多学科交叉培养在神经外科及脑科学教学中的作用

毛星刚 章翔 章薇 陈石蕊 李金城 薛小燕

(第四军医大学:1西京医院神经外科; 2药学系药理学教研室，陕西 西安 710032)

·医学教育·

多学科交叉培养在神经外科及脑科学教学中的作用

毛星刚1章翔1*章薇1陈石蕊1李金城1薛小燕2

(第四军医大学:1西京医院神经外科;2药学系药理学教研室，陕西 西安 710032)

目的探讨多学科交叉教育培养复合型人才对神经外科及脑科学发展的意义。方法结合神经外科和脑科学发展的历史及最新研究进展，分析多学科交叉的重要性。结果过去及现在，神经外科在基础神经科学发展中均有重要作用；最新的研究进展中，神经外科为脑科学提出了重要问题，并提供了技术支撑；同时，现代神经外科也高度依赖于基础科学、数学、计算机等自然科学的发展。许多具有重要意义的创新性成果都来自于多学科的深度交融。结论实践并探索多学科交叉培养复合型人才，对推动神经外科及脑科学的发展具有重要意义。

神经外科; 脑科学; 多学科交叉; 融合; 复合型人才

作为生命科学和自然科学的前沿，脑科学越来越受到重视，也对科学家提出了更高的要求。美欧日等国相继推出了各类“脑计划”研究项目，投入巨资进行脑科学的基础与应用研究。在20世纪末、21世纪初，美国率先提出了“脑的十年计划”，欧盟也启动了为期10年的“欧洲人类大脑研究计划”，日本政府宣布投入200亿美元实施“脑科学时代”计划；国际脑科学组织亦采取了多种举措，以推动脑科学研究发展。美国政府提出的“脑计划”[1]，其覆盖范围包括基因组学、发育学、功能学、人工智能的实现等多学科、多层面，用以推广人类对大脑的认识，并为一些重要的大脑疾病及军事应用寻找治疗的新方案。在我国，脑科学与认知科学被列入《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006～2020年)》八大前沿科学问题之一，作为事关我国未来发展的重大科技项目之一，“中国脑计划”项目也已经启动。

很明显，脑科学研究已从最初的结构与形态学探索，逐渐扩展到了脑功能产生机制的研究。对于结构与形态学研究，包括大脑的解剖、脑功能分区、细胞构筑等，以及在细胞分类与纤维联系等微观结构的研究已很深入，且进展迅速。首先有关大脑的解剖和功能分区越来越精细化，除以往的由细胞学和大体形态学为基础的分区之外，近年来还提出了以基因、神经递质、各类RNA表达为基础的分子基因分区。其次，从微观的细胞之间连接构建的网络也进行了细致研究。随着自然科学、计算机信息化等的发展，人们越来越关注的终极问题是：在大脑物质结构的基础上如何产生各类脑功能，包括人的各种感知(如视觉、听觉)肢体运动甚至是思维和意识。对于这些问题的研究，将极大地依赖于多学科的交叉与融合。因此，当代的脑科学是高度交叉的前沿学科，又是具有战略地位的重要学科。培养脑科学的拔尖创新人才，对国家的发展、学科的进步均具有重要意义。

在当今学科越来越细化的情况下，交叉学科人才的培养具有更大的挑战与困惑。由于大脑具有极其复杂的结构，神经外科专家和神经生物学家都需要非常丰富的专业经验才能够对其有深入的理解与掌握；而高速发展的以脑科学为基础的人工智能，依赖于专业的数理计算机科学，这也是外科医生或生物学家难以理解的问题。例如，生物学前沿的脑机接口可以实现瘫痪患者对肢体的控制，其所需的手术技能高度依赖于经验丰富的神经外科学专家，而该技术所涉及到的电生理解码、信号转化及控制技术等，又必须高度依赖于现代自然科学技术。若对这些相互交叉的领域有更加深入的研究，则需要对多个领域都很熟练的交叉复合型人才来处理。结合现今脑科学的发展趋势，培养相关复合型人才至少需要以下几个重点学科的深入结合，包括：临床医学、基础神经科学、数字自然科学及计算机科学等(图 1)。

图1 神经外科与多学科交叉对推动脑科学发展有重要意义
Fig 1 The intersection of neurosurgery and multidisciplinary sciences is important to the development of brain science

