脑研究交叉学科的系统整合

                     -----四议生物学与电磁学的整合

                         都世民（Du Shimin)

摘要：本文从脑研究涉及的多学科研究现状，提出脑研究面临的问题，如何破解交叉学科融合的困局。提出一些看法,并进行一些必要地讨论。

                        脑研究的多学科属性

大脑是生命活动中最重要也是最复杂的器官，在探索脑—智( brain-mind)关系的征途上，我们面对革命性的机遇和挑战。生命科学正在实现着从基因组学( genomics)到蛋白质组学(proteomics)，再到神经连接组学( connectomics)的转变。在未来的20 年里，脑与认知科学将进一步从事脑功能的神经环路分析，对脑内的线路作图（wiring diagram of the brain)、实现对基因一脑一行为一认知的进一步理解、加深对自然和人类自身的认识，对知识创新，对心理和精神健康，对信息科学和人工智能技术的进步以及信息科学与技术的发展，对提升和扩展人的能力  改善人类生活品质、增进心理和精神建康，对促进社会和谐安定、增强国家安全等方面，有着极其重要的科学意义。[1]p1

人类认知世界始于感知觉，感知觉是高级认知过程的基础。视觉、听觉、触（痛）觉和嗅觉是感知觉研究中最主要的领域，它们提供了绝大部分的感知觉输入。感知觉信息处理功能非常强大。视觉系统可以在复杂环境中快速准确地识别物体；听觉系统可以从非常嘈杂的环境中提取出重要的声音信息；触（痛）觉系统可以提供具有关键生存意义的信息；嗅觉系统可以对气态化学刺激做出反应。对于感知觉信息处理的研究，不仅可以促进我们对感知皮层中神经环路和神经信息表征的了解（即促进神经科学自身领域的发展），而且对智能信息科学、医学、教育学有重要的推动和促进作用。多年来，利用心理物理学、电生理、脑成像和计算模型等研究手段,在行为水平上、单个神经元水平上、神经元集群水平上和理论上对感知觉信息处理的研究，一直处在神经科学研究领域的前沿。对感知觉信息处理的研究充分体现了生命科学和信息科学的结合、定性研究和定量手段的结合，无论是对基础科学的新思路和新理论的提出，还是对新技术的研发，均有极大的推动作用。[1]p13

越来越多的本来从事生理学、生物学、物理学、基因组学、生物化学、计算机科学、社会学、数学、逻辑学的研究人员,正在加盟到对心理现象和机制的研究中来。[1]p6

神经科学已成为发展最快的前沿学科之一，近几年来取得了突出的研究进展。例如，研究技术取得了重大突破，感光离子通道蛋白的实验为神经科学研究提供了全新的方法和技术，研究人员可以利用外源光确定特定神经元和神经环路，并精确控制其放电活动，利用“光开关”技术让一个神经元或一个突触连接处于激活或关断状态，利用神经荧光蛋白“脑虹”技术可以标记；记出上百个神经元来显示复杂的神经环路；发现成年大脑中神经细胞及促使神经干细胞形成神经元的分子，以及成年人大脑中新生细胞与终身学习的联系，发现感受温度等感觉信号的离子通道，……[1]P4

从上面几段论述中，笔者感到有以下问题：

1.脑与认知科学的研究是复杂系统科学，还是以生物学为主体，多学科交叉的非复杂系统科学。

2.脑与认知科学的研究是以神经元及其环路为基本单元的探索思路，还是探索生物体内真实的有线和无线传输信息通路。

3.人类认知是始于六个感官：眼、耳、鼻、舌、身、意。视觉感官的解读，多学科(眼科、生物学、光学)认为人眼是照相机，是成像装置。这种解读与识别、搜索、跟踪等功能无关。与人的实际感受不匹配。

4.从生物学家、电磁学家给出的人眼结构和工作机理的论述中，这两方面是相互分离，将本是一个系统的问题，相互隔离了。视觉感官从宏观到微观视网膜，是找不到神经元和神经环路，却假想有位置细胞、速度细胞、角度细胞、导航细胞，认为人体内有认知地图和GPS导航系统。

5.从上述论述中，不难看出生物学、光学、电磁学之间是有关联的。可是这种关联是以生物学为主体，光学和电磁学作为生物学的应用工具。实际上光学专家没有介入人脑研究。他们研究的微小光学和纳米光学，与生物学互不相干，这是问题所在。[2]

6.上面提到的多学科,没有电磁学、光学、天线等学科。或者说应有电子学科人士介入。不难看出，国家高层对脑研究涉及的多学科人才配备存在缺失。

7.即使有电子学科专家介入，谁来整合多学科研究成果，形成系统认知。研制两弹一星时，国家成立了几个研究院，人才来自全国各地。如今脑研究不亚于两弹一星，在军事上有很重要的应用价值。应该有新的研究机构去实现中国脑计划。

                     细胞研究的多学科认知

“人类脑计划”为神经科学家提供强大的信息支撑，以获得人脑在健康和疾病状态下从分子、细胞、回路到系统多层次的对应数据，极大地促进了人脑工作机理研究和人类健康水平的提高。近年来在神经科学的重大问题上实现突破性进展的整体进程明显减缓，因此需要基本理论的新突破来引领新一轮的实质性的快速进展。[1]p33

