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肖静宁:“脑的10年”与神经科学发展的哲学思考
来源:未知 作者:admin 时间:2017-11-02 点击:

肖静宁:“脑的10年”与神经科学发展的哲学思考


从世界范围来看,当代科学正把注意的焦点集中到人类自身。揭示大脑的奥秘,解除神经系统疾病的威胁,发展模仿人脑功能的神经计算机是神经科学的宗旨,它关系到人类的未来。真正意义上的神经科学至今才不过30余年(从20世纪中期计,下同。——笔者)的历史,现已成为生命科学中发展最快的领域之一,其势头有如20世纪初期的物理学和50年代的分子生物学。近年来神经科学取得的重大突破以及它正在孕育着的一些新突破,表明神经科学正处在其发展的关键时刻。为此,科学家倡议20世纪90年代为“脑的10年”。本文拟从探讨神经科学与哲学的相互关系出发,对当代神经科学的进展与趋势作一简略述评。

一、20世纪90年代——“脑的10年”

神经科学已走过其早期阶段,正在走向成熟,“已逐渐发展成为一门其内涵所要求的从分子扩展到行为的统一的学科”。[1] 高科技的兴起,多学科的协作,“正在驱使神经科学朝着微观和宏观两极发展”。[2] 科学家敏锐地意识到,必须借助于社会各界的大力支持,才能推动神经科学获得进一步的发展。20世纪80年代后期,美国一些神经科学家就脑研究的重要性穿梭于美国科学学会、政府机关、国会、私人机构之间,与各方人士进行广泛的接触和充分的磋商,结果在1989年形成了一个联合倡议——“命名1990年1月1日开始的10年为脑的10年”,[3]  后来由来自10个州的85名议员联合提案,获美国国会一致通过。美国国会首次对一个具体科学领域作出长达10年的决议,这本身就是对脑研究重要性的非同寻常的肯定。1989年7月25日,布什总统签署了这一法案。国际脑研究组织(IBRO)欢迎“脑的10年”的倡议,并力促使之成为全球性行动。

是什么使科学家的倡议成为政府的决策呢?首先在于提案以大量的事实尖锐地指出了神经系统疾病的严重性及用于这些疾病的治疗的高额费用,充分表明脑研究的重要性与紧迫感。其次,提案令人振奋地概述了当前神经科学前沿的主要成果,展现了神经科学已经达到的水平和进一步发展的现实可能性与广阔的前景。最近25年(指1989以前——笔者)来,已有15位神经科学家荣获诺贝尔生理学或医学奖。神经科学的基础研究与临床应用硕果累累。脑研究中的技术革命已使神经科学家能无损伤地仔细分析深藏在颅腔之中的大脑的活动;数学、物理学、计算机科学、信息科学的发展已使科学家正在成功地设计神经网络和神经计算机。

20世纪90年代以来,美国、英国、苏联、日本等国采取一系列措施使支持“脑的10年”的活动切实开展起来。我国上海、北京、西安、广州的神经科学家对“脑的10年”和发展我国的神经科学表现了巨大的热情,并提出了一些很好的建议。

二、神经科学的前沿与展望

神经科学是一门高度综合的学科。在一系列有重大理论意义和实际应用价值的前沿阵地上,它显示出了其内涵所要求的多层次、多学科共同奉献的特点和令人瞩目的重大进展。下面分七个方面略加勾画。

1.分子神经生物学的崛起是现代神经科学发展的重要趋势

20世纪70年代分子生物学与神经科学相结合产生了分子神经生物学,其任务是在分子水平上阐明神经系统的结构与功能。分子神经生物学与细胞神经生物学密不可分,共同推进神经递质、受体、离子通道这三个主要方向的研究,进展十分显著。分子生物学及其它现代技术,如重组DNA技术、生化分析技术、细胞内记录及各种标记技术、离子单通道技术的应用,使科学家开始有可能阐明神经系统活动的细胞与分子机制,神经科学爆炸性知识更新主要来自这一重要前沿。神经递质、受体、离子通道这三方面的研究又是紧密相连的,统一在突触信息传递、信息处理的过程中,在神经科学的研究中占有中心的地位。这方面的研究,可望在20世纪90年代取得更大的进展。这对于神经系统控制自身特性方式的多样性、复杂性、专一性、可调性将有更完整而深刻的认识,为揭示大脑奥秘提供极其重要的基础知识。