一、神经外科学与脑科学交叉培养及教育

神经外科在脑科学的发展中一直具有举足轻重的地位。医学是脑科学问题的出发点之一，大量经典的神经科学问题以及现代的脑科学、人工智能等应用实例均与临床医学关系密切。例如大脑的运动语言中枢Broca区最初就是由外科医生所发现。19世纪60年代，法国外科医师、神经病学家布罗卡(Broca P, 1824～1880)遇到一例脑外伤后失去语言功能的患者，于患者去世之后经尸检发现大脑额下回受损，从而确定了运动性言语中枢(即Broca区)的位置。类似的在1874年，奥地利医师威尔尼克发现了另一个称之为威尔尼克区(Wernicke area)的语言中枢。目前广泛采用的大脑皮质分区，则是德国神经科医师布罗德曼(Brodmann K, 1868～1918)在20世纪初根据大脑皮层不同区域的细胞构筑不同而分为52个区域。20世纪50年代，美国神经外科医师斯科维尔(Scoville W)治疗一例头部外伤后的癫痫患者，手术切除了大脑海马组织及其周围的部分颞叶内侧部，术后患者癫痫得到明显控制，但却丧失了记忆，因而为大脑记忆的结构基础提供了重要的线索。这些都是历史上比较经典的外科学与基础神经科学相结合的范例，沿用至今而经久不衰。这些成果为现代外科学和基础神经科学奠定了坚实的基础。因此我们认为，在培养学生方面，应注重结合历史典故与实际，让学生不仅从专业的角度，更从历史的宏观方面去理解交叉学科的重要性，激发他(她)们的兴趣，从而引导其在实际工作中能够提出并解决新问题的能力。

现代神经外科领域已经取得重要研究进展，在临床上已成功开展的技术，包括深部脑刺激(deep brain stimulation, DBS)，临床应用主要包括以下几方面：椎体外系运动障碍疾病如帕金森病(Parkinson's disease)、亨廷顿氏舞蹈症(Huntington's disease)、癫痫、昏迷患者脊髓刺激、难治性精神心理疾病如强迫症、抑郁症等。另外，癫痫的形成受到复杂的皮层之间神经连接网络的控制[2]。通过深部脑刺激(deep brain stimulation, DBS)技术，在大脑相关核团植入刺激电极，可调控此神经连接网络，从而达到缓解、甚至治愈的效果[3]。功能神经外科的进展是现代外科学与基础神经科学、自然科学紧密结合的术式，更是一个多学科交叉融合的代表。这方面的研究技术依赖于基础神经科学、计算机科学及工程控制学的进步，而它在临床的应用，则又可以获得新的观察结果，提出新的问题，反过来促进了基础神经科学的研究。在教学方面，应当结合发展历史以及这些技术的原理进行培养与教育，激发学生从不同角度来思考问题与探索的能力。

二、神经外科学与前沿科学的交叉教育

除经典的外科与脑科学的问题之外，更需要引导学生学习并了解前沿的科学研究状况。例如在当代的脑科学研究中，人机接口是备受瞩目的一个领域，它与临床关系较密切、涉及到瘫痪患者肢体功能的康复及采用深部脑刺激技术治疗脑功能性疾病。对于意念控制肢体活动的研究，大多来自于神经功能缺失患者，包括视觉[4]、听觉、嗅觉丧失患者及瘫痪者。通过对脊髓损伤患者大脑皮层植入电极，接受并分析患者的脑电波，从而解码为运动指令，再通过指令控制机械手臂，最终实现患者控制肢体动作[5]。基于对肢体运动中枢模式发生器(central pattern generator, CPG)的研究、脑电分析理论与技术的进步，可让瘫痪者于意识控制下进行较为简单的动作。然而，进一步精细的活动及其他复杂的行为，目前尚在研究探索之中。这方面的研究与应用，病例及需求来源于临床，其技术的实现也依赖于临床神经外科手术。另外，这些患者的治疗方案及发病原理都需要神经外科医生的参与。因此，医学，尤其是神经外科学，是引导脑科学及人工智能发展的重要领域。这些病例在临床上也属于多学科交叉治疗范畴，而其所涉及的技术，则含有工程学、控制论、计算机科学、人工智能、神经网络等多个学科。在教育与培养方面，需要引导学生展开联想与思维，并积极参与学习，了解相关知识及原理。只有具备多学科综合理论与实践技能的人才，才有可能在实践中潜移默化地影响其思想，从而发挥多学科交叉融合的优势。

