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科普文章:高温生理和神经生物学的好模型:长爪沙鼠
热度 3 wangdh 2015-12-12 11:44
高温生理和神经生物学的好模型:长爪沙鼠 张学英 王德华 (《大自然》文章截图) 长爪沙鼠( Meriones unguiculatus )在我国主要分布于吉林、辽宁、内蒙古、河北、山西、陕西北部、青海和宁夏等地的荒漠、半荒漠以及农牧交错区,在国外见于蒙古国和俄罗斯贝加尔地区。长爪沙鼠在分类学上隶属于 啮齿目、鼠科、沙鼠亚科、沙鼠属,如今 已经被人类驯化为实验动物。欧美等国际学者在实验中使用的长爪沙鼠,其祖先应是1935年从我国东北和蒙古东部捕捉的,1954年被引入美国,后来再被引种到英、法等国。长爪沙鼠自身的某些独特的解剖学、生理学和行为学特征,使其成为在神经生物学等生物医学领域很有特色的实验动物。近几年,我们对野生长爪沙鼠的野外生理学研究中有些新的发现,这些发现可进一步丰富长爪沙鼠作为模型动物的应用前景。 长爪沙鼠的基本生物学特点 长爪沙鼠营穴居生活,群居,每个家群通常有2~18只,包括1个或多个繁殖个体及其幼仔,最多可3代共享一个洞系。长爪沙鼠的洞道系统很复杂,包括洞口、通道、跑道、仓库和住所等。长爪沙鼠在食性上属于食谷类,夏 季主要取食茎叶,秋季贮存种子,冬春季主要以贮存的种子为食。 长爪沙鼠生理代谢特征的地理差异 长爪沙鼠在我国北方从东到西分布范围比较广,横跨典型草原、荒漠草原和沙漠,在不同的栖息地环境表现出能量和水代谢生理的地理差异。相对于东部湿润地区,西部沙漠地区的长爪沙鼠种群具有较低的静止代谢率和总蒸发失水量,即在高温的沙漠长爪沙鼠会降低自身的能量消耗和体水流失。代谢组学研究进一步发现,沙漠中长爪沙鼠 以糖类代谢为主,脂类和蛋白质代谢水平较低,以提高单位耗氧产生的代谢水,适应干旱的沙漠环境。长爪沙鼠在抵抗高温生理学和水代谢方面,很有物种特色。 长爪沙鼠的能量平衡特点 生活在温带地区的小型哺乳动物往往面临着季节性的气候变化,其能量摄入、产热和体重等也相应表现出明显的季节性变化,但也有一些动物体重维持稳定。野外不同季节取样以及半自然环境驯化的实验结果显示,长爪沙鼠的体重在年周期内基本维持稳定。温度、光照和食物可利用性等都是重要的影响其体重和能量代谢等的环境因子。 在实验室内不同光照驯化条件下,长爪沙鼠的能量摄入、产热和体重维持相对稳定。在短光照和低温的共同作用下,长爪沙鼠通过提高食物摄入量和产热能力,并改变消化道的生理和形态可塑性来维持相对稳定的体重。饲喂高纤维食物时,长爪沙鼠便提高能量摄入、降低基础代谢率和产热能力,增加消化道长度和质量,以维持体重的稳定。恢复低纤维食物时,之前表现出的可塑性变化都会恢复到驯化前水平。 小型啮齿动物很容易受到缺水的影响,特别是生活在荒漠和沙漠地区的小型哺乳动物。因此它们在演化过程中形成了一系列生理调节机制。生活在沙漠环境中的长爪沙鼠可通过利用糖代谢产生更多的代谢水,以弥补食物中较低的水含量,还能 降低身体总蒸发失水量并提高尿液渗透压,进一步减少水分散失。研究发现,长爪沙鼠的最大尿液渗透压可达8000 mOsm ( 毫摩尔浓度) ,这个水平在小型啮齿动物中是非常高的,其他啮齿动物 如实验大鼠、小鼠约 为 2000-3000 mOsm ( 毫摩尔浓度) , 但 长爪沙鼠 节水的生理学和分子机理,还不是很清楚。 长爪沙鼠的贮食行为特点 在温带地区,为了应对食物短缺的寒冷冬季,许多野生小型哺乳动物具有贮食行为,即在食物丰富的秋季贮存足够的食物,为冬季生存和早春繁殖做准备。有趣的是,人类也有贮存行为,有些人甚至已发展成严重的“强迫贮存综合症”或“购物狂”。 野外研究显示:长爪沙鼠会在秋季群体贮食,主要是贮存自己领地内的食物;长爪沙鼠几乎是倾巢出动参与贮食,但活跃程度略有不同;遇到外来的食物竞争者时,家群内的有些个体表现出明显的驱赶和攻击行为,另外一些个体负责贮食。这些行为特点提示群内存在合作与分工。实验室研究也发现,长爪沙鼠的贮食行为表现出二型性,即:有些个体贮存较多的食物,而另外一些个体并不贮存食物或者贮存的食物量很少。研究长爪沙鼠的贮食行为机制,有助于揭示不同行为之间合作与分工的演化及调控机制,为人类强迫贮存综合症、购物狂等医学研究提供新的启示。 长爪沙鼠有很多其他实验动物不具备的生理学和行为学特点,研究这一动物模型,不仅可以揭示动物对环境的适应机制等问题,而且有望为了解人类的肥胖机理、认识人类应对气候变化的生理能力以及“购物狂”等行为异常提供新的认识和解决途径。 ( 说明 :本文是《大自然》杂志野生动物模型专栏约稿。文章发表在《大自然》 2015 年第 6 期上。作者张学英博士现为中国科学院动物研究所的副研究员,从事动物贮食行为的神经生物学机理和神经再生研究 。)
