站在2064年回顾神经科学100年


NeuroTimes | Jan. 7, 2016



Christof Koch和Gary Marcus以2064年人的口吻,对过去100年(1964-2064)的神经科学进展进行了回顾。其实是对过去50年(1964-2014)神经科学的回顾,加上对未来50年神经科学(2014-2064)的展望。文章分3部分:1964,2014和2064。

神经科学的浪漫主义时期The romantic era of neuroscience: 1964:

神经科学研究刚刚兴起,技术刚刚起步。Christof Koch和Gary Marcus分别从基础研究、临床研究和数学模型三个方面简单回顾了1964年以前到60年代左右的重要工作。

基础研究:
    * 光学显微镜和化学染料两个技术使Cajal和Golgi得以观察神经系统的细节,并区分神经系统内的不同细胞类型;
    * 电镜技术确认了细胞之间的连接;
    * 微电极可以记录单个神经细胞的电活动;
    * 1963年John Eccles、 Alan Hodgkin和Andrew Huxley神经兴奋与抑制离子机制的诺贝尔奖;Hodgkin–Huxley模型;
    * David Hubel和Torsten Wiesel的视觉系统信息加工(1981年诺奖);

临床研究:
    * 1861年Paul Broca的左额下回(left inferior frontal gyrus)与说话能力;
    * 1930s and 1940s Wilder Penfield刺激皮层不同部位寻找各种功能;

数学模型:
    * 1943年Warren McCulloch和Walter Pitts初次提出人工神经网络的概念及人工神经元的数学模型;

神经科学的大科学时代:neuroscience Becomes Big science: 2014:

神经科学研究步入正轨,现代神经科学使用的技术纷纷发展起来。

    * 首先是分子技术,离子通道和受体、神经递质、感受器如何接受外界信息等等,最出色的是Eric Kandel的记忆研究(2000年诺奖),证明了蛋白质的合成在长期记忆synaptic connectivity中的作用,并推动了后续记忆编码的研究。Susumu Tonegawa研究组第一次诱导了小鼠的错误记忆。虽然离整体理解大脑还很远,但分子层面已知的内容已经很有效地整合在一起,并能够初步对其进行操作了。
    * 两种技术变革带来了整个领域的革命。一是影像技术,MRI和fMRI重新开始了大脑功能专门化的研究,且越来越意识到看似不同功能的区域形成了更大更复杂的网络结构,然而空间分辨率已不错,时间分辨率还太低;EEG和MEG时间分辨率更好,空间分辨率很差。这些技术显示了人们早期对于无创获取脑部信息和刺激脑部的努力。

    * 另一种是光遗传学,可以精细地、瞬时地、可逆和无创地控制任意细胞类型。
    * 此外,感觉系统信息处理、硅微电极、荧光活体成像和遗传编码的各类marker,让同时追踪数百个神经元的电活动成为可能。
    * 然而,尽管知识在不断累积,但还没有人能形成一个全面和整体的框架,没有脑部疾病能被治愈,也没有一个生物marker,或者影像marker能拿出来做诊断标准。抑郁症的唯一选择是找医生,做问卷,吃不知道结果的药,伴随一堆的副作用。
    * 这个时间段,很多脑计划开始实施。Christof Koch和Gary Marcus预测,中国和印度将成为世界科研的主要力量之一,而欧洲的Human Brain Project,将在2020s因为失去公众支持而取消。
    * 这一阶段,对大脑的初步探索刚刚结束,大批工具已到位,理论还没有融合,但已经看出端倪。

新时代:The Modern Era: 2064

Christof Koch和Gary Marcus对未来50年的发展进行了预测。这一部分的脑洞大了点。

    * 完全搞清楚了皮层的层级和组织结构,实验室中可以成功模拟果蝇的神经系统,但人还不能模拟;
    * 视网膜是第一个被精确理解和预测的神经组织,2020年就已经已经几乎完整描述了视网膜的输入输出,神经节细胞的firing rate等等。这种理解结合光遗传学和电子眼,可以有效治疗黄斑变性,糖尿病性视网膜病,和色素性视网膜炎;
    * 随着视觉的突破,触觉、听觉、嗅觉、定位,乃至睡眠、做梦、记忆等问题都有了更深刻的机理解释。然并卵,还是不能有效整合。
    * 此时神经科学的资助降低,因为多年的研究难以转化到治疗疾病上去。2020年年底彻底禁止灵长类动物研究,神经科学进入失去的10年。
    * 转机来自于C. elegans的连接组,建立了精确、可预测、可解释的模型,发现了neuromodulation的重要作用。
    * 随后,血液中的纳米机器人取代了光遗传学,成为了监测神经系统、触发电活动、修复损伤的终极武器,高精度高特异性。在纳米机器人的帮助下,大量精神疾病可以延缓,少数可以治愈。
    * 纳米机器人也具有增强动作灵活性、学习记忆的能力,出现了增强大脑的地下市场,能支付并能承担风险的人,很可能成为一种新人类。
    * 学术界的主要议题则是人脑的全面仿真。蠕虫和果蝇已能完整模拟,哺乳动物还存在问题。伦理上,争论与今天类似。
    * 2064年的挑战仍然是,大脑到底怎么从物理层面产生的意识。




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