2.神经系统疾病的分子基础研究展现了实际应用的前景

随着神经科学的发展,对于大量严重危害人类身心健康的神经系统疾病已开始分子水平的有效探索,成功地阐明了若干疾病的病因,并初步提出了预防与治疗对策。如神经递质与受体的研究使科学家认识到脑内突触功能的充分协调和顺利进行是正常的复杂神经、精神活动的必须条件。长期对之束手无策的精神分裂症与帕金森氏症则是脑内多巴胺递质系统失衡的极端表现。精神分裂症是脑内多巴胺功能过度亢进所致;而脑内多巴胺枯竭则导致帕金森氏症。据此,基础研究与临床实践相结合,已使这两种疾病的治疗发生了可喜的变化。随着分子神经遗传学的兴起,科学家已开始预测某些遗传疾患的未来表达或确定缺损基因的定位,如困扰人们已久的常见病——老年性痴呆的基因定位已获成功。[4] 今后10年,这个领域前景广阔,将更多地揭示神经、精神疾患的染色体分布及其基因确切的DNA顺序,可望利用基因疗法达到有效的控制。对于受体的研究导致受体概念的更新,有可能设计出安全高效的药物,有选择性地阻断病理性的过度剌激而不影响神经递质的正常功能。

3.视觉信息加工的研究成为揭示大脑奥秘的重要突破口

人脑是世界上最复杂、最有效的天然信息加工系统,视觉信息加工是神经科学中进展最快、最富成果的领域之一。近30年来取得两次重大进展。(1)美国神经科学家休贝尔(Hubel)与韦塞尔(Wiesel)长期合作,一直致力于视觉的脑机制研究,荣获1981年生理学或医学奖。他们发现大脑视觉皮层在处理图像信息时的层次性与选择性。视觉信息加工的基本方式是通过不同形式的感受野对图像信息逐级进行抽提,即在每一水平抛去一些信息,抽提一些更为重要的一些特征信息,并据此把皮层细胞分为简单、复杂、超复杂细胞三类。他们还用2—脱氧葡萄糖法和电压敏感染色技术首先鉴定了视觉皮层的两种功能柱结构[5]。(2)1978年以后,由于采用细胞色素氧化酶染色法,休贝尔等科学家在猴的视觉皮层中首次染出了“斑点”和“色素”,使视觉信息加工再次获得重大进展。看来,猴视觉系统主要分为M和P两个亚系统,分别鉴定图像的空间特性和物理性质。对于视觉信息加工的系统研究,表现中枢视觉系统具有精巧的组件结构,其中既有平行加工,又有串行加工。视觉信息加工后与脑内存储的图像信息相比较而实现图像识别。对视觉信息加工的新认识为发展信息处理和控制技术开辟了新天地,具有广泛的重要的意义。

4.高级脑功能的细胞与分子机制研究有了可喜的新突破

以学习、记忆为例。学习与记忆是脑的不可分割的高级整合功能,是思维的基本环节和智力的显著特征,是神经科学中最令人感兴趣的问题之一。19世纪末西班牙神经形态学家卡哈(Cajal)就曾强调在细胞水平研究精神活动机制的重要性,预言学习是突触迅速增长的结果,智力训练能促进神经侧支的发育。[6] 到了20世纪40年代末,波兰与加拿大心理学家进一步独立发展了卡哈的设想,提出了突触可塑性与学习改变突触效力的重要概念。但是,研究突触可塑性决非易事,这需要深入到微观领域的先进的科学水平与实验条件。

20世纪60年代末期,美国神经生物学家坎德尔(Kandel)大胆采用低等无脊椎动物海兔的极其简单的神经系统作为研究学习、记忆突触机制的天然模型,从而打开了在细胞与分子水平研究学习与记忆的突破口,海兔能完成习惯化与敏感化的极其简单的学习,且其行为效应十分明显。由于采用了多种先进的实验手段,将宏观的行为变更与细胞内生化过程联系起来[7],是极富成效的。它首次阐明了短期记忆与长期记忆在细胞与分子水平上的异同,揭示了学习、记忆突触机制的一些基本规律,为高等动物和人的学习、记忆带来新的启迪。这种研究的前提在于,无论是简单的或复杂的神经系统,其基本组成块料——神经元的结构与功能是相似的。

