郭爱克：情迷果蝇，乐趣无穷
2024-12-13 00:00陈冰
新民周刊 2024年45期
在当今科技日新月异的时代，脑科学研究作为探索人类智慧与智能的重要领域，吸引着无数科学家为之献身。一代又一代科学家要回答一个由来已久的、经典的科学问题——脑和心智的关系。
中国科学院院士郭爱克，于1993年在中国科学院生物物理研究所建立了我国第一个以果蝇为模式生物的学习与记忆实验室。选择脑认知的核心问题——抉择为突破口，开创了果蝇认知与抉择研究新方向。2005年，郭爱克在国际知名期刊《科学》上发表了关于果蝇跨模态学习与记忆的研究论文，引起了学术界的关注。这项研究不仅证明了即使只有“简单头脑”的果蝇也表现出抉择 “理性”和认知行为多样性，改变了“抉择是灵长类专利”的传统观念，还为人类理解大脑学习记忆机制提供了新的视角。
这一领域的研究不仅涉及复杂的生理机制，还对人类认知、情感和行为有着深远的影响。
作为新中国第一位留学德国的“自然科学博士”脑科学领域的杰出代表，郭爱克以其深厚的学术造诣和不懈的探索精神，为中国乃至世界的脑科学研究做出了重要贡献。近日，我们有幸在第一届张香桐脑科学研讨会上采访到了84岁高龄的郭爱克院士，听他讲述自己的科研历程、对年轻学子的寄语以及对生死哲学的独到见解。
情迷果蝇
很多人都问：我们人类大脑为什么这么聪明？其实大脑不是被设计出来的，而是智力演化的伟大奇迹。“大脑是经过浩瀚的历史长河，通过选择和演化而产生。我们的大脑在一定意义上来讲，就是进化历史留下的记忆。”郭爱克院士说，人类的大脑体积是1400立方厘米，但是黑猩猩是400立方厘米，显然人类的进化是非常有成就的。人们“上九天揽月，下五洋捉鳖”，靠的就是大脑智慧。
郭爱克指出，脑科学主要研究人类大脑的智慧、智力和神经基础，这一领域的研究不仅涉及复杂的生理机制，还对人类认知、情感和行为有着深远的影响。而他选择了将果蝇作为模式动物进行研究。
这一选择看似出乎意料，实则蕴含深意。他解释说，“别看果蝇个头小，作为一种‘资深’的模式生物，已经有一百多年的历史了。果蝇的大脑工作机制在进化过程中具有一定的保守性，这意味着在果蝇上发现的问题，在人类和其他高等动物身上也可能具有借鉴意义。早期的研究已经证明，果蝇在遗传学、发育学以及学习记忆等方面具有独特的优势，从遗传学研究到生命的发育研究，再到生物节律等，从1995年到2017年，科学家对果蝇的研究已经获得了4次诺贝尔生理或医学奖。1995年果蝇的研究揭示了基因是如何在胎儿生命的早期阶段控制发育的。接着在2004年，诺贝尔奖颁给了对果蝇嗅觉系统的研究。而在2011年，则颁给了对它的免疫防御的研究。2017年，果蝇获得了它迄今为止的最后一次诺贝尔奖——这一次是颁给了对控制生命体昼夜节律的内置时钟的研究。最近的这些奖项特别好地说明了果蝇研究可以在很大程度上代换到人类身上。
郭爱克院士说，果蝇身上的研究点特别多。如睡眠、打斗、进攻、求偶、衰老等，这些行为都是可以从基因、环路和行为层面被精细研究的。他特别提到了在2001年进行的一项开创性实验。当时，他和北航毕业的一位自动化专业的高材博士合作，通过严谨的实验设计让果蝇在飞行过程中学习分辨图形和颜色，并研究其在飞行中如何选择目标、回避惩罚。这一实验不仅证明了果蝇具有趋利避害的能力，还开创了果蝇抉择问题研究的新领域，引起了国际学术界的广泛兴趣。
“当时国际上都不信这个抉择问题，就觉得这么小的动物怎么可能有抉择，还有两难抉择。那我们的试验证明之后，大家才明白，就是在低等动物高等动物都有选择的问题，而且这种抉择叫做赢者通吃的抉择。
“什么叫做赢者通吃，英文叫做winner-takes-all，WTA。这就是抉择中胜利者全部占有，不给失败者一点。这个抉择问题比较有趣，高等动物也是这样做的。所以这样我们就用简单的模式动物开创了一个先河——如何来研究抉择。”
随后，郭爱克院士在2005年又发表了一篇关于果蝇跨模态学习记忆的重要文章。他提出，果蝇的视觉和嗅觉之间存在非线性相互作用，这种跨模态的记忆增强效果类似于人类的多种感官协同作用，达到“1+1大于2”的效果。这一发现不仅揭示了果蝇跨模态学习记忆的协同共赢机制，还可能为后续的类脑智能研究提供重要的启示。