个人分类: 科普随笔|7588 次阅读|4 个评论
学霸家庭:纵贯两百年 横跨数化生
pkucarer4300 2015-12-4 09:16
学霸家庭:纵贯两百年 横跨数化生 Ulf von Euler,图片来源: http:// nobelprize.org 在神经科学的发展史上,Ulf von Euler是一位举足轻重的科学家。在他六十多年的科研生涯中,发现了多种重要的神经活性物质,包括P物质,前列腺素以及去甲肾上腺素等。 Euler于1905年2月7日出生在瑞典的斯德哥尔摩一个群星闪耀的科学世家。他的父亲Hans von Euler-Chelpin因发现了糖酵解的酶而获得了1929年的诺贝尔化学奖,母亲Astrid Cleve von Euler是一位植物学家,他的外祖父Per Teodor Cleve是一位化学家,曾发现了钬和铥元素,并且他还有一位闻名世界的祖上——欧拉(Leonhard Euler),人类历史上最伟大的数学家之一。 出生在这样一个家庭,Euler的成长自然拥有了最好的科学氛围,为其科研生涯打下了极为坚实的基础。他17岁时就发表了第一篇科研论文,25岁获得卡罗林斯卡研究所医学学位。同年,Euler获得洛克菲勒基金会资助前往伦敦,在诺贝尔奖得主Henry Hallett Dale实验室做研究。 Dale发现了神经冲动的传递物质是乙酰胆碱,并且还发现了乙酰胆碱在神经冲动引起的肌肉收缩方面也发挥作用。Euler在Dale实验室研究乙酰胆碱介导的神经冲动,做实验时发现兔的一段肠道在使用小肠提取物处理时会发生收缩。但他意外发现使用胆碱能受体抑制剂,如阿托品,并不能抑制这个反应,所以他大胆推测可能还存在一种乙酰胆碱之外的活性物质。 接下来的几个月中,他和实验室的一位同事John H. Gaddum系统地研究了这个现象。他们发现兔脑中的一种物质也能使肠道发生收缩反应并且还能降低血压。当时为了研究方便,他们将这种物质称为“纯化产物”(purified preparation)并简写为P,此后这种活性物质被称为P物质并延用至今。后来,Euler又鉴定出P物质为多肽。直到今天,依然有很多科学家在不断地发现P物质在各种生理病理条件下起着各种不同的作用。 结束了在Dale实验室的研究后,Euler回到卡罗琳斯卡研究所继续神经活性物质的研究。1934年,他做出了科研生涯中第二项重要的工作。他测试了各种组织提取物的活性,结果发现山羊血管腺提取物能够显著降低血压,这使他意识到这其中还有未知的活性物质。其后他发现人类精液中也含有相同活性的物质,由于他当时误认为该物质来源于前列腺,故将该物质命名为前列腺素。 Euler试图弄清楚该物质的化学本质,但限于当时的技术手段没有成功。他将前列腺素的工作介绍给他的同事Sune Bergström,后者通过近二十年的努力终于成功鉴定出前列腺素并非一种单一的化学物,而是多种成分的复合物,并起着广泛的生理作用。Sune Bergström和他的学生Bengt I. Samuelsson因此项工作获得了1982年诺贝尔生理或医学奖。 Euler后来在《脂质研究进展》杂志发表的一篇评论中写道:“做出一项发现在原则上和一种发明甚至一种艺术是相似的,即得到的结果比组成它的各个部分的总和要更多……有人说前列腺素在被发现后沉寂了20年,这是不完全正确的。自1945年Sune Bergström从我手上接过前列腺素的研究后,他用精湛的技艺和惊人的毅力进行了化学分离和鉴定,实际上开启了前列腺素研究历史的第二阶段。” 由此可见前列腺素的工作是一项接力的工程,Euler作为接力赛的第一棒虽然没有因为这项工作获得诺奖,但他在前列腺素的开拓性工作并不会被科学史遗忘。 在研究前列腺素的同时,Euler继续着神经递质的研究。他特别感兴趣神经细胞之间的信号传递,早在1904年英国生理学家Thomas Renton Elliott就提出过神经元之间可能通过某些化学物质相互交流。他观察到肾上腺髓质可以产生一种与交感神经活动增强效应很相似的物质肾上腺素,所以他推测交感神经效应的传递是通过化学物质如肾上腺素传递,而并非是大家曾经认为的类似于电线导电的纯物理过程。但直到1921这个猜想才被实验证明,而这个实验的设计过程十分传奇。 