三、神经外科学与基础神经科学研究的交叉融合教育

另一个与脑科学密切相关的是基础研究，包括生物学、神经科学等。生物学技术的蓬勃发展在脑科学与神经外科学的多个方面都起到了很好的推动作用。不难看出，神经外科临床实践中的许多原理，都得益于基础学科的研究进展。虽然前沿的一些研究距离临床应用尚有距离，但对于脑科学而言，拥有基础学科研究进展的视角，不仅给临床的新技术和新治疗方案的研发提供了潜在的方向，也为现代脑科学研究提供了良好的平台和技术支持[6]。近年来基因组技术以及医学大数据的出现，对进一步深入了解大脑的工作机制发挥了有力作用，并取得了明显的进展。在基础科学领域，一方面从形态学入手，人们从不同角度提供了越来越精细的大脑分区图谱；另一方面在脑功能机制领域，则在不同的层面提出了大量的数学与计算机模型，例如，人们从多个层面绘制的大脑形态与功能图谱十分详细，涵盖范围为功能分区、细胞学分区、以及以分子标记物与基因表达、非编码RNA表达、启动子活性等为基础的分子学分区[7-8]。在微观层面上，则从单个细胞水平，对大脑局部区域的形态、功能进行了详细的研究，并构建了相关形态及功能网络[9]，极大地丰富了神经科学研究内容。这些不同层次、不同领域的发展对脑科学、尤其是深入理解大脑的工作原理，从不同的方面进行了深入探讨。基因技术的发展则从分子层面进一步了解大脑的工作机制。同时基因层面的研究对大脑相关疾病的发病机制及治疗也有重要意义。基础科学的快速发展产生了大量有关脑科学的大数据，医学大数据的解读研究，更是交叉学科教育所面临的重要任务[10]。

四、神经外科学与自然科学的交叉教育

医学生物学以及神经科学与数理计算机等自然科学交叉并产生丰硕成果的例子早已有之。早在20世纪40年代，著名的量子物理学家薛定谔就出版了《生命是什么-活细胞的物理学观》，并对生物学产生了巨大影响。例如DNA双螺旋分子的发现者沃森，就受到了这本书的影响。对现代脑研究起了重要推动作用的另一个科学家是著名的数学家、控制论提出者诺伯特·维纳(Norbert Wiener, 1894～1964)，他强调了从信息处理的角度来建立和生物系统同构的数学模型，这对后世的脑科学研究、尤其是神经网络等人工智能的发展起了重要的推动作用。正是在维纳的影响之下，麦克卡洛(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经元的数学模型[11]，为以后的人工神经网络奠定了基础。由于构成大脑活动最重要的基本结构是神经元(neuron)，因而以神经元及神经元连接而成的网络作为研究对象，从而模拟大脑运作已成为极具潜力的研究方向。经过半个多世纪的发展，神经网络已从多个层面展开了深入的研究，包括：①单个神经元的功能，主要是其对输入如何整合并输出传出信号的数学物理机制，这些成果将为人工神经网络的结构基础-人工神经元提供重要的依据。该项研究已从细胞膜离子通道等电生理的产生机制，深入到以量子力学为基础的物理化学机制；②以人工神经元为研究单位，模拟并构建神经元之间的连接，形成人工神经网络(neural network)模型，用以解决生物学功能机制以及类脑智能的实现；③在更为宏观的层面，则以大脑功能分区(实际上是由大量神经元组成的神经元群)为单位，研究不同功能分区之间的联系，形成功能神经连接网络。为了精确研究大脑功能，并将其应用于“类脑智能”的实践，这多方面的研究均需要引入数学及计算机模型。例如以神经元为单位的神经网络研究包含了多种模型，如前馈神经网络、反馈神经网络、动态递归神经网络等[12]。这些数学计算机理论与神经生物学研究交叉融合，已经产生了很多有价值的成果，例如，人类或其他动物的很多行为受到CPG的控制。典型的模型包括：椎实螺寻找食物的神经网络可由2个神经元构成[13]；瘫痪者可在意识控制下进行较为简单的动作，即是基于对肢体运动CPG的研究以及脑电分析应用。以上所述只是最新的一些研究成果的例证。在培养与教学过程中，可以通过实际例子的讲解，一方面让学生了解神经生物学以外的一些数理自然科学的理论机制，更重要的是培养学生交叉融合科学的思维方式。在神经外科实践与研究的过程中，合理借鉴于数学计算机等自然科学的理论作为有力的工具，从而为脑科学的研究提供具有持久生命力的理念。诸如现时的神经外科学的进展，在一定程度上依赖于神经显微镜、神经内镜、神经导航、神经影像学等技术的进展[14-15]，这些技术无疑与自然科学有密切联系，具有多学科技能的人才可以更大地发挥交叉融合学科的优势，从而以开创性的推动脑科学的发展。

