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猕猴脑研究应从“以课题为中心”转向“以个体为中心”

已有 1109 次阅读 2022-7-13 21:15 |系统分类:观点评述

猕猴脑研究应从“以课题为中心”转向“以个体为中心”

在我的上一篇博客中(猕猴在脑科学研究中的必要性将会超过小鼠),我已经说明猕猴脑研究对于人类解开大脑奥秘的必要性。然而,当我们考察近半个世纪的猕猴脑研究历程时,我们几乎看不到重大突破。以视觉研究为例,自上世纪60年代Hubel和Wiesel开始用单电极探索猫视觉皮层神经元的感受野以来,用猕猴脑进行的视觉研究发表了不计其数的文章,它们涉及视觉系统的层级结构和层级加工特点、不同视觉特征或客体在视觉皮层中的表征区域、以及高级脑区和皮层下核团与视皮层的交互等等,这些文章似乎给我们提供了一些答案,但每个答案在被刨根问底的时候会引出更多、更具体的问题(比如空间注意是从哪些脑区以怎样的方式作用到不同视觉皮层的?这些环路是如何通过先天遗传和后天经验被构建起来的?),这导致我们仍然无法全面地描述任一视觉现象的具体生理过程(比如看到“牛顿”二字时脑海中会浮现出牛顿的画像,这个过程在脑子里对应了怎样的神经活动和信息流?),也无法从现有答案中提取出一些支配视觉系统的基本定律。

猕猴脑研究之所以难以获得突破性进展,根本原因在于大脑本身的复杂性。一方面,大脑中任一脑区都和其他脑区存在着广泛的突触联结,另一方面,大脑任一功能都依赖于许多其他功能。所以在单独研究某一个脑区或某一项功能的时候,我们并不能对该脑区或该功能获得完整的认识。即便全球有许多实验室各自在深入研究某个脑区或某个功能,我们也无法通过综合他们的研究结果来获得完整的认识,因为要想了解不同脑区之间的交互,必须同步而稳定地观测同一只猕猴的多个脑区;要想了解不同功能之间的影响,必须训练同一只猕猴完成多种任务或从不同方面对同一只猕猴进行长期观察。

要想克服大脑本身的复杂性,从而实现猕猴脑研究的重大突破,我认为我们需要转变现有的猕猴研究方式。根据我的了解,国内外大多数实验室在从事猕猴研究时都是“以课题为中心”的,比如,我想研究视觉注意,那么我就只通过微电极记录少量的注意相关脑区,研究周期可能要持续三年,最后获得的成果非常有限,猕猴作为一种昂贵的生物资源也没有得到充分利用。我们实验室有老师则提出应该物尽其用,比如买来的猴子可以对其进行多方面的观察,包括身体状况、情绪特点、智商、学习能力、笼内生活习惯等等,也可以通过各种观测手段对多个脑区在不同任务中的活动进行观测(这些实验可以在不同时期进行),还可以通过长期记录神经活动来获得有关学习或衰老的数据。我把这样的研究方式称作“以猕猴个体为中心”的研究方式。这种研究方式最大的好处在于:数据都是来自相同的猴子,所以从数据得到的不同侧面的结果可以被很好地衔接起来,从而能比较完整地理解大脑。

或许会有人对这样的研究方式不屑一顾,他们觉得发明更先进的多脑区观测技术就可以实现猕猴脑研究的重大突破。用现有技术从神经元层面实现对同一只猕猴多脑区、多深度、稳定、和长期的观测记录确实是一件很困难、很辛苦的事情,这里所谓的多脑区,一般不过是2-3个脑区而已。那么有没有这样的可能:有一天,基础物理学为我们提供了新的技术,使我们能同时观测猕猴大脑的所有神经元活动或突触活动。当我们可以获取大脑中任一位置的神经元在任一时刻的活动状态,我们要全面理解大脑的工作机制就易如反掌。但这种事情大概率只会发生在科幻电影里,即便会发生在现实中,我相信至少要等到2120年以后了,因为基础物理学在微观层面的推进似乎步履维艰。所以,我自己不会期待未来有突破性的技术来推动脑科学的飞速发展,现有的技术(包括不断被改良的电生理技术、双光子钙成像、核磁成像等等)就是我们能拥有的最好技术。

当“课题中心”转向“个体中心”成为广泛共识,现有的小作坊式的课题组团队就不再适合从事未来的猕猴脑研究。因为对同一只猴子进行体质和习性观察、行为训练、多脑区电生理记录、双光子钙成像观测、全脑功能核磁扫描、神经网络建模、TMS干预等研究,绝对不是一个小作坊里十几个不同年级的研究生可以搞定的事情,它需要擅长不同技术和关心不同课题的人员的通力合作,这样的团队可能需要在数十到上百人的规模。而且这样的团队需要富有经验的人进行管理,当然对组员的团队合作能力也会有很高的要求。



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