德国生理学家Otto Loewi在1921年复活节的星期六夜里做了一个梦,梦见自己做了一个实验证实了神经间的信号传导是靠化学物质而不是电信号。他从梦中惊醒,开灯在床头柜上的一张纸上记下了梦中的实验,然后又倒头睡去。第二天早上6点他就醒来,并且想起夜里他写了非常重要的东西,可是Loewi却发现他完全读不懂自己夜里写的东西。一整天,Loewi都在苦思冥想试图回忆梦境却一无所获。Loewi后来回忆说,那一天是他人生中感觉最长的一天。 神奇的是,当晚夜里三点,Loewi又做了那个相同的梦,梦里他又做了那个美妙的实验。他惊醒了,然后立刻跑到实验室按照梦境做了这个简单而完美的实验:他把青蛙的心脏放到装有营养液的玻璃器皿中,该心脏还与神经干相连。电刺激神经干后,把该心脏泵进或泵出的液体倒入另一个玻璃器皿中的心脏。 Loewi惊奇地发现这样的液体可以使别的心脏产生与之前受神经干电刺激的心脏相同的变化。这个经典实验证明了神经刺激可以释放调节心跳的化学物质,且这些物质是通过化学方式传递到器官的。这个实验中交感神经所释放的递质后来被证明为乙酰胆碱(该工作获1936年诺贝尔生理学或医学奖)。 后来按照这个思路,Loewi考虑刺激心脏或其它脏器的交感神经也会释放化学物质,而这种物质与之前就发现的肾上腺素有很多共同之处,但Loewi一直苦于无法直接证实这个猜想。直到1934年,J.Gaddum和 H. Schild发明了一种检测肾上腺素的化学方法。Loewi利用这种方法证实了在神经刺激增效期后,不仅在青蛙心脏浸出物,而且在心脏的灌注液中都存在肾上腺素。 但Loewi并没有想到,他用青蛙做的实验实际上只是一种特殊情况,因为Euler后来在哺乳动物中做实验时却发现肾上腺素能神经(比如脾脏神经)和这些神经支配的器官提取物有与肾上腺素相似的活性但又不完全相同的物质。该物质随后被鉴定为肾上腺素的去甲基化同系物,即去甲肾上腺素。 去甲肾上腺素的工作还有另一个插曲,在Euler发现去甲肾上腺素的几乎同一时间,生理学家Peter Holtz也在肾上腺提取物与尿液中发现了能够使血压升高的活性物质,并命名为尿交感素(Urosympathin)。这一物质实际上含有多巴胺,肾上腺素和去甲肾上腺素。这项工作的手稿于1944年10月8日(二战期间)被送到莱比锡的施普林格出版社,但一周后在印刷时被空袭摧毁。直到1947年该工作才重新发表,但此时距Euler的工作发表已经晚了一年。 Euler在发现了去甲肾上腺素是交感神经递质后,做了非常系统的工作,他发现几乎所有的器官和组织都有去甲肾上腺素,只有胎盘是个例外,而胎盘是唯一没有神经的组织,所以神经应该是它的来源。Euler实验室的Goodal又做了一个非常让人信服的实验,他切断到心脏或其它器官的肾上腺素能神经后,器官中去甲肾上腺素的含量会降到很低,而切断的神经再生后,器官的去甲肾上腺素浓度又上升到正常水平。 为了弄清楚去甲肾上腺素的功能,Euler带领他的研究团队做了很多有趣的实验,比如他们发现军官们跳伞后比在地面运动后尿液中去甲肾上腺素含量显著增加了,再比如机体在寒冷中也会分泌大量去甲肾上腺素。这些实验可以总结为机体在应激状态时,肾上腺素能神经活动会加强,去甲肾上腺素的分泌也会加强。 Euler还与他的同事Nils-Ake Hillarp合作,发现了神经元中去甲肾上腺素是以一种微小的颗粒形式合成与贮存的,这些工作成为神经递质细胞内运输的重要概念。可惜的是,1970年诺贝尔奖颁发给Euler时,Hillarp已经去世,未能见证他们的工作获得此项殊荣。 Euler在1970年获诺奖前,曾多年任诺贝尔生理学或医学奖委员会成员和主席。他卸任后,此前在诺奖委员会的同事赶紧给他发了1970年的诺奖。他的学生如法炮制,卸任诺奖委员会委员后在1982年也“被迫”黄袍加身。 Euler不仅是一位成果卓著的科学家,而且是一名能够启发学生好奇心的好老师。他曾经写道:“对于一名科学家来说,最有回报的事情中就包括了指导年轻学生开始他们的研究生涯并作出原创的发现。见证年轻人的成长是一种享受,科学家有充分的理由对能用自己的经验来帮助他们感到高兴……我们必须守护心灵的自由,并记得一些“异端学说”经常是精神生活健康的标志。” Euler因其巨大贡献一生获得了很多荣誉和头衔。他终身致力于科学研究,直到1983年3月因心脏手术后并发症去世。 本文同步发表于“知识分子”微信公众号 商业转载请联系作者获得授权,非商业转载请注明出处。 链接:http://zhuanlan.zhihu.com/zhishifenzi/20387037