就细胞研究而言，多学科视角是不同的。生物学对细胞、基因、蛋白质等关注度最高。对细胞内部结构、细胞的生成、排列、衰老、凋亡、细胞间的信息传递和多细胞协同机制的研究，这些研究中与基因决定论相关连。而蛋白质的研究也在深入。这些研究都与电磁理论无关联。从生物学的研究工具看，是想从人脑取出电信号，电子学科的介入有两方面：一是植入或非植入式电极的相关研究；二是人工视网膜的研制。这两方面都未涉及电磁场概念。

物理学对细胞的研究提出细胞运动受力的作用。物理生物学的研究结果表明：细胞可以运动。在“秒”的时间尺度上可看成固体。但在“分钟”和“小时”尺度上，它的形状会改变，位置也会移动。为什么会是这样？人的手触觉可以感受200Hz的机械振动。这一特性使我们的手在接触物体表面时，能感受到细微的变化。这又是为什么？[3]

细胞不仅在运动，而且有感知功能。对周围环境的多种刺激会产生反馈，例如拉伸、压缩、液体流动，……。我们的感官对周围环境的感受是有机械力的作用。血压的调节是依赖于动脉、静脉的机械敏感性，大脑中的排污要依赖于动脉搏动。在宏观层面看到的各器官生长和发育所要求的形状及其改变是很精确的。这是受机械力和应变的控制。这是物理学角度。[3]从生物学角度，是用细胞的极性定位或蛋白的取向来解释。[4、5]

应当指出的是：物理学与生物学对细胞运动的解读是不同的。如果用电磁理论的视角看细胞运动，其认知又不同。文[3]将细胞运动归于力的作用，这力的能量又从哪里来？归于化学能，归于微观。人体的能量有没有能源中心是待探索的难题。然而从视感官进入的光波是有能量的，这电磁能会产生电磁力。[6]这电磁力不应该被忽略。生物学家和物理学家不能不考虑这电磁力的存在。

笔者从天线学科的视角提出人的视觉感官是视感天线系统。最关键因素是：视细胞是天线。笔者提出的根据是来自生物学非主流学术团队观点，与欧美主流学术团队观点有很大不同。这也与多位诺奖得主观点不同。如何取得共识？

                   多学科认知整合的困局

有些细胞释放激素，通过血液传输信息，又远又广；有些细胞释放神经递质，在神经元之间传递信号。所有细胞都可以通过多种分布、多种形式通道与邻近细胞发生联系。[7]

人脑约有1000亿个神经元，每一个神经元会通过突触和其他约1000个神经元进行信息传递，神经元之间构成各种功能特异的神经环路，通过各种神经递质及其受体传递信息：产生心理活动和控制行为。在从分子、细胞水平到系统和整体水平上揭示大脑认知功能的工作原理，是目前脑与认知科学的研究发展方向。[1]

上面两段论述都是来自生物学界对细胞语言的认知，不难看出其间差别之大。细胞之间的信息传递是单一通道，即神经元放电映射形成的所谓神经环路，还是多通道，包括有线和无线传输通道。这两种通道与释放激素、释放神经递质不矛盾，但与神经环路有矛盾。

其实整合不是没有办法，就是难度太大。

1)较长时间跨学科学习，笔者化了两年多时间，从名词、概念、新的研究动向、系统知识的学习。这样做很容易被看成不务正业。不退休很难做这种事。

2)没有对应的学术期刊发表新观点。

笔者写的论文“多层面链接的脑研究新模式”曾找几位退休老科技人员审阅，有的说看不懂，有的问怎么进入到这里面。最后在新华网论坛发文。现在网络给交叉学科研究发文提供一个渠道。在学术刊物发一篇论文，要几千元，就免了，

3)被社会认同难

笔者曾思考过要想社会认同必须证明：视细胞是天线，要制造视细胞,然后检测其天线性能。这对于天线学科业内人士是太难了。就是投资一百万也无济于事。想通过建模计算也难实现，视细胞的相关参数无法给定。视细胞中视色素是变化的。这不是个人或一个团队能实现。

4)没有机构受理这类研究的评议

不难看出，交叉学科的研究很重要，实现起来很难。这条路不走又不行。怎么办？希望国家层面关注，能为研究者提供必要的帮助。

                          参考文献

[1]未来10 年中国学科发展战略，脑与认知科学／国家自然科学基金委员会，中国科学院编，一北京：科学出版社，2011.2012年 1月第  一  版.

[2]刘德森等著，微小光学与微透镜阵列,一北京：科学出版社，2013。2013年 4月第  一  版.  

[3]张萌，李国辉，编译，生物细胞的能量学和力学，《物理》，Vol.44，no.2，2016.

Alexander.R.Dunn,Andrew Price.Physics Today,2015(2):27。

[4]“每个细胞都知道方向”，《环球科学》，2016年第4期，撰文保罗。N．阿德勒( Paul N．Adle，)  杰里米，内桑斯(Jeremy Nathans)，翻译 荣丽.

[5]北大发现磁感应蛋白 或揭开“第六感”之谜，2015-11-18 08:16:50 来源：腾讯科技。参考消息网，2015-11-18 。

[6]黄席椿  编，电磁能与电磁力，人民教育出版社，1981年l0月第l版 。

[7]戴尔.W.莱尔德，保罗.D.兰普，罗斯.G.约翰逊，“解读细胞语言”，环球科学，2015年第7期。