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脑科学实验的艰难经历

已有 1999 次阅读 2023-7-8 14:54 |系统分类:论文交流

    脑科学实验的艰难经历

     王庆浩 

1.   脑科学研究的难点

随着科学的发展,人类对大到天体,小到原子已经有了一定的了解,但对我们自己天天利用的大脑却知之甚少。我们每天早晨一觉醒来,就要动脑了:是再躺一会,还是立即穿衣起床?起床之后又要动脑了:是先锻炼一会儿,还是立即做饭?一天之内,我们需要不断动脑,不断思维,不断做出各种各样的决定。我们的大脑无时不在转动,然而我们对大脑运转的秘密却一无所知。大脑如何做出决定?思维机理是什么?意识是什么?智慧何在?喜怒哀乐的机理是什么?等等诸多疑问,至今仍然没有答案,仍然困扰着人类。脑科学是人类科学研究需要攻克的最后堡垒。

脑科学研究的难点何在? 让我们回顾一下脑科学研究历史可能会受到启发。脑科学研究成功的案例不多,但依赖人类的聪明才智和坚忍不拔的努力,还是有几个科学家在脑科学上作出了出类拔萃的贡献。回顾总结他们的成功或许为我们以后的研究提供一些线索。

十九世纪末,俄国科学家巴甫洛夫看到狗在没有吃到食物之前便开始流口水,于是通过刺激与食物关联来诱发狗唾液外分泌进行一连串的探索性实验。最终成功的揭示了条件反射。二十世纪中叶,美国科学家Roger W. Sperry通过裂脑人实验,成功的揭示了左右大脑功能的差异,提出了大脑不对称性的"左右脑分工理论"。

美国科学家埃里克·坎德尔的《追寻记忆的痕迹》生动的讲述了他自己如何发明一种方法来揭示大脑记忆的机理。二十世纪六十年代,坎德尔起初决定研究记忆机制,但哺乳动物的大脑太大神经细胞太多,很难检测记忆过程的基本结构和电生理的变化。通过大量分析,他决定应用海兔进行实验,海兔的神经系统仅有2万个神经细胞,多数细胞体积相当大。坎德尔应用海兔实验成功的揭示了记忆的机理。

二十世纪70年代,O’Keefe应用精细电极在大鼠海马中发现了位置神经细胞。90年代O’Keefe的学生莫索尔夫妇优化此技术而发现了网络细胞。

上述脑科学研究的历史表明,脑科学重大成果的取得都是找到了一个非常合适的切入点。脑科学研究的难点是找不到合适的切入点,不知道从何处下手进行研究。在其他科学方面一个新方法可以揭示许多自然秘密。而在脑科学研究之中,发明一个新方法只能揭示一个秘密,因此发明新的研究方法才是解决脑科学的关键。

在脑科学的研究史上,不乏失败之例。许多顶尖科学家为破译脑科学之谜殚精竭虑却收效甚微。最著名的是“分子生物学之父”克里克,从1966年开始进行意识研究一直到2004年去世,期间38年,也没有搞清楚意识究竟是什么。20世纪末,脑科学引起了政府的高度重视。1990年美国总统布什宣布:20世纪的最后十年为“脑的十年”并投入大量经费,然而十年过去了,却进展不大。1995年,日本政府启动“脑科学时代”计划,政府宣布投入200亿美元把“认识脑、保护脑、创造脑”作为脑研究三大目标。然而20年后,目标依然渺茫。2009年,欧盟脑计划的发起人瑞士神经科学家亨利·马克拉姆(Henry Markram)夸下海口:只要十年时间,他就可以用计算机模拟出一个功能细节完备的人类大脑。为此,2013年,欧盟大手笔挥给他13亿欧元(约合99亿元人民币),并将这一“人类脑计划”项目立为“未来新兴技术旗舰项目”,该项目也成为全球最重要的脑计划项目之一。然而2019年到期了,该计划却破产了,该笔经费却打了水漂。

上述事实说明仅仅投入巨额经费巨大人力是不够的,也是徒劳无功!

  尽管破解大脑之谜困难重重充满艰辛,但人类不会对此望而生畏止步不前。明知山有虎偏向虎山行。人类对大脑的好奇心一点没有减弱,一批失败了,一批又冲上去。前赴后继,永不停息。

2.   美国得到的信息

我于2012年9月到美国康奈尔大学纽约医学院做访问学者,得知有二个学科处于研究前沿。一个是肿瘤,一个是脑科学。我对脑科学特别感兴趣,于是,阅读了大量脑科学研究的书籍和论文。

   3. Sperry的启发

一次阅读Roger Sperry论文 Optic nerve regeneration with return of vision in anurans(Sperry, R. W. (1944). J. Neurophysiol 7, 57-69):切断蝌蚪视神经,并把眼球旋转180°。过一段时间,蝌蚪变成小蛙,新的视神经会重新长出与大脑连接,观察小蛙的视觉变化。这给了我一个很大的启发,使我突然想到,在动物卵子发育时期的大脑形成过程中,损毁部分脑细胞,等动物发育长大后,观察其行为变化,是否可以发现某些有关大脑的新现象?

4.   寻找合适的实验动物

2013年10月回国后开始了这个想法的实验。首先是寻找合适的实验动物:哪种动物的卵可以应用?查找资料的发现一些水生动物的卵是透明的,推测在显微镜下可以损毁其部分大脑。恰巧天津市有一个北方最大的普济河道花鸟鱼虫市场,专门出售各种各样的观赏鱼类。我一次购买三五种,带回家中养一养试一试哪种可用。先后试过斑马鱼、燕鱼、罗汉鱼、国斗鱼、蓝曼龙、六角恐龙、金蛙等30多种。2014年3月25日观察到金蛙产卵,但金蛙卵内全是黑的,什么也看不到。2014年5月6日观察到燕鱼卵透明,燕鱼很难养,容易死亡,而且燕鱼很少产卵。2014年8月28日观察到斑马鱼卵是透明的,但斑马鱼卵太小,脑部很难用玻璃针切割。2014年10月15日观察到金蛙卵在发育过程中头部是透明的,前脑、端脑、中脑、后脑非常清晰。当金蛙卵处于发眼期时,两眼之间距离很宽,大脑组织呈浅黄色,清晰可见。金蛙卵很大,发育后变得扁长了,大脑各部分可以用玻璃针切割,适合做脑细胞损毁实验。尽管金蛙卵不透明,但在发育过程中,大脑是透明的。又花费了半年才明白:不是卵透明,而是大脑透明才是最合适的实验动物。金蛙每次大概产卵300-900个,足以满足实验需要。产卵以春秋为多,但全年均可产卵。后来摸索出一点经验,改变水温:把水温由13°C增高到21-23°C,或者由21-23°C降低到13°C,可以促进产卵。经过1年的实验,终于找到了合适的实验动物金蛙,学名非洲爪蟾。

  

左图:金蛙抱对;右图:金蛙卵