wqhwy12345的个人博客分享 http://blog.sciencenet.cn/u/wqhwy12345

博文

脑科学追梦人(一)

已有 514 次阅读 2024-6-10 11:08 |系统分类:论文交流

                                                脑科学追梦人(一)

                                                             王庆浩

  2012年我到美国做访问学者,接触到了脑科学,从此开始了脑科学追梦之路。在此与同道分享脑科学探索实验的心理路程和经验教训,以期共同促进脑科学进步。

1.从美国得到的信息

  2012年到美国康奈尔大学纽约医学院做访问学者,了解到脑科学处于科学研究的前沿。我对此特别感兴趣,于是大量阅读脑科学史的书籍和论文。

2. 脑科学研究概况

  从阅读脑科学书籍和论文知道:脑科学是科学前沿领域,是“科学研究皇冠上的明珠”,是“人类探寻自然的最后疆域”。发达国家和我国制定了脑科学计划,投入巨大人力财力促进脑科学研究。每年脑科学论文非常多,但智力、意识、思维是什么等大脑高级功能依然没有解决。

3.大脑之谜及研究困境

      每天早晨一醒来,我们就要动脑了: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?喜怒优思悲恐惊的机理是什么?等等等等诸多疑问,至今仍然没有答案,仍然困扰着人类。脑科学被誉为科学研究皇冠上的明珠,是人类科学研究需要攻克的最后堡垒,是人体最后的谜团。

      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2023年到期了,该计划却破产了,该笔经费打了水漂。

       上述事实说明仅仅投入巨额经费巨大人力是不够的,也是徒劳无功的!

      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。

4. 脑科学研究的成功案例

      基于动物实验的现代脑科学研究已有100余年的历史,大量脑科学研究是在有脑动物上进行的。早期的实验动物有:狗、猫、蛙等,后来又引进了果蝇、斑马鱼、大鼠、小鼠和猴子等,再后来又在罹患疾病需要脑手术的病人身上进行一些特殊实验,随后将秀丽隐干线虫引入脑科学研究,近期又引入了猕猴,其中的一些实验取得了很大的成功。

   1898年Sherrington描述了猫去大脑僵直现象,20世纪初巴甫洛夫的狗成功揭示了条件反射。Sperry通过裂脑人实验,成功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·坎德尔应用海兔实验成功的揭示了记忆的机理。2014年,O’Keefe和他的学生莫索尔夫妇共同获得诺贝尔生理医学奖。二十世纪70年代,O’Keefe在大鼠海马中发现了位置神经细胞。1990年代,莫索尔夫妇优化了研究大脑位置细胞的技术,发现了网络细胞。

  不难看出,Sherrington、巴甫洛夫、Spery、坎德尔和奥基弗都使用了新策略和新方法。上述脑科学研究的成功的案例表明,脑科学重大成果的取得都是研究策略和方法的突破。寻找新策略和新方法才是突破脑科学的关键。  

5. 脑科学特点与启示

5.1 脑科学的特点:

脑科学的发展非常依赖模式动物和研究方法的突破。没有高尔基染色,对大脑认识还在蒙昧时代。

一些研究简单巧妙却能揭示奥秘,例如双蛙心灌流实验。

一种新方法只解决一个大问题,没有普适方法!

5.2 先贤的启示:

发现新模式动物(系统)和创造新方法是关键。

应用新方法去发现新现象和新规律。

6. Sperry的论文及启发

大约2013年初,我看到Sperry的一篇论文,受到很大启发。论文如下:

image.png

Sperry的蝌蚪实验(experiments on tadpoles):蝌蚪阶段(tadpole stages)切断视神经,眼球反转180度,发育为青蛙后,观察行为变化。结果青蛙视觉相反了:后侧的飞虫,它会向前侧捕食。

受此启发想到:破坏受精卵或胚胎将要发育为大脑的部分脑胚,观察蝌蚪/青蛙行为变化。

7. 受精卵与脑胚损毁点

image.png

大脑发育过程,精子进入点将发育为大脑,其对称点被称为组织者,决定大脑发育(左图)。发育到mid neurula阶段(右图),神经版(neural plate)将发育为大脑。理论上损毁这三个点将会影响大脑的发育。

8. 哪种动物合适?

