这是最后的挑战, 就看你们敢不敢为之投入自己的生命, 为人类的光荣和利益解决这些问题。”( 《厚望与期待》, 科普出版社, 2001 年) 新千年的第一个诺贝尔生理学或医学奖授给了在脑研究方面作出贡献的科学家, 这为21 世纪———“脑的世纪”的到来开辟了非常好的开端。面对即将深入发展的脑科学, 我们信心倍增, 但又感到任重道远。教育为本, 科技兴国就是脑力兴国。为了富国强民, 必须加强对脑的研究, 更好的了解脑、保护脑和开发脑。

脑科学是一门实验性科学, 有关脑的结构和功能、发育和可塑性等的内容和结论都是来自于实体的观测和实验研究。脑科学的发展依赖于研究方法学的进步和创新性的思维。美国生物化学家Paul Berg ( 1980 年诺贝尔奖获得者) 在“致21 世纪的中国青少年”的文章中介绍自己成为一个科学家的体会: “进入高等学府后, 老师鼓励我们提出我们和他们知识和经验之外的问题, 思考那些我们找不到答案的事情。后来, 我成为课外科学俱乐部的成员, 这里要求我通过实验解决某些与自然界有关的问题。开始是重复已经做过的实验, 随后就要求我设计新的实验方法解决我自己提出的难题。这是极富挑战性的。在任何时候, 创新性的思维都是最宝贵的。也许正是这些早期的经历, 激发了我探索未知世界并找出答案的欲望。”如果没有Golgi 染色法, Cajal 就不可能建立“神经元学说”; 没有微电极技术, 就不能认识脑细胞的电生理学特性; 没有膜片钳技术, 就开拓不了离子通道的研究; 没有无创伤的脑成像技术, 对人脑认知机能的研究就无法进行。

随着方法学的建立和革新, 人们对脑科学的认识一步步提高, 不断地从模糊走向清楚, 从错误走向正确。请读者在学习本书时不但要掌握基本的结论和规律, 更重要的是要注意这些问题和规律的提出和产生过程, 特别是实验方法的建立和研究思想的发展以及它们可能存在的局限性。虽然脑科学的研究和知识已积累了数百年, 如果从Cajal 建立“神经元学说”算起, 现代脑科学的研究已有100 年了, 但我们对脑的结构和功能的认识尚很不完全, 很不清楚。可以说,对脑的高级功能的认识现在才刚刚开始。所以, 这也正是脑科学的迷人之处。脑科学发展到今天, 尽管仍然需要, 并且一定会有一些杰出的科学家起带头作用, 但是, 推动脑科学进步的已经不可能仅仅是几个学者和研究室了。它需要整个科技界的合作, 需要神经科学家群体的努力。所以, 希望读者和学生接受它的挑战, 加入研究脑科学的队伍中来, 并有所作为。

1 脑科学是当今生命科学研究的两个前沿领域之一脑是生物亿万年进化到一定阶段才出现的产物, 可能是宇宙间最复杂的体系。就是这个占身体很小体积的组织主宰着动物和人的意识和行为。那么脑是如何产生感觉、意识、动机和情绪的? 如何学习和记忆的? 如何控制行为的? 如何自我修复和功能代偿的? 这些问题一直是科学家面对的挑战性问题。近一个世纪以来, 人类开始涉足研究自身的脑。自美国国会1989 年通过101-58 公共法, 把1990—2000 定义为脑十年( the decade of the brain) , 并规划出58 个大的研究课题后, 各国都相继加强了对脑的研究力度。欧洲1991 年出台“欧洲脑十年”。日本推出强脑科学计划, 确认脑和染色体是21 世纪生命科学研究最前沿的两个领域, 并在1996 年制定20 年的“脑科学时代”( the age of brain sciences) , 要让日本的脑科学研究达到并超过世界水平。10 年的研究使阿尔维德· 卡尔松( 瑞典) 、保罗·格林加德( 美国) 、埃里克·坎德尔( 美国) 在“人类脑神经细胞间信号的相互传递”方面获得了突破性发现, 对治疗人类的帕金森症具有非常重要的意义, 三人共同获得本世纪末( 2000 年) 的生理学或医学诺贝尔奖。这可能是21 世纪的脑科学将要取得突飞猛进发展的先兆。

教育为本, 科技兴国就是脑力兴国。脑力兴国, 中国人能否取胜? 加强脑科学研究是事关时代、国家和民族兴旺发达的大事。我国的脑科学家张香桐先生早就呼吁“开展大脑研究, 提高民族智力”。中国成立了脑健康专业委员会, 向社会提出“脑健康”的观念, 并将每年的9 月16 日定为脑健康日。在这个知识经济的时代, 人智商的高低、创新能力的强弱直接关系到能否应对知识经济的挑战。要使“全民健脑”向纵深发展, 真正提高中华民族整体素质。