个人分类: 科普|1049 次阅读|0 个评论
小水獭的有神论
热度 22 小水獭 2015-6-22 04:09
在 Eric Richard Kandel 的神经生物学原理第 18 章最后总结中,他写道:“ perceptions are not precise copies of the world around us. Sensation is an abstraction, not a replication, of the world around us. ” 我对此的理解是为:知觉并不是周遭世界的精确客观映象。感受到的世界是抽象的,而不是真实世界的复制品。 因此我很理解为什么有些人深信鬼神,并认为是他们的亲眼所见。因为他们眼中的世界,是他们的大脑遵循自己的规则分析得出的结果 ( analyzed according to the brain’s own rules ),既然精细结构会有所不同,自然他们能“看见”的东西我可能看不见。打个比方说,我的梦境是彩色的,但是我知道很多人的梦是黑白的。而有些人能自由改变自己的梦境,在梦中享受无边的自由,我是不行的,但我相信他们可以。 总而言之,小水獭是相信有神灵的,但是只是存在于那些能感受到神灵的大脑中。 陆绮 2015年6月21日
个人分类: 活色生香de生物科学|3916 次阅读|62 个评论
关于行为学术语Lordosis的翻译:理想很远,爱在咫尺却在等
thinkmyself 2015-2-23 11:10
(学生向我介绍科学网的博客,便来到这里注册,先翻了一下以前的旧作,似乎这篇比较能符合这里的气息,该文始作于几年前的另一个论坛,可以算个小科普,姑且略作修改作为开篇的博客吧就~) 《关于行为学术语Lordosis的翻译:理想很远,爱在咫尺却在等》——2011-07-02 12:50:29 通俗点讲,Lordosis可以说是小腰~,这可能也就是之前论坛网友“笑笑”说的这个词蕴藏的性感所在了。下面我先介绍一下这个词的专业含义。一般来讲,Lordosis用的比较常见的地方是医学上的或生理结构上的:脊柱前弯,脊柱前凸(名词)。 但是更性感的,是这个词还有个特别的意思,专门指哺乳动物的一种特殊性行为,称作Lordosis behavior,即雌性动物在交配之前作出腰部的脊柱向内弓向腹部,从而使整个背部保持平坦,提高臀部,身体静止一动不动,等候身边伴侣的交配的行为。维基上面这么解释:“refers to the position that some mammalian females (including cats, mice, and rats) display when they are ready to mate (in heat). ”。 也就是雌性动物在发情期内,雌激素影响腹中部下丘脑(ventromedialhypothalamus)和导水管周围灰质(periaqueductal gray)以及其他一些脑区。性刺激出发一系列脑区的活动,发送神经冲动并最终传到脊髓中的传入神经元,向周围的肌肉发出指令完成上述Lordosis的姿势。由于这些脊髓中的传入神经元属于整个Lordosis反射弧的一部分,Lordosis行为因此也可以通过反射触发,比如用抚摸刺激动物的腰部。养宠物的人都知道,当你前后抚摸猫咪的背部,特别是腰部,猫咪常常会全身挺直,翘起尾巴,保持静止,那就是Lordosis。 人类是直立行走的,性行为也更多样化,并不需要都用Lordosis这种姿态。但是小腰,同样也是非常敏感的地方。所谓酥腰,酥腰,一揽就酥。我曾在网上搜索过,发现英国《皇家学会报告》曾有个哈佛大学与德州大学奥斯汀分校的研究报告。据说他们分析了34.5万种古代文学作品,从16至18世纪英美小说、散文和戏剧,到1世纪至6世纪(大致西汉至隋代)的中國古诗、印度史诗、波斯古诗及古希腊文学。发现这些作品中描写女性腰的次數,远超过身体其他部位(其中臀部和苗条的身材(丰满的却更多)则最少被提及)。在他们查阅的这些文献里:英国古典文学:描述纤腰65次、胸部16次、大腿12次、臀部2次中国古诗:描述纤腰17次、胸、臀、大腿均无印度史诗:描述纤腰35次、其他部位共26次换句话说就是古今中外所共识的,女人身体之最美,在于她那纤纤的小腰。 更有趣的是,这些研究者甚至还推测认为,纤纤小腰可能是女子健康和生育力的最显著象征,男性出於延续基因本能,常从女子腰部判断其生育能力。不过笔者却有些不以为然,这些研究者似乎不是搞动物行为学或神经生物学的,统计发现的差异可能是正确的,但推论却不一定合理。