五、小结

大脑的奥秘是人类探索的重要目标，神经外科学作为直接与大脑接触并观察的特殊学科，理应承担并作出重要的贡献。过去一个多世纪，人们对大脑结构与形态学的研究已取得了很大成果。如何进一步解析大脑结构的意义，以及在此结构与形态学上出现的功能机制，最终阐明人的意识产生的原理，将是接下来脑科学以及神经外科学所面临的新任务。虽然现代学科划分越来越精细，分工也越来越明显，但是人们也意识到，现今脑科学研究需要深入掌握多学科的复合型人才，实践并探索多学科交叉融合以培养复合型神经外科学人才的方法，将对脑科学的发展产生积极的推动作用。

1REARDON S. Worldwide brain-mapping project sparks excitement-and concern [J]. Nature, 2016, 537(7622):597.

2KHAMBHATI A N, DAVIS K A, LUCAS T H, et al. Virtual cortical resection reveals push-pull network control preceding seizure evolution [J]. Neuron, 2016, 91(5):1170-1182.

3OSWAL A, BEUDEL M, ZRINZO L, et al. Deep brain stimulation modulates synchrony within spatially and spectrally distinct resting state networks in Parkinson's disease [J]. Brain, 2016, 139(Pt 5):1482-1496.

4ULLMAN S, ASSIF L, FETAYA E, et al. Atoms of recognition in human and computer vision [J]. Proc Natl Acad Sci U S A, 2016, 113(10):2744-2749.

5ETHIER C, OBY E R, BAUMAN M J, et al. Restoration of grasp following paralysis through brain-controlled stimulation of muscles [J]. Nature, 2012, 485(7398):368-371.

6章薇, 李兵, 毛星刚, 等. 科研与临床相互融合的教学理念与实践 [J]. 中华神经外科疾病研究杂志, 2015, 14(2):164-166.

7GLASSER M F, COALSON T S, ROBINSON E C, et al. A multi-modal parcellation of human cerebral cortex [J]. Nature, 2016, 536(7615):171-178.

8BAKKEN T E, MILLER J A, DING S L, et al. A comprehensive transcriptional map of primate brain development [J]. Nature, 2016, 535(7612):367-375.

9MARKRAM H, MULLER E, RAMASWAMY S, et al. Reconstruction and simulation of neocortical microcircuitry [J]. Cell, 2015, 163(2):456-492.

10章翔, 毛星刚, 章薇. 大数据时代的医学研究生教育与实践 [J]. 中华神经外科疾病研究杂志, 2016, 15(4):353-355.

11MCCULLOCH W S, PITTS W. A logical calculus of the ideas immanent in nervous activity. 1943 [J]. Bull Math Biol, 1990, 52(1-2):99-115; discussion:173-197.

12CHERON G, DUVINAGE M, DE SAEDELEER C, et al. From spinal central pattern generators to cortical network:integrated BCI for walking rehabilitation [J]. Neural Plast, 2012, 2012:375148.

13CROSSLEY M, STARAS K, KEMENES G. A two-neuron system for adaptive goal-directed decision-making in Lymnaea [J]. Nat Commun, 2016, 7:11793.

14席一斌, 齐顺, 印弘, 等. 轻度认知障碍的海马、内嗅体积变化研究 [J]. 中华神经外科疾病研究杂志, 2012, 11(4):296-299.

15李栋平, 邓洵鼎, 朱兴宝, 等. 应用数字化模板导航颅颈交界区后路螺钉内固定 [J]. 中华神经外科疾病研究杂志, 2010, 9(1):65-68.

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

国家自然科学基金资助项目(81502143; 81671302; 81672909; 81471266)

毛星刚，博士，主治医师，讲师，E-mail:xinggmao@163.com

*通讯作者： 章翔，教授、主任医师，博士生导师，E-mail:xzhang@fmmu.edu.cn

2017-07-01；

2017-07-18)