20年来，郭爱克在果蝇基于价值的抉择、跨模态学习记忆以及多巴胺调控抉择等方面进行了开创性研究，从而帮助人们对高等动物的类似的认知活动有一个精准的了解。人类大脑神经元数量为860亿， 还有10倍的神经胶质细胞。神经元彼此之间要建立关联，形成突触，突触数量为 100万亿至1000 万亿，也就是每个神经元平均拥有1000到1万个神经突触。人类大脑的神经纤维总长度是18万公里，这个数字是什么概念？绕地球一周是4万公里，我们人类大脑的神经纤维可以绕地球四周半！人脑太复杂了，怎么研究？如果你拿果蝇做一些事情，“四两拨千斤”，知道它的基本原则，先从简单系统开始，然后再外推到复杂系统。所以哲学家叔本华有一句非常精辟的言论叫“简约永远是真理和天才的共有特征”。
新中国第一位留德博士
1940年，郭爱克出生在辽宁沈阳。“外表平和，内心坚强。”这是郭爱克在总结八十多年的人生时，对自己作出的八字评价。1960年夏天，高中毕业后，由国家选派，郭爱克进入莫斯科大学生物物理学专业学习，1965年毕业回到祖国。
然而，“文革”夺去了郭爱克整整10年的青春年华。在那样一个嘈杂喧嚣的年代里，热爱科学的郭爱克没法从事科研活动，就开始自学德语。他有一本特殊的自学教材——德语版的《毛主席语录》。在食堂吃饭，排队的时间他也在背单词。在北京黄庄菜市场排长队的大半天里，郭爱克也闷着头在看德文。
1971年，郭爱克和同事们一起被下放到中科院在湖北潜江农村的“五七干校”。在干校，他们就住在劳改犯留下的低矮草棚里。郭爱克每天的“工作”，就是用南方的整日都要泡在池塘里的大木桶挑大粪给菜施肥，晴天一身汗，雨天一身泥。
1972年，由于艰苦劳作，郭爱克患上了非常严重的黄疸肝炎，黄疸指数达到惊人的80，整个人像蜡一样发黄，住进了潜江传染病院。幸亏主治大夫中药西药双管齐下，郭爱克严重的肝病居然奇迹般地康复。
1976年，改革开放的前夜，国家着手准备向国外派遣留学生。郭爱克有幸被选派到北京语言学院德语76班，并成为“德76班”的班长。1977年，郭爱克成为中国留德八个科研生之一。在德国科学技术交流中心（DAAD）奖学金的支持下，郭爱克只身前往慕尼黑大学。
郭爱克的导师斯穆拉建议他攻读博士学位，其时中国尚无博士制度。他对郭爱克说：“也许现在的中国还不需要博士，但是将来肯定需要。在西方，如果你是一位科学家，但没有博士学位，人们是不太理解的。”导师斯穆拉不厌其烦，为郭爱克办理了大学毕业证书公证等手续，确认郭爱克在莫斯科大学的学历与德国学历等价，没有这个学历认同是不能在德国拿学位的。这些给了郭爱克最大的支持，他下定决心：“我的目标不是拿博士学位，但一定要在两年中做出博士水平的工作来。”
功夫不负有心人。1979年9月20日，郭爱克用了两年时间，以“最优”（Summa Cum Laude）的总成绩获得了慕尼黑大学自然科学博士学位。德国科学技术交流中心负责与中国学术交流事务的伯兰特·多恩女士，在郭爱克博士论文答辩前夕，给他的一封祝贺函中写道：“这将是二战以后，来自中华人民共和国的科学工作者在联邦德国获得的第一个博士学位。”
1982年11月至1984年6月，郭爱克作为访问学者，来到了德国马普学会生物控制论研究所，从事家蝇视觉系统“图形与背景”分辨的生物控制论研究。
1992年，第十九届国际昆虫大会在北京举办，那年郭爱克52岁，在会上他遇到了几位研究果蝇学习记忆的德国科学家，激起了他研究果蝇学习记忆的强烈的好奇心。“学习记忆对于高等动物来说并不稀奇，但是果蝇那么一个小小的昆虫，怎么也能学习记忆，它到底是怎么学习记忆的？”
1993年，他又受邀到著名的海森堡实验室短期访问，自此开启了他的果蝇研究生涯，并在回国后建立了中国第一个果蝇视觉学习记忆实验室，跑步进入了果蝇赛道。
这时郭爱克已经53岁，许多人不理解，已经这么大年纪了，还去做一个全新的领域，能有多大突破呢？郭爱克看得很明白：“第一我有基础，‘果蝇’与我之前做的东西有关联。第二我觉得很有趣，为什么这么小的虫子能有学习的能力？”
基础+兴趣+执著，成为53岁的郭爱克敢于“另起炉灶”，开创新天地的不竭动力。
