神经生物学研究:人脑是一个亟待开拓的新领域

 

神经生物学,21世纪的明星学科。神经生物学是生物学中研究神经系统的解剖,生理, 神经生物学病理方面内容的一个分支。从上个世纪90年代以来,世界科研强国加快了对神经生物学研究的投入。美国于1990年推出了“脑的十年计划”,接着欧洲于1991年开始实施“EC脑十年计划”,然后日本于1996年也正式推出了名为"脑科学时代计划"的跨世纪大型研究计划,计划在未来20年内投入相当的研究经费。

 

一、研究对象

 

神经科学是专门研究神经系统的结构、功能、发育、遗传学、生物化学、生理学、药理学及病理学的一门科学。对行为及学习的研究都是神经科学的分支。

 

神经科学致力于科学地研究神经系统。尽管神经科学学会成立于1969年,但是对于大脑的研究很早就已经开始。其研究范围包括对神经系统的结构,功能,进化史,发育,遗传,生物化学,生理学,药理学,生物信息学,计算神经生物学和病理学研究。

 

大脑的结构和功能是自然科学研究中最具有挑战性的课题。近代自然科学发展的趋势表明,21世纪的自然科学重心将在生命科学,而神经生物学和分子生物学将是21世纪生命科学研究中的两个最重要的领域,必将飞速发展。

 

大脑的结构和功能

图源:百度百科

 

在医学这个大的学科内,神经生物学是一门在各个水平,研究人体神经系统的结构、功能、发生、发育、衰老、遗传等规律,以及疾病状态下神经系统的变化过程和机制的科学。它涉及神经解剖学、神经生理学、发育神经生物学、分子神经生物学、神经药理学、神经内科学、神经外科学、精神病学等等。

 

由于研究对象是异常复杂、异常精贵的,神经生物学虽然没有方法上的突破带来的重大研究成果,但还是吸引了全世界优秀的科学工作者的目光。这从神经生物学的几个主打杂志的影响因子上可以看出:《自然神经科学》的影响因子是15,《神经元》的影响因子是14,《神经科学杂志》的影响因子是8,此外,《科学》期刊上还有专门的神经生物学专题,其中的文章数量在生物学领域几乎是最多的。

 

然而,需要特点强调的是,神经生物学的研究光靠生物学工作者的努力是不够的。因为神经生物学所要研究的器官——脑,是生物界中最复杂、最精密的器官,尤其是人的大脑,更是与众不同,更加发达,而人是不可以直接用来作为研究对象的。所以神经生物学的发展对于方法学的要求是很高的,他必然要求各个相关学科的交叉。这也是神经生物学很多研究至今仍处于初级阶段的原因。

 

但可以肯定的是神经生物学在本世纪必将取得很大的进展。人类的求知欲需要神经生物学的进步,人类的发展同样需要神经生物学的进步。

 

二、特殊性

 

作为生命科学的一个分支学科,神经生物学是比较特殊的。首先,它的研究离不开生命科学的一些基本研究材料与方法。神经生物学的材料与生物学的其它学科一样,是动物,从低等的果蝇到高等的小鼠、人。

 

神经生物学的研究方法同样离不开核酸的分析与蛋白质的分析,分子生物学的PCR、免疫组化、western blot也是神经生物学的主要研究方法。但除此之外,神经生物学有它自身的特点,那就是神经科学所要重点研究器官——脑是高等生物最复杂的,同时神经元几乎是最难培养的细胞,所以神经生物学研究更需要一些特殊的研究方法。

 

脳神经研究

图源:百度百科

 

电生理是用电刺激的方法来研究神经回路、神经元在特殊生理条件下的反应。膜片钳是用于测量离子通道活动的精密检测方法。神经细胞、神经网络的遗传与发育研究,自1993年Zieglgansberger W和Tolle TR提出系统生物学方法研究神经疼痛(pain)的疾病机理以来,细胞信号传导网络与基因表达调控的系统生物学已经成为神经生物学研究的重要内容。

 

三、发展趋势

 

神经生物学研究

图源:百度百科

 

在较高层次上的研究,包括对大群神经元组合成神经网络的工作原理,以及对不同脑区神经元活动如何协同以实现复杂的功能的探索。新的无创伤脑成象技术(PET,fMRI等)的开发,多导程脑电图技术的发展,以及行为与神经元活动相关研究的推进,反映了科学家在这方面作出的努力。

 

神经生物学的这些发展趋势,促成了这一领域的繁荣局面,并将在今后相当长时期内主导其发展进程。

 

在细胞和分子水平的研究将不断拓展和推进,对神经活动的基本过程的研究将进一步深入,并逐渐形成更完整的认识。随着更多的新离子通道(或亚型)的发现及其氨基酸序列的确定,有可能形成更准确的通道分类模式,揭示不同通道的家族关系。

 

对神经递质的存贮、释放、调节的一系列精细过程将得以清楚的阐明。对神经递质与受体结合后的信号转导及其功能作用,将无疑会有更深入的了解,同时将会发现许多新的神经调制方式。

 

在神经系统的发育方面,对神经元整合各种分子信号形成突触和组织特定的神经回路的研究,将取得重大进展;将有更多的神经营养因子被鉴定,相应的受体被发现,它们在发育和成熟的神经系统中的作用将被阐明。

 

这些研究将使人们了解在发育过程中遗传突变的表述如何引起神经系统的缺损。鉴于进展主要是在低等动物的简单神经系统上取得的,人们必须去发展新的技术和方法,在分子水平上去探索高等动物复杂神经系统的发生、发育规律。

 

在感觉研究方面,研究层次的跨度更大。感觉技能发生在细胞和分子水平上,其过程的阐明将揭示感觉极高敏感度(一个光量子可使先感受器兴奋,毛细胞纤毛运动0.3nm即可达到听阈)的奥秘。

 

在感觉信息加工领域中,既有细胞和分子层次上的研究(如信号的化学传送机制),也包括信号的串行、平行处理最终形成感知觉的更高层次的探索。而对运动的研究,同样具有跨层次的特点,人们将最终了解运动程序如何编制,行为如何实现。

 

遗传性神经系统疾患的研究无疑将有长足的进展。从研究步伐来看,在未来几十年内,将能预测大部分疾病在个体的未来表达或定位其缺损基因,并对这些基因致病的分子机制有深入的了解。

 

在脑的高级功能方面,我们从眼下的研究进展,当然也可以作一点预测。例如,对于学习、记忆分子机制将会有更深入的了解;利用脑成象技术对神经元活动和精神现象间的关联的认识将不断有所进展等等。

 

如果说,在新世纪中神经生物学要出现重大的突破,最有可能是在脑的高级功能的研究上,这是一个亟待开拓的新领域。

 

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