要说来自本能,更可能来自性行为过程中的自然反应(比如反射),而不大会是意识中出于延续基因的那个遥远理想。那“抱月飘烟一尺腰”啊,大致是在达到宽衣解带之前,能最先看到,最先接触,最先刺激,反应强烈,发酸,发胀,发酥,发软的地方了吧?~~~~要非说本能,那么还不如喊:英勇的哥们姐们啊,还等什么?揽住她(或让他揽住你)的小蛮腰,搞定那遥远的理想吧!。。。或者夜晚,轻轻的问一声:“宝贝,今晚Lordosis吗?”~~~ 虽然有这么Sexy的一个词,但是可惜,我又查了一下,Lordosis的这个行为学上的含义,似乎至今还没有中文上的翻译。。。也许我来试试,两个选择,一俗一雅,一短一长: 1。躺着别动! 2。理想很远,爱在咫尺却在等。(哈,《爱的太迟》中的歌词~)
个人分类: 石谷舟岸(掌)•知识|4525 次阅读|0 个评论
神经科学中悬而未决的问题
热度 14 sciencepress 2014-12-3 08:28
我们在日常生活中常常不去留意脑是如何实施其功能的,如费德勒如何回击网球、鱼鹰如何潜水捉鱼或蜜蜂如何在特定的花上吮蜜等等。这种显而易见而对人类又有重要意义的悬而未决的问题大量存在,正因如此,神经科学在今天才变得如此吸引人。 关于神经系统和脑的悬而未决的问题,迥然不同于物理学、化学,乃至一般来说生物学中的那些问题。 不仅是本书 ( 尼克尔斯(John G. Nicholls)等著,杨雄里等译《神经生物学:从神经元到脑》(原书第5版) ,下同) 的读者能指出我们知识和理解上的重大缺陷,连科学圈之外的人也知道,我们并不了解高级功能(如意识、学习、睡眠)的机制,不了解协调运动如何产生,甚至不了解一个人如何随意地弯曲其手指。而同一个人,即使是睿智而又受到良好教育的,在相对论、粒子物理学、化学反应或遗传学等领域,要指出尚需探索的问题恐怕要难得多。这种显而易见而对人类又有重要意义的悬而未决的问题大量存在,正因如此,神经科学在今天才变得如此吸引人。 我们在日常生活中常常不去留意脑是如何实施其功能的。为演示这一点,让我们以打网球这样的运动为例。一位网球高手,如费德勒,看到他的对手击球时,能迅速计算出球在何处着地,又将回跳得多高。球可能正在以100 km/h的速度飞行,但他能准确地冲向球的落点,伸出其手臂,用其网球拍的正中击中该球,而且用力恰到好处,把球准确地送至对方场地的边线(利用了他记住的对方反手的弱点),所有这一切都是在瞬息间完成的。我们还可以随手列举其他例子,如鱼鹰如何潜水捉鱼、青蛙如何用舌头抓苍蝇,或蜜蜂如何在特定的花上吮蜜。 在所有这些例子中,必需的功能,如呼吸、心率、胃肠道的控制,必须时刻与机体的需要相适应。把目标从庞杂的背景中辨认出来,必须计划好高度协调的运动,使之发动并进行调节,最后付诸实施。为此,必需的神经元连接必定以某种方式早已形成。此外,与维持生命活动有关的功能,如呼吸、心率、胃肠道的控制,则必须时刻与机体的需要相适应。 本文我们选择了一些神经科学中悬而未决的问题,这些问题可能在将来着手解决,并与 本书 强调的主题特别有关。 神经元功能的细胞和分子研究 在过去几年中,关于通道、受体、递质、转运蛋白、第二信使及突触部位的长时程变化的新信息与日俱增,今天提出的悬而未决的问题在您读到本书时可能已经有了答案。 对介导通道的开启、关闭和失活具有关键意义的结构变化仍不清楚。另一个仍处于研究早期的重要问题是,分子怎样转运至神经元那些精细的区域,如钠通道怎样转运至朗飞氏结、受体怎样转运至树突棘、突触囊泡怎样转运至突触前终末的活化带等。可以以神经肌肉接头处突触后特化区的形成为例:虽已经鉴定了触发关键分子定位的信号,但在中枢神经系统中神经元如何形成突触的细胞和分子机制仍不清楚。 图 遗传学证实的对神经肌肉突触结构形成和乙酰胆碱受体在运动终板聚集的关键性分子。(承蒙M. Ruegg提供) 对于众所瞩目的一些问题,如与学习和记忆相关的长时程增强和长时程压抑,已经进行了大量的实验,作了细致的分析,试图揭示其机制。对于记忆的贮存和提取是否还存在别的机制?说到记忆的提取,目前尚无严谨的假说可以解释我们如何在需要时记起旅馆房间的号码或母亲的生日,更不用说我们对产生意识的神经机制的一无所知,不管这种意识是产生于一条乞食的狗或是一名阅读本书的读者。 物质的细胞间转移在功能上的重要性 许多实验表明,在神经元之间,如自视网膜经外侧膝状核至视皮层,存在着氨基酸或蛋白质的跨突触转移。这种转移是肯定发生的,但我们对其转移的机制或功能意义,还缺乏关键的信息。小分子的细胞间转移也发生在由缝隙连接相连的细胞之间。