在郭爱克看来，果蝇并不是一个简简单单的小虫子，它可以学习、可以记忆、需要睡眠。“果蝇甚至有特别的求偶行为，还唱求偶歌。在特定条件下有“同性恋”行为。它有一个非常复杂的行为菜单，这真的可以挖掘很多很多问题。比如说它也会醉酒，会酒精成瘾，尼古丁成瘾，这方面我们都有研究工作。所以这些机制你要做了以后，觉得这个机制跟人类的东西大同小异。比如说我曾经研究过多巴胺对果蝇的抉择行为的影响，有人说多巴胺是爱情的分子。但多巴胺可以是女神，也可以是恶魔，成瘾了就是恶魔。这是正负两个方面，果蝇身上也都有，机制上都很类似。但我不是说果蝇可以解决一切问题，比如果蝇不能用来研究复杂高级的认知活动，比如语言或者意识这些东西都不能够拿这种简单生物来做，那就要去研究更复杂系统，就看你做什么科学问题。”
从2001年到2007年，短短6年时间，他领导团队连续3次登上《科学》杂志，发表重磅科研论文。例如，在2005年，郭爱克在国际知名期刊《科学》上发表了关于果蝇跨模态学习记忆的研究论文，引起了学术界的轰动。这项研究不仅证明了果蝇具有跨模态学习记忆能力，还为人类理解大脑学习记忆机制提供了新思路。
18年后，2023年英国一个非常著名的实验室，用与郭爱克2005年果蝇跨模态协同共赢的实验范式和逻辑，在《自然》杂志上发表了重要论文，进一步阐明了果蝇跨模态的分子和细胞机制。他们引用了郭爱克院士的工作。“他们的发现不仅证明了我们2005年工作的发现，同时还把我们的工作往前推进了一大步，这就使得我更感觉到科学的魅力，一些科学家做了开创，后续的科学家在你的基础上进一步推进，科学家之间的互相成就让我特别激动。”
做最好的自己，不虚度年华
在谈到对年轻学子的寄语时，郭爱克院士显得尤为深情。他回忆起自己年轻时的经历，特别提到了《钢铁是怎样炼成的》这部俄罗斯文学作品对自己的影响。他说，这部书让他深刻认识到，青年人不要虚度年华，不要躺平，不能碌碌无为，要不断努力成为最好的自己。
面对当今社会上“内卷”和“躺平”的现象，郭爱克院士给出了自己的建议。他认为，无论选择哪条道路，都要尽自己最大的努力去做好工作，而不是随波逐流或轻易放弃。他鼓励年轻学子要勇敢面对生活和工作中的困难，找到适合自己的发展方向，并为之不懈奋斗，“业精于勤荒于嬉，行成于思毁于随”。在谈到科研评价体系时，郭爱克院士也表达了自己的看法。他认为，当前的评价体系过于单一且不科学，给年轻人带来了很大的压力。他认为，当前的评价体系过于注重论文数量和影响因子等量化指标，而忽略了科研工作的实际贡献和创新性。这种评价体系容易导致科研人员追求短期利益、忽视长期价值的现象。他强调，科学研究的价值不在于发表了多少篇高影响因子的文章，而在于解决了多少重要的科学问题，有没有创新性。我们应当注重从0到1的贡献，从源头的创新。他希望管理部门能更加理解科学本身的规律，为年轻人创造一个更加宽松和有利于创新思维的科研环境。
好的科学研究，一定要有好的哲学思维牵引。中国学者在这方面是有优势的。
尽管已经84岁高龄，郭爱克院士依然活跃在科研第一线，带学生、作报告、参加学术会议，日程排得满满当当。当被问及如何保持如此敏捷的思维和旺盛的精力时，他笑着说：“我每天都在想事儿，脑子一直在用着。”
郭爱克院士表示，他每天都会关注新发表的重要文章，了解最新的研究进展和亮点。即使有些文章篇幅很长，他也会花上几天时间去仔细研读。这种不断学习和思考的习惯，让他始终保持着对科研的热情和敏锐度。
在谈到中国脑科学研究的现状和未来时，郭爱克院士显得非常自信。他认为，尽管目前中国在脑科学和类脑研究领域的队伍相对较小，但近年来取得了显著的进步。例如，在灵长类动物研究、脑功能图谱绘制、表观遗传学等等发挥了领跑作用，中国科学家利用自身优势取得了重要成果。他相信，在不久的将来，中国脑科学研究将在国际舞台上发挥更加重要的作用。他说，好的科学研究，一定要有好的哲学思维牵引。中国学者在这方面是有优势的。
在采访的最后环节，我们提到了最近社会上热议的安乐死话题。郭爱克院士表示，这是一个非常敏感且复杂的问题。从生命本身来讲，每个人都可以有自己的决定权，但是人是有社会性的，从伦理和社会观念上来看，在当下，安乐死并不容易被接受。
对于那些处于极端痛苦且无法挽回生命的患者来说，如何让他们在生命的最后阶段保持尊严和安详是一个需要全社会共同关注的问题。同时，郭爱克院士也强调了生命质量的重要性。他鼓励每个人都要珍惜生命，敬畏生命，努力活得有质量、有意义，为社会做出自己的贡献。
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