2 脑科学的研究范围

当今, 国际上研究大脑的趋势是“了解脑( understanding the brain) , 保护脑( protecting thebrain) , 开发脑( creating the brain) ”。了解脑, 就是认识脑的结构和功能, 例如脑是如何控制运动和情感的? 如何感受和产生感觉意识的? 如何学习和记忆的? 保护脑, 就是研究如何使大脑得到良好的发育, 如何防治脑的疾病, 如何保护脑不被环境污染所伤害, 如何延缓脑的衰老。

现在脑的疾病越来越多发、常见, 其中许多神经细胞退行性坏死的脑病, 已经给人类社会造成巨大的创伤和压力。开发脑, 关系到如何教育下一代, 如何利用和仿生脑的结构和功能。后两个目标是建立在“了解脑" 的基础上的。了解脑的结构, 保护脑的健康发育, 有效地增进脑的正常功能, 防护脑的病变, 已成为当今亟待解决的问题。脑科学的研究范围很广泛, 可以涉及从生命科学各个领域, 到数学、物理学、化学、信息学等当今任何一个学科, 甚至人文科学。狭义上讲, 脑科学是研究脑的形态结构、细胞和化学的筑构、脑的感觉、运动和各种高级机能及其整合机制、脑的进化和发育过程、脑病的防治和预防、智能的开发、脑仿生学等学科。

3 人的脑子能否认识人类自己的脑子?

脑是自然界中最复杂、最精妙的一种开放的复杂超巨体系。脑的复杂性表现在什么地方?除了脑内有巨量的神经元( 1011 - 12 个) 和突触连接( 1014 - 1 5 个) 外, 还表现在大脑存在大量的动态的对称破缺以及进化导致的复杂性。脑的形成起码受到三大因素的制约和影响。它们是生物进化、先天基因和后天刺激。在亿万年生物进化的历史长河中, 脑细胞在多层次上不断增殖、凋亡、修补、构建和演化。脑的发育依赖于先天遗传基因调控的程序和模式, 也具有复杂的自适应行为。脑的发育中存在着巨大的可塑性, 后天的环境因素与学习对脑的发育有着极大的影响。

脑复杂到有的学者在问: 人的脑子可否破译人类自己的脑子? 我能认识“我”吗? 思维与脑的关系是一个脑研究的核心问题。意识产生于大脑, 这一点是早已被公认的。但长期以来, 研究大脑和精神的科学家一直回避和无法对意识进行研究。脑科学界一时盛行的观点认为, 依靠客观现实的科学是无法接纳和研究意识这样属于主观的东西的。意识成为脑研究的禁区。美国圣迭戈的索尔克生物学研究所的神经生物学家弗朗西斯·克里克和加利福尼亚理工学院的克里托弗·科克认为, 意识可能产生于大脑皮层的某些振荡。神经元的放电频率达到40Hz 就可以产生同步振荡。他们认为, 不同来源的信息在特定脑区的神经元上交汇, 体现为神经元同步放电激发时就会结合在一起, 而产生某种“意识”。即使研究和思想如此前卫的科学家, 面对意识可否被科学研究解答, 也认为是“不可知”( 《科学美国人》中文版, 1999) 。

意识不是一个东西, 而是一个过程( William James, 美国) 。然而, 至今仍然没有揭示这一过程的奥秘。丹尼尔在《心灵种种》一书中说, “心灵确实是终极不可知之域( terra incognita) , 也超出全部科学所能达到的范围, ?? 我们必须习惯这一事实, 即存在探索极限所不及的事物”。丹尼尔认为: “人类的意识大概是最后的未解之谜。之所以, 是因为人们要解开它却又无从下手”。恩格斯在《自然辩证法》中有一句话: “终有一天我们可以用实验的方法把‘思维’归结为脑子的分子和化学运动; 但是难道这样一来就把思维的本质包括无遗了吗?”。阿尔维德· 卡尔松( 瑞典) 、保罗·格林加德( 美国) 、埃里克· 坎德尔( 美国) 在“人类脑神经细胞间信号的相互传递”方面获得突破性发现, 三人共同获得2000 年生理学或医学诺贝尔奖。这个事实显示了脑科学研究的重要突破, 但对于了解大脑的功能仍然是个开始。我国脑科学家杨雄里认为, 脑功能的实施依赖于神经细胞间信息正常的传递, 信息从一个神经细胞传递到另一个神经细胞, 同时, 发出和接受信息的神经细胞都会发生变化。三位获奖的研究者从一个侧面了解了这种变化是怎样发生的, 但不能说已经完全了解了大脑的功能。

科学研究永无止境, 人不是全能的, 但科学是全能的。脑的复杂性可能正是脑的原理。思维是脑的整体行为, 可能要从物质、能量和信息三者的整合来研究。脑子中任何的识别过程都是混沌与有序的不断变化。识别的建立必须是进入有序状态。实际上, 人类利用整个人类集体的智慧, 即“社会的脑子”, 并经过多少代的努力, 即“历史的脑子”来研究脑, 使对其的认识逐渐完善、清楚。在internet 发展的今天, 网络可以更快、更好地集中和使用全球的信息, 这个“全球的大脑”一定会逐渐地揭示脑的奥秘。

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