坎德尔的工作是诱人的。但科学家最关心的是在高等动物的比较复杂的神经系统内能否进行这类研究。1973年英国神经生物学家布利斯 (T.V.P.Bliss) 等终于发现并研究了哺乳动物脑的一个部位——海马上的显著的突触传递效能增强效应,特称之为长时程增强(LTP)[8]。实验发现,特定剌激引起的这种长时程增强效应可长达10小时以上。以后随着研究方法的改进,已观察到持续时间长达几个月的LTP。这一结果引起科学家的高度重视,认为LTP反映在突触水平的信息贮存过程,可能提供一种记忆巩固的机制。对LTP 的研究正成为神经科学的热点,向着分子水平、网络水平、系统水平三个层次迅速发展,为学习、记忆的研究提供现代神经科学的新证据。

5.发育神经生物学是神经科学又一重要研究领域

脑是物质的,又是进化的。从个体发育来看,脑和身体其他部分一起都是来自一个受精卵。神经发育这一极端复杂的事件是对发育生物学的最大挑战。神经系统的特性之一是各神经元群之间的精确而有序的联结。发育神经生物学主要研究神经细胞的分化与神经路线的建立问题,在神经管形成之后,至少经过增殖、移行、集合、轴突生长、膜和代谢发育、细胞死亡、突触发生、突触排除等一系列相互关联的过程。其中,轴突寻找目标的活动及突触的发生和排过程,是科学家最感兴趣也是研究最多的领域。神经元突起、特别是轴突的形成是神经元分化的突出表现,它是按照化学梯度和突触引导两种机制生长的。一系列的分子路标,使轴突精确而有选择性的达到预定的靶细胞,不能有丝毫的差错。表明发育中的脑具有高度自我识别的机制,对脑的自我识别的研究已成为发育神经生物学中最引人注目的和最活跃的领域之一。20世纪70年代中期产生的“单克隆抗体”技术,是免疫学上的一次革命,引起发育神经生物学家极大注意。科学家首先是对神经系统不同类型表面抗原的成功鉴定,从而提供了脑的自我识别的分子基础。

在探索神经系统发育的分子机制中,关于神经生长因子(NGF)的研究是最引人注目的新领域。意大利女科学家Leve-Montalcini 以77岁高龄荣获1986年诺贝尔生理学或医学奖,以表彰她对神经生长因子的杰出研究。她把神经生长因子的研究从外周神经推向中枢,现在已经建立了神经生长因子对“正常脑的发育及其机能的维持可能是至关重要的”[9]新概念。对于神经元发育的分子机制的任何突破性进展均将对神经元变性和再生等重大临床课题产生重大影响,给人类带来福音。

尚须指出,脑的发育不完全受遗传控制,显然环境影响也起相当大的作用,特别是易受早期经验的影响。通过对动物脑的发育的研究正在逐步了解神经系统是怎样形成的,弄清在动物身上的基本发现与人类神经系统发育和功能之间的关系,这将是一项十分艰巨的任务。

6. 神经网络与神经计算机研究开辟了阐明大脑工作原理的新领域

这里所讨论的神经网络的真正含义是指“人工神经网络”而非“生物神经网络”。神经网络研究是多学科交叉的重要科学前沿,它把神经科学、认知科学、计算机科学结合起来,为正在研发的与脑的工作原理相接近的神经计算机提供理论基础。目前神经网络的研究是借鉴于现代神经科学的研究成果而提出的。它在功能上反映了生物神经系统的若干基本特性,如人类大脑的协同作用和自发的集体计算能力。

神经网络对以往计算机工作模式的突破,其科学背景不外乎两个方面:一是随着非平衡系统的自组织理论、大量组件联合行动产生有序宏观表现的协同学的产生,人们对复杂系统有了新的认识;二是神经科学揭示出的脑的信息加工的普遍原则(如侧抑制、感受野概念、信息处理的平行加工与层次观点等)也给人工网络设计带来自然的启示。神经科学与高科技领域相结合,使人们有可能对于人类的复杂心理与行为进行部分的分析与模拟。

1982年美国物理学家霍普菲尔德(J. J. Hopfield)提出神经网络的一种数学模型,并研究了它的整个网络的动力学性质。[10]霍普菲尔德用一组非线性微分方程来描写神经网络的信息处理过程,使神经网络研究出现了蓬勃发展的新局面。这种新型的神经网络首次显示了集体运算性质,其中包括联想记忆性质,即按内容寻址性质,已可实现类似人脑的联想记忆。有意思的是,如果将2个以上的神经网络连在一起,其功能复杂程度呈指数增长,如将更多的网络连成自动机甚至可以模拟简单哺乳动物的某些行为。

