神经科学的发展与前景

侯磊

神经生物学，是由神经解剖学、神经生理学、生化药理学、实验心理学组成。按照美国神经科学会所下的定义，神经科学的研究目的在于了解神经系统内分子水平、细胞水平及细胞之间的变化过程，以及这些过程在中枢功能控制系统内的综合作用，神经系统疾病的形成机制。这一定义强调了神经科学多学科、多水平的综合研究的特点。

神经科学以1960年IBRO宣布成立为标志，在神经解剖学、生理学、生化药理学和实验心理学的基础上，引入其他学科的理论、方法和技术而发展形成的一门统一的综合性学科。神经科学就是对神经系统、特别是脑进行多学科、多层次、多方位的综合研究，以最终解释脑的奥秘。

一、神经科学的发展过程

弄清神经科学的发展脉络具有十分重要的意义，因为这门学科涉及到神智的物质基础——脑，而脑是一个高度复杂性的系统。人类对神智与脑关系的认识历程充满曲折，对脑的研究更是在艰难摸索当中前进的。先辈的突破性工作以及其他学科的相关进展对神经科学的创立与发展起到了至关重要的作用。立足于这个基础，神经科学又将神智与脑关系的探索进一步引向深入。

今天的神经科学有几个主要的理论基础，包括动物电的发现、神经元学说、神经系统整合作用理论、脑功能定位观点，还有细胞生物学和分子生物学基础。其中前4项是1950—1960年代以前的积累，细胞生物学和分子生物学基础是在更近年代发展起来的。

伽伐尼关于动物电的发现使人们从此认识到，神经活动（包括脑活动）的实质是独特的生物电活动，即神经传导。17世纪中叶已经有了显微镜，以后逐步改进，脑的解剖开始向神经组织学深入，神经细胞和神经纤维的构造也渐渐明了。1839年施莱登和施万提出细胞理论，1858年菲尔绍建立细胞病理学。但是，围绕着脑和神经的活動是否以神经细胞的活动为基础，发生了激烈的争论。在19、20世纪之交，有相当多的神经组织学家包括意大利人高尔基认为，多个神经细胞的分支是互相连续的，它们形成网络，细胞理论并不适用于神经细胞。这就是“神经网络”学说。也有相当多的神经组织学家包括西班牙人拉蒙-卡哈尔认为，细胞理论同样适用于神经细胞，这就是“神经元”学说。到1930年左右，神经元学说被广泛接受。

知道了动物电现象，关于中枢传导功能的观念就容易被人们接受了。不过中枢传导功能与神经干的传导功能是有区别的，神经干可以双向传导，中枢却不行。谢灵顿于1897年大胆提出，脊髓内的感觉神经传入与运动神经元之间存在着“突触”，它起活门的作用，仅允许兴奋按一个方向传播。在1950年代开始把电子显微镜应用于神经解剖研究的时候，这一点终于得到了实验证实。中枢神经系统（脑和脊髓）活动的特点是，在接受了诸多传入之后，要把它们整合起来，成为一个有意义的输出。这就是中枢整合作用，抑制在此起关键作用。

神经元学说、神经系统整合作用理论和突触概念，奠定了现代神经科学的主要基础。基于突触假设，神经活动实际上应包括神经的传导和突触的传递这样两个不同的过程。人们对脑功能的理解因而推进到了机制性的层次。

二、神经科学相关性科学研究的发展现状

新技术在神经科学研究中的应用使得其发展更加迅猛与深入。主要研究技术有研究分子层面的分子生物学、研究细胞层面的细胞培养、研究组织层面的电生理、研究器官层面的fMRI和脑电图、研究整体层面的行为学观察。

同时新的技术方法的产生加速推进的神经科学更快速更深入的发展。分子生物学技术的应用，使研究向微观方向发展。电生理技术的发展与进步发明了胞外记录、单纤维记录、膜片钳技术、脑片膜片钳技术等。显微镜技术的发展，光学显微镜、电子显微镜、原子力显微镜等相继问世。其中原子力显微镜根据扫描隧道显微镜的原理设计的高速拍摄三维图像的显微镜。可观察大分子在体内的活动变化。还有无创技术的应用：事件相关电位分析、脑功能成像等以及计算机技术与软件技术，这些都是应用于神经科学领域的新的技术方法。

近年来神经科学取得的成就有哪些呢？（1）研究发现了脑的功能有多种因素决定，包括遗传与环境、营养因素等。（2）脑成像技术解释了脑的高级神经活动的脑内通路和定位。（3）发现了许多诱导神经系统发育的分子和可形成神经元的神经干细胞。（4）发现神经系统具有高度的可塑性，基因组的决定因素受个人经历的巨大影响。（5）已经识别出几种退行性疾病：早老性痴呆、帕金森病、ALS、Hungtington病等的致病基因。（6）神经元受损后出现凋亡与死亡的机制取得进展，谷氨酸的毒性得到确认。（7）传统心理学在脑成像技术的帮助下取得进展。（8）药物成瘾机制研究取得进展。（9）早老性痴呆研究取得进展。（10）应激与神经心理取得进展。

三、对于神经科学今后的展望

近20多年来，神经科学得到了爆炸性的发展，世界各国都非常重视。英、美、日等发达国家都已经把神经科学的研究列为国家的重点研究内容和优先发展领域，美国国立健康研究院1997年投入直接与神经科学有关的经费为18亿美元，是人类基因组计划的10倍多;而美国国家自然科学基金总共22亿美元的年总经费中，用于神经科学的经费相当于在数学、物理和化学的研究经费的总和;日本“脑科学时代”计划年投入1000亿日元，总投入两万亿日元，为其“超级钢材计划”的10倍。

分析神经科学的迅猛发展历程，可以总结出当前神经科学发展有以下几种趋势：（1）细胞生物学和分子生物学技术的应用，把研究深入到细胞和分子水平，以解决一些基本和重大的神经科学问题。（2）多层次、多学科研究神经系统的基本活动，如运动、感知、记忆、思维、情感等。（3）新技术的开发和应用在研究中起重要作用，膜片钳、免疫组化，原位杂交和荧光成像等的应用大大地推动了神经科学的发展。（4）相关的边缘学科不断涌现，如神经免疫学、计算神经科学等。顺应科学发展趋势和要求，迅速把神经科学推向世界最前沿已经刻不容缓。（5）人类基因组计划已经与2003年完成，测定基因的物理序列的“基因组时代”已经过去，随之而来的现在是“后基因组时代”和“功能基因组时代”当然神经科学的研究也不例外。突触传递是信息传递最主要和最基本的形式之一，涉猎到非常复杂的蛋白质之间的相互作用，神经递质的释放如何静息地调控、各控制分子之间的相互作用如何、他们自身的基因转录和表达又如何受到细胞的整体调节等一系列问题也成为神经科学研究的一个新的焦点。