有证据提示,细胞间转移是控制生长和发育的一种机制。一个相关的问题是胶质细胞在神经元信号运作中的作用,特别是从定量上看胶质细胞在其与神经元交流中所起的作用,以及这种交流对功能的重要性。 发育和再生 尽管取得了令人瞩目的进展,但神经元如何选择其确切的靶细胞仍不清楚。现在人们能在分子水平上去着手研究以下一些问题:神经轴索向靶细胞的定向生长,生长的终止,通过选择性修剪和细胞死亡使连接变得精致等。同时,对于连接的那种非凡的精细的配制(如肌梭在脊髓运动神经元上的传入纤维的终末)是如何实现的,我们仅能做些猜测。在每立方毫米组织中,有数千个神经元,在合适的部位,如何有选择地支配合适的运动神经元?通过什么机制,相同的感觉神经元在延髓的特殊的神经元上形成递质释放特性很不相同的突触?至于哺乳动物中枢神经系统损伤后的再生问题,尽管对促进和抑制轴索生长的分子机制的了解已经有了可观的进展,但对为何不能再生的原因仍不清楚。 另一个重要问题是在生命早期经验对发育的影响,特别是对于关键期对高级功能(包括情绪状态和个性)成熟的影响,我们几乎一无所知。 用遗传学方法了解神经系统 很难预测遗传技术革命性的变化对阐明脑功能会带来何种影响。现时采用的转基因动物(其中某些已知基因已改变或已被敲除),提供了一种强有力的工具,但由于功能存在冗余性,而且又有无法预期的副作用,对实验结果的解释十分困难,由此影响了其应用。随着人类基因组计划的完成,人们正在揭示在疾病和发育中发生变化的候选基因和分子。分析这大群信息,在重要的和无关紧要的方向作出分析,是繁复的任务。遗传疾病(如亨廷顿病)的研究是说明这一问题内涵的佳例。亨廷顿病突变的基因能通过对罹病家族的连锁分析而加以鉴定。虽然亨廷顿病基因序列的改变早已得到鉴定,但其蛋白质的功能仍不清楚。同样,编码电压门控钙通道的基因突变伴有家族性偏头痛和小脑共济失调。但是,在机制上还没有找到两者间清楚的联系。朊蛋白在正常脑中含量甚丰,在发生构象变化时产生传染性海绵样脑病(最广为人知的是牛海绵样脑病,或疯牛病),甚至对这样重要的分子,既不了解其正常的功能,对通过食用感染的脑而导致皮层组织感染的机制也没有完整的信息。人们长远的希望是,将会创制一些遗传疗法来处理这些疾病,以及引起视网膜变性的某些原因。目前遗传疗法正在黄斑变性和视网膜色素变性患者身上进行临床试验。尽管如此,值得指出的是,对如亨廷顿病,以及其他早已确定的单基因疾病(如囊性纤维化,一种上皮阴离子转运体的缺损,其遗传原因发现于约25年前)治疗对策的设计,进展缓慢,这提示,开发出有效的基因疗法可能得假以时日。 从正面来看,人类(和动物)遗传突变的研究,与人类基因组计划所提供的信息相结合,已经有力地推进了基础神经科学。在本书中阐述的控制睡眠和食欲的整个促醒素(orexin/hypocretin)系统的发现是其中一例。从小处看,M通道的分子结构只是通过对人类遗传性癫痛的遗传分析才得以解明。显然,应用已知的遗传信息,借助小干涉RNA和短hairpinRNA(siRNA,shRNA),将继续对某些单个蛋白质功能提供新信息。遗传学知识也能导致技术的重大进展,例如,对几种神经元有可能进行颜色编码,刺激这些神经元或使之安静,在位记录它们在脑中的活动。这些技术对厘清脑中的功能连接网络甚有价值。 感觉和运动整合 对于数量庞大的、无明显功能的神经元,我们的了解有着严重的缺陷,特别是数量远多于有髓鞘纤维的无髓鞘纤维。 本书 所举的例子是,为数众多(不下20种)的无长突细胞亚型怎样在视网膜的信息加工中起作用。另一个例子是来自肌梭的Ⅱ群传入纤维在脊髓功能中的作用。 协调运动的发动和控制机制代表了一类已取得进展、但仍悬而未决的问题。由于无创伤成象和刺激技术的发展,人们现在能获得脑活动的详细图象。但是,早在50多年前,Adrian就做过令人惊叹的、颇有见地的评论,他指出,一旦你已经学会了写你的名字,你立即能用脚趾握住笔来写。对于把这样的程序从一种效应系统转移至另一种效应系统的能力,我们还不能提供解释。 同样,对于感觉系统来说,阐明整合(如一只牛蛙或一头菊芋的完整图像)的神经机制,现在我们仍然力有未逮,更不要说关于外部世界的整合了。当这种讨论达到这一阶段时,一个可怕的“侏儒”常会现身——指作者以生动的笔调假想出来的、在脑中存在着某个细胞或小人,它实际上在看着我们之所见。嘲笑这种概念(指我们对整合机制所知有限)似乎是时髦的举止,是世故练达的标志。尽管如此,侏儒还真有一种有用的功能:它表示并不断提醒我们自己对皮层高级功能的无知。一旦找到答案,它即会像“燃素”这个概念一样自然死亡。