2013年底回国后开始了这个想法的实验。世界上有成千上万的动物,首先要确定的是哪种动物适合做这种实验?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。先后实验了斑马鱼、蓝曼龙鱼、鲤鱼、金丝鱼、鲫鱼、鲶鱼、黄金鳉鱼、神仙鱼、玛丽鱼、黑十字鱼、红十字鱼、花鼠鱼、红绿灯鱼、玻璃灯鱼、燕鱼、鳉鱼、金蛙、金鱼、蝾螈、水蜗牛、打钩鱼、浮泳鱼、蓝三角、拐棍鱼、六角恐龙、扯旗鱼、墨宝鱼、青鳉鱼、樱花虾等等30多种动物。最后找到2-3种可能合适的动物,最终只有金娃(热带爪蟾)的卵合适,详情如下:

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。当时认为金蛙卵不能用,但没有放弃,决定再养一段,再观察观察。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日金蛙再次产卵,观察到金蛙卵二分裂,四分裂,神经胚都是清晰可见(见下面第四行图第一图)。在以后发育过程中,头部也是透明的,前脑、端脑、中脑、后脑都非常清晰。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。假如第一次观察到金蛙卵内是黑的决定抛弃,就不会有再观察了,也就找不到合适的实验动物卵,后面的实验也就无法进行了。科学探索非常奇妙,有心插花花不开,无心栽柳柳成荫。理论上需要的是透明卵,千寻万觅的也是透明卵,真正需要的却是透明大脑。如果不是做了实验,单凭想象无论如何都想不到。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。

实验动物是我自费购买的,显微镜也是我自费在淘宝网购买的,所有实验都是业余时间在我的家中做的。基础研究在谜底解开之前,往往一片漆黑,什么也不知道。失败是常态,成功是例外。基础研究就是这样:实验,实验,再实验,花费大量时间,花费大量精力,然后才有一点点进展,这就是很大的幸运了。多数时间,是失败,失败,再失败,甚至一直都不会成功。一年找到合适的实验动物,真的好幸运啊,下一步就可以开始受精卵和脑胚损伤实验了。

下面是我用的一部分实验动物:

image.png image.png image.png

    热带爪蟾                     六角恐龙               六角恐龙

image.png    image.png     image.png

    燕鱼                      小虾                       斑马鱼

image.png

下面是显微镜下热带爪蟾的各胚胎发育期

image.png

     上面这些图片可能不常见,这正是探索性实验的结果。做探索性实验,可以见到一些不常见的新现象,使我们产生新思维。脑科学难度非常大,需要多方面、多角度、多方法探索,因为人类根本不知道哪条路是可行的。从胚胎发育阶段进行切割干预实验不失为一个切入点。

       需要说明的是,这些实验都是8小时之外,在我自己的家里做的。照片是我的手机照的,有的不是很清晰,但却可以看到的。在家里做实验,这是一种发自内心的好奇,到底自己的想法是否可行?自己的想法可以做出来一点点新现象(或叫新发现)吗?失败是常有的,面对失败感到的不是气馁,而是心平气和。因为失败太常见,见多了就会见怪不怪了。

      许多专家一再呼吁支持基础研究,支持原创,但真正进行原创的并不多。搞了原创就知道,原创真的很难很难。问渠哪得清如许,为有源头活水来。科学研究的本质是“探索与发现”,没有“探索”,哪来的“原创”?原创不可能从天上掉下来,应该大力倡导和践行探索性的基础研究,这是原创的源头。我们应该坚持不懈,积极探索,在潜移默化中为脑科学的突破增加一点点量变。长期的探索,大量的探索,一定会观察到一点点新现象,一定会得到一点点的新发现,这是科学研究的星星之火。再难的科学问题,只要我们不懈努力,点点积累,必然会形成突破。

   我们常说十年磨一剑,脑科学的探索可是二十三十年也不成的。不是一般人不成,而是二十世纪最伟大的DNA双螺旋发现者克里克花费30多年时间也没有磨成一剑的。由此可见,脑科学之难,简直难于上青天!脑科学难度太高,但越是困难,越是考验我们的耐力。在脑科学研究的道路上, 我们应该向克里克等先贤学习,探索三十多年并没有破解脑科学的一个难题也无怨无悔。既然克里克可以花费38年而一无所获,我们为什么不能花费10年20年试一试?即时一无所获有何所惜?

未完待续



https://blog.sciencenet.cn/blog-1184431-1437547.html

上一篇:一场25年的科学赌局
下一篇:脑科学追梦人(二)
收藏 IP: 111.33.232.*| 热度|

4 宁利中 尤明庆 杨正瓴 段德龙

该博文允许注册用户评论 请点击登录 评论 (0 个评论)

数据加载中...

Archiver|手机版|科学网 ( 京ICP备07017567号-12 )

GMT+8, 2024-7-13 01:38

Powered by ScienceNet.cn

Copyright © 2007- 中国科学报社

返回顶部