的遗传基因,这对于我是非常难以理解的。综上所述,对这些问题的深入研究显然大大深化了我们对整个神经系统的了解。
另一个重要趋势是从整合的观点来了解整个神经系统的活动。从哲学的观点看,在整个神经活动中研究其细胞和分子基础的方法实际上是一种还原论的思维方式,其工作前提是:整体的、行为的东西一定可以还原至更低的水平,最后还原到分子水平。但研究分子的活动,如离子通道的变化、神经元的兴奋等,最终还是要回答人为什么能看?能听?能思维?这样一些基本问题。仅仅通过细胞分子水平的工作,你不可能解释以上问题,就好比你单是研究羽毛本身不能解释鸟是怎样飞行的问题一样。(说到这里,杨教授从桌上拿起今年9月号Scientific American(科学美国人)杂志,该期是Mind and Brain(精神和脑)专辑,杨教授翻开杂志,指着其中的一幅图对我解释说,这是一个人的背影,从这个背影,我们就可以想象其前面是一个人的脸,这要机器做到简直是不可能的,而我们人能很自然地做到这一点。这是一个意识的问题。背影实际上是二维的东西,根据这个二维像,我们人可以将其与三维的形状(影像)匹配起来,你甚至可以进一步通过这个背影知道这个人是谁。)从现有的发展水平看,自然科学要充分认识脑的高级功能还遥远得很,对这些问题的了解不是你把神经活动还原成细胞、分子水平所能解决的。你虽然能解释分子、细胞是怎样活动的,但又如何来解释人脑的思维活动的这些现象?这就要找到一些新的方法,就要从整合的观点来研究问题。如现在讨论得较多的PET(正电子发射断层扫描),它有一个好处,即能在无创伤的条件下对脑的活动作完整的检测。实际上它是检测脑部的葡萄糖活动水平,脑的某一部分神经元活动增加,其葡萄糖消耗亦大。这样就可以把对整个行为的观察与脑的一些活动甚至其化学基础结合起来。当然除此之外,还有其他一些方法,可以对脑的活动的总体规律进行研究,如用精确的数学语言试图对整个神经活动规律作宏观描述。这些工作对加深脑的某些高级功能的了解都十分重要。
以上我大段引述了杨教授对神经科学总体发展的看法,按杨教授之见,神经科学的发展趋向微观、宏观两极,微观一头深入到细胞分子水平,在分子水平上揭示神经元活动的机理,这同时为治疗各种神经性疾患提供了极大可能性;宏观一头则试图从整合的角度来对神经系统的活动作整体的把握,以期最终能回答人为什么能看、听、思维这样一些既古老又崭新的课题。我在听杨教授讲解时,有一种在听一位哲学家讲述神经科学的感觉。事实上,中外不少大科学家之所以能作出推动整个科学发展的发现,很大部分原因是由于他们能越出具体学科研究的界围,从更高的科学层次上作新的思考。在以下关于对人脑的高级功能的研究方面,杨教授有更精辟的见解:
如果说到现在为止,人们对整个神经活动的细胞、分子基础已开始有相当深入了解的话,那么人们至今对整个人脑的高级功能的了解还非常肤浅。所谓高级功能,如人会看、听,这些都不算,动物也会看;记忆和学习应该属于脑的高级功能,但学习和记忆动物也有。真正高级的功能,我们的研究可能尚未涉及,譬如意识、真正的逻辑思维(情绪也是高级功能,但属于非常难研究的领域),对这些东西的了解目前还十分肤浅。我们较熟悉的方法是用所谓的心理物理学、心理学的方法、描述性的方法,但如何真正将脑的高级功能同脑的神经系统的活动联系起来,现在还处于非常初级的阶段。这方面的研究可能是今后非常重要的方向,这是难点所在,因为你还必须找到现在所不了解、不熟悉的新方法。
在我看来,神经科学的发展不大可能会出现如物理学上牛顿、哥白尼、爱因斯坦的发现所引起的那种完全的革命性的变化,甚至像达尔文、华生、克里克那样的发现在神经科学上都不大可能出现。神经科学整个的发展可能是在逐渐认识相对真理的过程中逐步逼近绝对真理,这可能是很漫长的过程,包括对脑的高级功能的研究。
对脑的奥秘的阐明是人类面临的最大挑战,人一定要认识自然,但同样重要的是人也要认识自身。一直有这样一种观点,人到底能不能认识自身?这是个哲学上的问题,人的思维是脑产生的,那么反之,通过人的思维能否了解脑?即同希腊神话里讲的,人是否能拉着自己的头发离开地面一样。在我看来,平心而论,全世界的神经科学家干得不错。如果回顾一下,目前神经科学达到的水平与我30年前刚进入这一领域时的情况相比,那真可以说有天渊之别。这二十几年来,神经科学中除了一些非常基本的内容外,约有70~80%的内容已完全改写。由于全球神经科学家的共同努力,我们对人类自身的了解已比以前大大深入了。我相信我们能逐步逼近对人脑奥秘的了解,尽管这需要很长的时间。
今年(1992)上半年,杨教授应国家科委之聘,作为首席科学家主持一项国家级重大基础研究关键项目:“脑功能及其细胞和分子基础”,这是新公布的国家“攀登计划”中的一项,乘采访之机,我请杨教授发表对中国神经科学发展的看法。
杨教授认为,我国在神经生理学研究方面有一定的水平,冯德培、张香桐等前辈科学家在30~50年代的工作在当时处于世界前列,之后在50年代,中国还是有相当水平的。文革后,有相当一部分人到国外工 · 作,将国际上先进的方法带回国内,现在上海、北京和其他一些地方都有一批有相当水平的人在工作。上个月(11月)刚在上海召开了一次全国神经科学学术会议,有400多人参加。从研究经费来看,我们除了在国内申请外,还努力多争取国外经费。目前,我有两项国外研究经费,一是来自美国国立健康研究院(NIH),另一来自国际人类前沿科学组织项目(包括杨教授在内有四个国家、6位科学家参加,主攻视网膜研究)。从总体上讲,中国的神经科学研究正稳步发展中,但与国际水平相比,差距仍很大。
杨教授对自己很少言及,在即将结束本篇采访稿时,容我作一极简要的介绍,杨教授63年上海科大毕业后即进上海生理所从事视觉生理研究,此后一直从事视觉的各个侧面的研究。79年前以较多的精力从事灯光捕鱼、中国人的色觉研究等一些应用基础研究课题。80年去日本两年,为日本国立生理学研究所学术博士;85年赴美,先在哈佛大学后又到贝勒医学院从事学术研究、讲学。杨先生至今一直是贝勒医学院的客座教授,近年里每年去该学院三个月。杨教授目前是亚大地区生理学联合会副主席。91年11月当选为中科院学部委员,生物学部副主任。最后如果能用一句话来评价杨先牛的话,那我想引述我在去年访问天文学家叶叔华教授时,叶教授对杨先生的一句评论:如果不让他工作,难以想象他将如何生存下去。我以为这句话是对杨教授工作热#的恰当评价。衷心祝愿杨教授和我国神经科学家在崇高的学术研究工作中作出更大的成就。
(本刊记者江世亮成稿于1992年12月8日)