我们还无法用计算机来取代它。 除了我们知识上这些明显的鸿沟外,体温、血压和肠功能精细控制的机制也仍然是黑箱。脑与免疫系统的相互作用是另一个活跃地进行研究的重要领域,它仍然处于其早期,还有许多悬而未决的问题。 数学建模和计算神经科学代表着另一些领域,这些领域紧密地依赖于对通道、膜、单个神经元、突触和网络的特性所进行的测量。Hodgkin-Huxley方程完备地描述了产生动作电位所发生的通透性变化,取得了巨大的成功。迄今为止,在其他领域中还没有任何一项类似的工作所取得的成功可与之比拟。一个主要理由是,对于复杂过程(如突触可塑性和整合)的建模所需资料还不完整。例如,在NMDA受体或传导阻滞发现之前,人们如何能希望对皮层回路建模呢?还有多少这样的机制有待发现呢?(重要的是,记住Hodgkin-Haxley模型,虽常称之为模型,但实际上并非是一个理论模型:那些方程是从精确的测量和曲线拟合推演而得的)。 节律性 在本书中论及的神经元节律性,包括呼吸节律、昼夜节律,以及小脑、海马、丘脑、脊髓中神经元放电的周期性。除了几种情况外,如龙虾的胃肠神经节和水蛭的游泳,我们对于放电模式的产生或规律性机制还缺乏详细的信息。此外,像脑电图的α波和β波那样著名现象中的电流振荡实施何种功能,也均不清楚。 图 猫的跨步方式。猫在行走、小跑、跑和奔跑时的不同行进步态模式。白色条带表示足离开地面的时间(摆动相,此时屈肌运动神经元兴奋)。蓝色条带表示脚接触地面的时间(支撑相,此时伸肌运动神经元兴奋)。行走过程中,四肢按次序移动,先一侧,后另一侧。小跑时用的是一种不同的肢体间协调模式:对角线位置的肢体一起抬起。在跑步时,节律再次改变,同侧的肢体同时抬起。更快的是奔跑,先是后肢,然后是前肢同时离地。IF,左前肢;LH,左后肢;RF,右前肢;RH,右后肢。(引自Pearson,1976。) 临床神经病学对脑研究的推动 多年来,神经病学不仅与神经生物学密切不可分,而且也为研究脑高级功能与脑结构的相关提供了唯一的方法。早年的神经病学家的成功之处在于,他们应用自然发生的某些实验病例细心地把症状和损伤相关起来,从而描述各个脑区的功能。考虑到通过损伤来评估功能有可能落入陷阱,他们的成就尤使人惊叹。拥有现在所具备的新技术,如磁共振成像(MRI)和正电子发射断层扫描术(PET),神经生物学家第一次能直接对损伤加以定位和观察,在活体脑中追踪其进程,并对与皮层高级功能相关的脑区做出推断。空间和时间分辨率的改进似乎已近在咫尺,这就使人们能实时地在微米和微秒的水平上跟踪产生决定、感知,或导致记忆贮存的神经元事件序列。 关于Phineas Gage的戏剧性故事,突出地说明了利用损伤和缺损来分析脑功能所存在的长处和陷阱。1848年,正在美国佛蒙特州铁路当一名建筑工人领班的25岁的Gage遭遇了一次严重的脑损伤。当他敲打铁钎把炸药的引信装进岩石时,炸药爆炸了,一下子使铁钎捅穿了他的前颅。Gage只是短暂地丧失了意识,接着便能坐立起来和说话。使医生惊讶的是,他复原得很快,在12年多的时间里能过相对正常的生活。但是Gage的个性发生了显著的改变。他本来是一个安静、认真、勤奋、细心的工人,讨人喜欢,事故后却变成了一个好大声嚷嚷、吹牛、急躁和无法安静的夸夸其谈的人。当时,人们对感觉皮层、运动皮层,视觉或听觉皮层均一无所知,但神经病学研究即已显示,前额皮层是与人的举止、个性这样一些最高级功能相关联的。 在确定参与高级功能的特定脑区方面,还可以举出一些在19世纪所做的神经病学观察作为例子,Broca和Wernicke的观察是其中一例。他们把语言缺陷与因血管意外或肿瘤而损伤的皮层区域相关起来。甚至当人们还不知道精细的脑区时,临床学家和神经心理学家已经能有把握地定义像长期记忆和短期记忆这样的过程,并将二者加以分离。 一侧(通常是右侧)顶叶损伤所产生的影响,乍一看来,是高度违背直觉的,很难理解。罹有这样损伤的患者,不再能意识到身体有两侧、外部世界有两侧。身体的左侧不再存在,患者不再意识到其左手是他自己的。当要求右侧顶叶损伤患者画一朵雏菊时,所有的花瓣均在右侧;画自行车轮时,所有辐条的情况也一样。下图显示的是一位右利手、罹有顶叶损伤的61岁的患者所绘的一幅猫的图画。需要强调的是,这些均是真正的神经病学缺损,而非患者的神经质反应。这种临床观察表明,我们的内部世界,似乎是如此的完整、如此之单一、如此之完备,但实际上却是由基本的单元组成的,这些单元融合起来,形成了一个统一体。 图 右图系一名右侧顶叶大面积损伤的患者所绘的猫的图画。仅绘出图的右半侧,所有左半侧的细节均视而不见。