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探秘人类灵性家园


http://www.sina.com.cn 2006年07月12日 17:22 科技日报

  访“脑发育和可塑性的基础研究”项目组

  实习生:张洁

  记者:王春

  首席:郭爱克

  时间:2006年7月5日下午

  地点:中科院神经科学研究所

  -编者按

  生命活动是物质运动的最高形式,而思维活动则是生命活动的最高形式。恩格斯讲过,思维是地球上最美丽的花朵。大脑如何发育成熟?智力和创造性怎样产生?什么是“灵性”和“智力”?它的本质是什么?什么使神经元电活动转变成意识?大脑中还蕴藏着太多的秘密,目前这还是一个看不到尽头的科学探索。973计划“脑发育和可塑性的基础研究”项目,从脑的发育和可塑性的角度来揭示脑与智力和创造性的关系,试图揭示大脑中的奥秘。

  “果蝇可以读报?而且读的是果蝇日报!”在973计划“脑发育和可塑性基础研究”项目首席科学家郭爱克的办公室门旁,记者发现了一幅有趣的《果蝇读报图》。“你看,果蝇的一双大眼睛多有美感啊!”首席郭爱克教授有一种特别的幽默感,言谈之间不时蹦出富有浪漫气息的话语。

  这张《果蝇读报图》想传递的信息是,别看果蝇这么小的昆虫,小脑袋里却有着复杂的功能。郭教授告诉记者,人们习惯地认为,抉择是高等动物才可能有的认知行为。为了揭示果蝇利用知识应对环境变化的能力,他们开创了果蝇“颜色/图形”的两难抉择的研究。证明了果蝇可以学习用视觉模式的图形、颜色线索来指导飞行定向行为。之后当遇到图形与颜色代表的意义出现矛盾时,果蝇可以根据颜色和形状线索的“价值”,在两种相互竞争的视觉线索之间,作出“趋利避害”抉择。精心设计的实验被专家评论为“中国二十年来生命科学实验设计最漂亮的工作之一”。

  记者:2000年设立“脑发育和可塑性的基础研究”这个项目的初衷是什么?

  郭爱克:脑是人类灵性的家园,是一个结构极其复杂而又精密的组织。大脑约有4000亿个神经细胞,它们通过100多万亿个突触彼此连接,约有50多种化学物质参与突触信号传递。大脑很神奇,它是变化的、具有可塑性和可修饰性,以适应环境的不断变化。没有可塑性,我们就没有学习和获取新知识的能力。

  脑如何发育和成熟?智力和创造性怎样产生?什么是“灵性”和“智力”?它的本质是什么?什么使神经元电活动的“水”转变成意识的“葡萄美酒”?这些都是人们要认识的问题。智力发展的关键在于对脑发育过程的调节以及与神经联系的形成和可塑性有关的各种过程。因此,“脑发育和可塑性的基础研究”项目的总体构思是从脑的发育和可塑性的角度来揭示大脑和智力、创造性的关系。这是人类最具挑战性的基础科学命题之一。

  记者:要研究这个复杂的项目要从哪几个方面入手呢?

  郭爱克:我们从脑发育到神经可塑性,到神经整合,再到学习记忆和高级认知功能,设计了与神经系统发育的不同时期和阶段、神经系统可塑性相互关联的研究内容。总共有五个课题:神经元存活、神经干细胞发育和神经元迁移相关的调节因子的研究;神经营养因子对轴突生长和突触形成的调节;学习和记忆的突触可塑性机制;脑的整合功能、机制、发育及可塑性;蛋白激酶级联反应,钾调蛋白和神经细胞存活。这五个课题是从较微观的分子和细胞层次,经过神经环路的介观层次,直到较高级的脑功能和认知行为的宏观层次进行设计的。

  记者:你们的研究目标是什么?

  郭爱克:我们的总体目标是从发育和可塑性的角度,揭示脑与智力和创造性的关系。当然不同的课题,有不同的具体研究任务和目标。我们要阐明一些已知的神经营养因子和神经肽对神经发育过程中神经轴突生长、神经元存活及突触形成的作用及其细胞和分子机制,这些突触包括体内和体外的。还要发现一些新的因子或了解一些已知的因子在调节神经发育中的协同作用。此外,解释与学习、记忆及其他认知功能,如与决策功能相关联的突触可塑性的细胞和分子机制。最后阐明在视网膜和视皮层内大范围整合的突触机制和相关神经环路,具有不同整合性质的神经元和神经元群在图像信息处理中的作用,及这些突触机制和神经环路的发育、可塑性及动态特性。

  记者:这一基础前沿项目诞生了哪些成果呢?