目前用光作为信息载体的神经计算机已迈出走向实用的第一步。美国加州理工学院模式识别系统实验室,已能找出与破损照片相对应的人像。如若把这种计算机容量大大扩大,有可能使它记忆并迅速识别几百万个人像,这将是一个惊人的进步。神经网络模型突破天然生物模型的局限性,对于认识微观组件及其联结的结构与功能的变化与宏观行为变化之间的联系,已成为不可缺少的重要手段。在脑的10年的推动下,神经计算机的研制将大步向前。

7.脑研究的新技术提供了在系统与整体水平探索大脑奥秘的有力工具

神经科学的内涵决定其研究必然具有多层次、多学科的特点。传统上令人困惑的一些基本问题,我们如何感知?如何思维?如何产生情感?最终仍然需要除了细胞、分子水平之外的其他层次的综合研究,以及对高等动物乃至人脑的直接研究才能作出回答。这就需要高科技领域提供新的技术手段。下面简述两种新近发展起来的研究活脑的有力工具。

(1)PET技术是迄今探测脑的生理、病理、代谢的最为优优越的工具, 被誉为当今“最亮的科学之星”[11]。PET技术是一种由电子计算机控制的无损害的新型显像方法,它把探测脑细胞代谢速率的2—脱氧葡萄糖技术与一种特殊的X射线摄影术(CT)结合起来,用发射正电子的同位素标记2—脱氧葡萄糖,通过体外闪烁扫描仪在颅骨外直接监测完整大脑的代谢速率,以反映脑的特定部位代谢的活跃程度,并通过电子计算机图像处理系统,重现三维彩色图像,形象地显示在不同情景下的真实图景。PET技术不仅可以作为探测某些脑疾病的新方法,而且提供了一个窥测思维活动的窗口。PET技术目前集中在视觉信息处理方面的研究,通过分析脑的静态、动态的化学变化,充分显示神经活动与行为的相关性。PET技术在脑研究中是一种极有前途的新技术,具有重大的理论意义与实用价值。

(2)核磁共振法(NMR)是新发展起来的又一非损伤性方法,用以研究完整机体的活细胞、器官的生物化学反应,确定在正常生理条件下生化反应的动力学变化,以评估细胞、器官的功能状态。NMI目前还用于探查由于疾患引起的脑损害。将核磁共振获得的生物化学信息与核磁共振的映像技术相结合,成为一种新领域的代表性研究。

如利用高分辨的核磁共振图像已成功地发现了遗忘症患者海马部位的异常变化,[12]这对于确定与记忆有关的脑结构以及对有记忆损伤的某些疾病的早期诊断具有意义。

另一种整体性研究途径是在清醒动物猴身上进行的行为实验,利用慢性埋藏电极记录猴脑单个神经元的电活动,观察猴在表现一定的行为特征时的神经活动的变化。这样就把行为表现与神经活动巧妙的直接关联起来。这是一项极有希望的研究技术。

鉴于脑的结构与功能的极端复杂性,脑研究绝不满足已有的进展,为了推动神经科学的大步向前,脑研究在呼唤新理论、新观念、新思想、新技术!

三、“脑的10年”与哲学

“脑的10年”,将是迎接神经科学发展高潮的10年,它把揭示大脑奥秘作为自然科学的现实的紧迫任务,作为全人类最大挑战突出地提出来了。对于相关领域的科学家和高科技工作者来说,这无疑是一个充满挑战和机遇的时期。作为马克思主义哲学工作者,是否也面临着机遇和挑战呢?这是一个引人深思的问题。下面谈一点个人的粗浅看法。

1. 神经科学的高度综合性及其中心任务使它同哲学的联盟成为不可避免

神经科学对脑和神经系统进行生物学考察是其综合的第一个层次,由传统的神经解剖学与神经生理学分别研究其结构与功能的单打一局面很快由生命科学各领域的发展与自然交叉所打破,各学科紧密交织在一起,形成了神经生物学概念。接着神经科学的发展又超越了生物学、医学范畴,与相距甚远的人工智能科学、认知科学、乃至哲学社会科学发生交汇融合,形成综合程度更高的第二个层次。揭示人脑的奥秘,阐明脑—意识关系,既是神经科学的中心任务或前沿阵地,也是一个重大的哲学问题。

