神經科學的發展與前景

侯磊

神經生物學，是由神經解剖學、神經生理學、生化藥理學、實驗心理學組成。按照美國神經科學會所下的定義，神經科學的研究目的在于了解神經系統內分子水平、細胞水平及細胞之間的變化過程，以及這些過程在中樞功能控制系統內的綜合作用，神經系統疾病的形成機制。這一定義強調了神經科學多學科、多水平的綜合研究的特點。

神經科學以1960年IBRO宣布成立為標志，在神經解剖學、生理學、生化藥理學和實驗心理學的基礎上，引入其他學科的理論、方法和技術而發展形成的一門統一的綜合性學科。神經科學就是對神經系統、特別是腦進行多學科、多層次、多方位的綜合研究，以最終解釋腦的奧秘。

一、神經科學的發展過程

弄清神經科學的發展脈絡具有十分重要的意義，因為這門學科涉及到神智的物質基礎——腦，而腦是一個高度復雜性的系統。人類對神智與腦關系的認識歷程充滿曲折，對腦的研究更是在艱難摸索當中前進的。先輩的突破性工作以及其他學科的相關進展對神經科學的創立與發展起到了至關重要的作用。立足于這個基礎，神經科學又將神智與腦關系的探索進一步引向深入。

今天的神經科學有幾個主要的理論基礎，包括動物電的發現、神經元學說、神經系統整合作用理論、腦功能定位觀點，還有細胞生物學和分子生物學基礎。其中前4項是1950—1960年代以前的積累，細胞生物學和分子生物學基礎是在更近年代發展起來的。

伽伐尼關于動物電的發現使人們從此認識到，神經活動（包括腦活動）的實質是獨特的生物電活動，即神經傳導。17世紀中葉已經有了顯微鏡，以后逐步改進，腦的解剖開始向神經組織學深入，神經細胞和神經纖維的構造也漸漸明了。1839年施萊登和施萬提出細胞理論，1858年菲爾紹建立細胞病理學。但是，圍繞著腦和神經的活動是否以神經細胞的活動為基礎，發生了激烈的爭論。在19、20世紀之交，有相當多的神經組織學家包括意大利人高爾基認為，多個神經細胞的分支是互相連續的，它們形成網絡，細胞理論并不適用于神經細胞。這就是“神經網絡”學說。也有相當多的神經組織學家包括西班牙人拉蒙-卡哈爾認為，細胞理論同樣適用于神經細胞，這就是“神經元”學說。到1930年左右，神經元學說被廣泛接受。

知道了動物電現象，關于中樞傳導功能的觀念就容易被人們接受了。不過中樞傳導功能與神經干的傳導功能是有區別的，神經干可以雙向傳導，中樞卻不行。謝靈頓于1897年大膽提出，脊髓內的感覺神經傳入與運動神經元之間存在著“突觸”，它起活門的作用，僅允許興奮按一個方向傳播。在1950年代開始把電子顯微鏡應用于神經解剖研究的時候，這一點終于得到了實驗證實。中樞神經系統（腦和脊髓）活動的特點是，在接受了諸多傳入之后，要把它們整合起來，成為一個有意義的輸出。這就是中樞整合作用，抑制在此起關鍵作用。

神經元學說、神經系統整合作用理論和突觸概念，奠定了現代神經科學的主要基礎。基于突觸假設，神經活動實際上應包括神經的傳導和突觸的傳遞這樣兩個不同的過程。人們對腦功能的理解因而推進到了機制性的層次。

二、神經科學相關性科學研究的發展現狀

新技術在神經科學研究中的應用使得其發展更加迅猛與深入。主要研究技術有研究分子層面的分子生物學、研究細胞層面的細胞培養、研究組織層面的電生理、研究器官層面的fMRI和腦電圖、研究整體層面的行為學觀察。

同時新的技術方法的產生加速推進的神經科學更快速更深入的發展。分子生物學技術的應用，使研究向微觀方向發展。電生理技術的發展與進步發明了胞外記錄、單纖維記錄、膜片鉗技術、腦片膜片鉗技術等。顯微鏡技術的發展，光學顯微鏡、電子顯微鏡、原子力顯微鏡等相繼問世。其中原子力顯微鏡根據掃描隧道顯微鏡的原理設計的高速拍攝三維圖像的顯微鏡。可觀察大分子在體內的活動變化。還有無創技術的應用：事件相關電位分析、腦功能成像等以及計算機技術與軟件技術，這些都是應用于神經科學領域的新的技術方法。

近年來神經科學取得的成就有哪些呢？（1）研究發現了腦的功能有多種因素決定，包括遺傳與環境、營養因素等。（2）腦成像技術解釋了腦的高級神經活動的腦內通路和定位。（3）發現了許多誘導神經系統發育的分子和可形成神經元的神經干細胞。（4）發現神經系統具有高度的可塑性，基因組的決定因素受個人經歷的巨大影響。（5）已經識別出幾種退行性疾病：早老性癡呆、帕金森病、ALS、Hungtington病等的致病基因。（6）神經元受損后出現凋亡與死亡的機制取得進展，谷氨酸的毒性得到確認。（7）傳統心理學在腦成像技術的幫助下取得進展。（8）藥物成癮機制研究取得進展。（9）早老性癡呆研究取得進展。（10）應激與神經心理取得進展。

三、對于神經科學今后的展望

近20多年來，神經科學得到了爆炸性的發展，世界各國都非常重視。英、美、日等發達國家都已經把神經科學的研究列為國家的重點研究內容和優先發展領域，美國國立健康研究院1997年投入直接與神經科學有關的經費為18億美元，是人類基因組計劃的10倍多;而美國國家自然科學基金總共22億美元的年總經費中，用于神經科學的經費相當于在數學、物理和化學的研究經費的總和;日本“腦科學時代”計劃年投入1000億日元，總投入兩萬億日元，為其“超級鋼材計劃”的10倍。

分析神經科學的迅猛發展歷程，可以總結出當前神經科學發展有以下幾種趨勢：（1）細胞生物學和分子生物學技術的應用，把研究深入到細胞和分子水平，以解決一些基本和重大的神經科學問題。（2）多層次、多學科研究神經系統的基本活動，如運動、感知、記憶、思維、情感等。（3）新技術的開發和應用在研究中起重要作用，膜片鉗、免疫組化，原位雜交和熒光成像等的應用大大地推動了神經科學的發展。（4）相關的邊緣學科不斷涌現，如神經免疫學、計算神經科學等。順應科學發展趨勢和要求，迅速把神經科學推向世界最前沿已經刻不容緩。（5）人類基因組計劃已經與2003年完成，測定基因的物理序列的“基因組時代”已經過去，隨之而來的現在是“后基因組時代”和“功能基因組時代”當然神經科學的研究也不例外。突觸傳遞是信息傳遞最主要和最基本的形式之一，涉獵到非常復雜的蛋白質之間的相互作用，神經遞質的釋放如何靜息地調控、各控制分子之間的相互作用如何、他們自身的基因轉錄和表達又如何受到細胞的整體調節等一系列問題也成為神經科學研究的一個新的焦點。