  郭爱克:如果将发表高质量的科学论文作为研究成果的重要载体之一的话,五年内,我们已经在国际学术期刊上发表重要的研究论文60多篇。其中包括在神经科学领域的权威杂志上发表的原创性论文26篇,如《Cell》、《Nature》、《Science》、《Neuron》等,被引用次数已达394次。这也为我们在国际同行内赢得了良好的声誉。但是,正如蒲慕明教授所指出的:“出一流文章还不一定是代表有什么突破。大部分在一流杂志上的文章,过几年都被人遗忘了。真正有突破的发现和对神经科学有持续性的影响,才是真正一流的工作。”当然,我们还取得了一些有应用前景的理论成果。从长远的观点看,该项目的成果还在于培养了人才,包括培养一流的科学家,培养一批又一批未来的神经生物学家。

  记者:项目组实现了许多突破进展,取得了许多重要的研究成果,对我国神经科学的发展起到了一定的引领和带动作用。可以简述一下具体的成果吗?

  郭爱克:我们自己归纳为主要有八项研究成果,这些成果涉及到脑的发育、突触可塑性、痛觉机制、视觉认知和学习记忆等各个方面。举例来说,我们在分子水平上确定了神经细胞极性形成和维持的原理,发现一个称为GSK的蛋白激酶的活性对确定神经细胞极性起关键作用。在神经纤维生长导向的分子机制方面,发现通过G蛋白偶联受体传递信号的白细胞趋化因子SDF-1能够引导神经纤维生长,Rho家族小分子鸟苷三磷酸酶(RhoGT鄄Pases)在神经生长锥内起到传递外界导向因子梯度信号的重要作用,揭示了TRPC离子通道在神经导向中的作用。

  记者:这些理论有什么应用前景?

  郭爱克:当今,进行性、急性神经退行性疾病如老年痴呆症、帕金森氏症以及神经系统损伤的治疗依然是医学难题,但神经营养因子和干细胞技术的研究成果就有可能应用于脑的功能障碍和神经退行性疾病的防治。人们期望构造人工智能系统,智能计算机系统,然而这些机器脑或仿人脑在很多方面都和人脑的功能原理有很大的不同,是无法与之比拟的。现在最大的困惑就是人们在大脑工作原理上的研究得还不够。所以应用脑的整合功能的机制、发育及可塑性研究获得的新概念,可以为某些与知觉和认知功能障碍有关的神经—精神疾病的诊断和治疗提供新的思路,而且还可以应用于计算机视觉和人工智能的研究。

  记者:一个项目能够获得如此多的研究成果,最重要的要素是什么?

  郭爱克:我们特别强调研究的系统性和自主创新性。长远的目标是,我们希望研究工作能开创一个新的领域,新的研究方向。我们所承担的项目是由中科院神经科学研究所独立实施的。从历史上看,这是一支较年轻的队伍。一方面,有来自于国际同行的激烈的竞争形成的必要的紧迫感和压力;另一方面,我们强调合作,我们有一些研究结果都是跨课题组合作完成的。实行以业绩为准是世界一流研究机构普遍采用的原则,我们正在建立良好的绩效考核体系。

  记者:下一步的研究计划是什么?

  郭爱克:在脑科学领域尚没有揭示像“双螺旋”那样的“金科玉律”,也不可能期待在一个早上,突然宣布脑的奥秘已经被揭开。在过去5年里,我们的项目已凝炼出很多有前景的生长点,我们会继续在这个方向努力。目前我们已经申请了下一个973项目就是“脑的结构功能可塑性”。和上个项目着重于细胞水平有所不同、有所发展的是,新的项目我们更侧重于从大脑的环路层面来揭示脑功能。

  链接:多模态整合是脑高级认知活动的基础

  我们生命体在演化的历史长河中,被“武装”了视觉、听觉、嗅觉、味觉、触觉、痛觉等不同的感知觉通道或称作模态。这些模态就是我们脑与环境进行信息交换的界面和通道。在残酷的“物竞天择,适者生存”中,多模态感知是生命攸关的。脑如何对多通道感觉和记忆信息加以综合,已成为脑与认知科学的热点问题之一。

  以往的研究主要聚焦在感知和心理层面上的多通道相互作用,该项成果探索了学习/记忆层面上的多模态整合功能。该项成果仍以果蝇为模式生物。

  首次发现:1.在一定的时间—空间条件下,果蝇在视觉和嗅觉不同模态之间的学习与记忆的协同双赢和相互传递效应。将单独的视觉和嗅觉模态的输入信息衰减到阈值以下,即不再能引起果蝇的学习与记忆。将二者同步地提供给果蝇,进行低于阈值的双模态操作式条件化,发现二者之间的“弱—弱”联合,竟然能导致跨模态的学习记忆达到(1+1>2)的非线性增强,即“协同共赢”的效果。就是说“多模态学习长记性”。

  2.发现在记忆协同增强后,如果来检验每个低于阈值的单通道的记忆,我们知道单个低于阈知的通道,孤立地是不能形成记忆的不应有记忆的,但在“协同共赢”之后,每个单通道也从中获得显著记忆,取得“和者两利”的效果。

  3.记忆可以从一种被训练过的模态,通过一种“伴随学习”机制,向另一个未被训练过的模态传递。

  该项成果的三个重要发现,提示多模态整合是脑高级认知活动的基础。

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