我们注意到,还没有那一个自然科学领域,像神经科学那样与哲学世界观联系得那么紧密,也没有那一个自然科学家在探讨自己领域的重大问题时,像神经科学家那样受到哲学的支配并同时进行哲学思考。这种情况表明,神经科学多么需要同哲学结成联盟。而且,从哲学自身这方面来看,同神经科学的联盟也是同样必要的。这是因为哲学研究的问题虽然很广,但其中心是人,其基本问题是物质和意识的关系,其中又包括这样一些专门问题,如知识、意识、思维、情感、意志、自我等的本质。当代科学的发展和新技术革命从不同角度提出了“人”的问题,但唯有神经科学是从揭示人脑的奥秘和阐明思维的本质的角度提出了“人”的问题,它的进展与成就将更为直接地赋予古老的哲学问题以新的意义,为哲学发展提供新的科学营养,新的生长点,从而为哲学研究带来新的启迪。哲学只有在概括当代科学,包括神经科学成就的基础上,对以往的哲学问题及其解决的方法和观点进行反思,才能获得真正的发展。

2.神经科学发展的战略问题为哲学方法论的研究提出了新的课题

神经科学按其内内涵的要求是包括研究最基础的分子运动与遗传信息直至最复杂的行为心理变化,最终揭示大脑究竟是怎样工作的。但当前的发展趋势主要是利用分子生物学等现代技术在微观领域进行研究。据不完全统计,1987年美国神经科学学术年会有关细胞与分子水平的研究报道已超过70%;国际刊物《脑研究》一分为四,“分子脑研究”、“发育脑研究”……自成一体。面对脑研究微观化进程明显加速,神经元、突触的知识爆炸性更新的趋势,国内外一些著名的科学家都不约而同地在考虑“神经科学向何处去”?如何驾驭它的发展的问题,科学家们提出的神经科学发展的战略、策略问题,实际上是提出了还原论方法在整个神经科学中的地位与作用,以及还原论方法与整体论(反还原论)方法之间的古老关系问题,也就是如何运用系统论观点促进神经科学其它层次研究的发展的问题。为了回答神经科学向哲学提出的这个新课题,就必须发展哲学方法论;同时,也只有在回答这个新课题的过程中,才能对哲学方法论作出新的发展。

3. 神经科学对大脑奥秘的认识过程提出了哲学认识论研究的新课题

脑研究虽然已悠久的历史,但迅速发展却是最近30年、特别是近10余年的事。为什么以探索大脑奥秘为目标、以解除神经系统疾病困扰为首要任务的神经科学只能在物理学革命、分子生物学形成以后产生呢?神经科学的高度综合性是怎样形成的,其根据是什么呢?各种学科在脑研究问题上的关系如何?而正当脑研究飞速发展的时候,某些神经科学家在自己的研究实践中,又提出了揭示大脑奥秘有无终点和是否只能是渐进的而不可能一举成功的问题。例如著名神经科学家休贝尔清醒而精辟地指出:“真正的哥白尼或达尔文式的革命也许永远不会出现在神经生物学中”,“每前进一个阶段,肯定将使人类更接近了解自身”。[13] 对这种看法与估计如何进行哲学考量呢?

此外,曾经有过一个时期,有些科学家乐观地认为在不久的将来人工智能即可完全达到、甚至超过人类智能,而当这种估计被证明为不可能以后,有些科学家认为,在可以预见的范围内,人工智能能够达到人类智能的水平,而有的则认为根本不可能。回答这些争论除了科学实践发展的本身外,究竟如何在理论上说明呢?为了克服在阐明脑—意识关系道路上的障碍,科学家以充满迷惘和期待的心情发出了“脑科学呼唤新理论”的呼声。所有这些问题都需要在哲学认识论上来予以阐明,在阐明这些问题中哲学认识论也就获得了新的发展。

总之,“脑的10年”应当是哲学与神经科学携手合作、彼此推进的10年。“脑的10年”与哲学的确是一个值得关注、讨论的问题。

附注:
1.本文原标题是《“脑的10年”与神经科学的发展》,载《哲学动态》1991年第10、11期;收入萧静宁著;《论人脑潜力的开发》,人民出版社2004年12月第1版,第213—227页。
2.现文题目有改动。

肖静宁于珞珈山麓2017-10—29
(右手骨折20天,左手操作留念)


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