解析人类在大脑和意识研究领域的障碍

解析人类在大脑和意识研究领域的障碍

Eric R.Kandel、Larry R.Squire著

20世纪后叶，人类对于大脑的研究从外围的生理学和精神科学的研究领域转移到了一个叫做“神经系统科学”的多学科交叉领域，这一领域现在同时也处在了相关学科的中心位置。这种目标调整的发生是因为人类对于大脑的生物学研究已经纳入了包括细胞、分子生物学和心理学在内的一些共同的结构框架。在这种新的框架下，神经系统科学涵盖了从基因到认知、从分子到意识的广阔领域。

是什么逐渐引导着神经系统科学，让它最终处于生物学的核心位置并与心理学结合？从20世纪初的生物学来看，当时神经系统科学的目标是去理

解大脑的发育机制以及诸如感知、思考、感动和记忆这样

困难的让人难以想象的功能。此外，神经系统科学区别于

生物学的原因是神经系统科学的语言是基于神经解剖学

和电生理学之上的，而不是一般生物学基于生物化学的语

言。近20年来（1980~2000年），这种区别在逐渐扩大。

分子神经科学已经由基于在解剖学和生理学上易于处理

的简单系统的关注上所建立起来。因此，神经系统科学帮

着描绘了探究神经细胞功能的大致目标，而这种神经系统

的神经细胞被认为已经被一般的生理学主题的变种所控

制。

从心理学的观点来看，用神经的方法去争取精神的进步看起来有点过于简化以至于无法公平对待认知的复杂性。实质性的进步需要这些以还原论为目标的证明，而这些证明需要建立在有意义的心理学框架上。VernonMountcastle、David Hubel、Torsten Wiesel和Brenda Milner 在20世纪40年代到20世纪50年代的工作，以及20世纪70年代脑成像的发现，显示出感觉处理、知觉以及记忆是可以研究的（be achieved）。由于这些进展，人们慢慢意识到仅仅通过对大脑的刺激、应答的研究是可以满足心理学家们对认知进步的兴趣。

这里，我们列举出几个对神经系统科学的成熟完善和其与生物学、心理学关系的重新调整中起到重要作用的发现。

细胞、分子神经系统科学出现的信号

神经系统作为最新的细胞学组成是由两个重大的进展所发现的：神经元学说和离子学说。神经元学说是由杰出的西班牙解剖学家Ramón y Cajal所提出的，他指出大脑是由一种叫做“神经元”的分散细胞组成，而且这种细胞充当着基本信号单元的作用。Cajal同样也发展了“连接特异性（connection specificity）”的原理，这种原理的中心思想是神经元与其他的神经元细胞之间由一种特殊的连接所组成而且这种连接在各个物种之间是一样的。最终，Cajal又发展了“动态极化（dynamic polarization）”的原理，根据这种原理，信息流仅仅沿着一个方向在神经元中流动，这个方向通常是从树突经轴突直到轴突终末的。尽管这种原理的例外已经被发现，但它依然由于揭示了结构与功能的联系并且为在大脑的组织切片上的电路构造影像提供了指导方针而显示出极大的影响力。

Ramón y Cajal与和他同时代的Charles Sherrington更深一步的提出神经元之间的连接靠

的仅仅是一个叫做突触的专门的尖端，这个尖端为神经元间的加工处理连接、交流提供了场所。我们现在知道在绝大多数的突触中，这儿有介于突触前细胞和突触后细胞之间的大约

20nm的突出间隙。在20世纪20年代，Otto Loewi，Henry Dale和Wilhelm Feldberg发现将突触

间隙两端连接起来的是小分子的化学物质和神经递质，这种物质从突出末梢释放，散播在间隙中，并与突出后靶细胞的受体结合。依赖于这种特殊的受体，突触后细胞是可以被激化或

抑制的。人类花费了很长时间确立了化学物质的传递经常出现在中枢神经系统中，但在20

世纪40年代，这种想法已经被广泛的接受了。

即使是20世纪的早期，人们已经知道神经细胞间有一个电极电势，包括：膜两侧的静息电位，以及在轴突的信息传导中以电信号传播且可取代静息电位的动作电位。1937年，Alan Hodgkin发现动作电位使局部电流向其前端流动，这种电流充分的极化了突触膜的邻近区域，

并且触发了极化的行波（traveling

wave of depolarization）。1939年，

Hodgkin和AndrewHuxley惊奇的发现：

与其说是取代，倒不如说是动作电位

将静息电位颠转了起来。然后，在20

世纪40年代，Hodgkin, Huxley和

Bernard Katz阐述了静息电位和动作

电位是通过一些特殊的离子：K+、Na+、

Cl-在突触膜离子通道上的移动来实

现的。这种离子学说统一了大量的描述性数据和资料，并且为人们能够像其他所有的细胞生物学一样依据物理化学的原理来理解神经系统提供了最先的实用性希望。

下一个重大的发现是Katz、PaulFatt和John Eccles提出的离子通道在突出上通常也是最根本的信号传输方式。但是，相对于动作电位是被K+、Na+通道所控制，兴奋性突触的离子通

道是作为化学配体的传递者乙酰胆碱所控制的。在20世纪50年代和60年代，神经科学家发现了许多氨基酸、多肽、和其他小分子的化学递质，包括乙酰胆碱，谷氨酸，GABA，甘氨酸，羟色胺，多巴胺和去甲肾上腺素。至今，已经有大约100种近似的化学递质被发现了。20世纪60年代，一些突触被发现会释放一种小分子的传递物质，即一种多肽共同传递物质可以修改之前的经典作用。化学神经递质的发现是在神经元之间的的传播有时是电传递的这个重大发现之后的。电突触有较小的突触间隙，这些间隙由缝隙连接桥接，使电流在神经元之间流动。

20世纪60年代末，信息开始成为离子毛孔的生物物理和生物化学结构和其选择性及控制开关的生物物理基础。例如，传递者结合位点和离子通道被发现在不同域的多聚蛋白体现。离子通道的选择性取决于通道和离子之间的物理化学相互作用，并且通道门是通道内的构象变化的结果。

离子通道的研究在1976年发生了根本变化，由Erwin Neher和Bert Sakmann发明的使流经单一离子通道的电流测量膜片钳方法得到了发展。这个重要的进展为人们在分子水平分析离子通道以及在一个单一的膜蛋白的功能和构象变化上的分析做好了充分的准备。当应用到非神经元细胞时，该方法还透露，所有细胞，甚至细菌都表达出非常相似的离子通道。因此，神经信号被证明是一种大多数细胞中所固有的信令功能的特殊情况。

膜片钳的发展正好与分子克隆技术的问世是同时的，这两种方法为神经学家关于配体-

电位控制通道氨基酸序列的第一次报告提供了新思路。从分子克隆中浮现出来的一个关键见解是氨基酸序列为受体和电压门控离子通道蛋白（voltage-gated ion channel proteins）是如

何组装于细胞膜上的提供了关键的线索。序列数据也经常指出蛋白质之间意想不到的结构关系（同源）。反过来，这些见解发现了完全不同的神经元和非神经背景中分子之间的相似，表明它们可能有相似的生物学功能。

到20世纪80年代初，突触的行动不是由离子通道直接介导逐渐变得清晰。在与配体直接结合的门离子通道之外，第二类受体-代谢受体被发现了。这里与配体结合，然后启动细胞

内的代谢活动即只能间接导致的“第二信使，”是一种新的离子通道门控方式。

代谢型受体的克隆发现许多生物有7个跨膜区和同源的细菌视紫红质，包括从果蝇到人