这种缺陷通常见于此类损伤之后。(引自Driver and Halligan,图画承J.Driver提供,1991) 随着通过脑扫描成像及对语言、操作的精心设计的测试所获得的资料变得更加丰富,人们能够预期,对高级功能的探索将会更多依赖于来自认知神经科学和神经病学的贡献。此外,随着对人脑认识的进展,从Katz及其同事的工作可以清楚看到,对低等动物(如龙虾、果蝇)的遗传学研究也能解释高级功能(如特异的分子在攻击行为中的作用)。 基础神经科学对神经病学的推动 在基础和应用神经科学之间,很清楚地存在着一条双向路。分子生物学技术和遗传技术,已经开始在诊断诸如视网膜神经胶质瘤和亨廷顿病这样的疾病中起作用,而用遗传工程化的细胞来进行治疗的可能性也正在肌肉营养不良症、帕金森病和脊椎损伤中广泛地进行研究。神经外科医生们正把复杂、高级的电生理技术用于单个神经元记录、埋藏电极(如用于膀胱控制)、无创伤刺激、设计人工假体来取代失去的功能等。但是,开发似乎是比较简单的技术,如长期植入电极选择性刺激神经元以缓解疼痛或诱发运动,困难重重。在未来,人们无疑将可能以相似于植入人工耳蜗的方式,为视觉受损者制造出有效的人工假体。进而,人们最终能截取中枢神经系统或脑的信号,用于在麻醉的肌肉产生协调的运动。 本书 描述的实验中,有一个例子能说明基础神经科学的研究如何能有助于为严重的疾病提供新的治疗方案。按照Hubel和Wiesel对新生猫和猴的感觉剥夺的研究结果,一位患有白内障的新生儿,显然应该尽快将其白内障摘除,这已经使无数婴儿免于失明。这可不是这些研究者在最初进行视皮层感受野的实验时所想到的结果。 对于大多数影响人类的神经系统疾病(如阿尔茨海默病或肌萎缩性侧索硬化症),我们对其根本病因还一无所知,或所知甚少,也没有有效的治疗措施。人们可能会争辩,最好是把用于基础神经科学的钱投资于应用科学或神经病学。但是,直接去发现治愈这些疾病的方法,是否就肯定比试图揭示神经系统是如何工作的更好呢?在强调应用研究更甚于基础生物学研究的情况下,至少可以说其结果总是使人失望的。例如,前苏联建立并支持了从事生理学和药理学应用研究的庞大的研究所,每个所都有几百名研究人员。研究者从事一项研究如果只是因为对其科学问题感兴趣并欣赏其完美,就会被认为是“资产阶级”而不被允许的。但是,在苏联存在期间,却没有开发出一种新药用于常规临床实践的。 事实上,研究神经科学的最佳理由,是真正揭示人和动物的神经系统是如何活动的。如果通过这种研究,我们对疾病状态是什么出了问题以及如何治愈它们有更好的认识,那将是一种丰厚的褒奖。当然,想努力去与可怕的疾病作抗争对于一名科学家是一种高尚的动机,但要是缺乏基本知识则很少会成功。只引述一个例子,Katz及其同事对蛙神经肌肉传递的革命性的实验最初并非是为治愈重症肌无力的希望所驱动的。但是,没有他们的工作,对于这种疾病我们都不会有很粗浅的认识,也不会有现代的治疗对策。Helmholtz是我们在本书中常提及的一位学者,他在1862年曾说过:“在科学的探索中,追求急功近利者总是无功而返”。 进展的速度 虽然关于脑和意识的书籍以惊人的速度问世,但是随意声称难度极大的问题的答案已近在咫尺,肯定是对这一领域帮倒忙。例如,如果人们考虑打网球所必需的神经回路,那么在1996年就作以下预言似乎有点操之过急了(在《科学》杂志(Science)的一篇社评中):“神经发育的主要原理将在本世纪末被发现”。科学家和期刊编辑都有这样一种自然的乐观倾向,往往向人们提供希望:许多难题即能迎刃而解。曾经不时声称,为治愈脊髓损伤只需7年或10年(早在15年之前!)。虽然这样的喧染对于在该领域耕耘的神经科学家可能是一种很好的鼓励,但对于患者,如果他们未能在设定的时间内被治愈,其影响是灾难性的。不幸,情况常常就是这样。 结论 面对范围如此广泛的动物行为,从蚁的导航至学生读一本教科书,我们应十分清楚,阐明神经系统如何工作,无疑是一个极其诱人,又引人入胜、而且永无止境的任务。 从历史可以作出明显的推论:病症治疗的方法常常在不意中产生于对一时原本是为解决很不相同的问题的实验。进而,对自然认识的增长本身就是一个富有价值的目标,没有这个目标,合乎逻辑地对神经病学问题进行防治只能部分地付诸实现。就此而言,对于任何特定的课题,在承担时几乎不可能去确定其“相关性”。诚然,当问及一个研究计划的“意义”时,最坦率的回答通常是十分简单的:“不知道”! 除疾病的治疗外,社会从了解神经系统的发育和功能所获得的收益将远超过今日的想象。 本文摘编自 尼克尔斯(John G. Nicholls)等著,杨雄里等译 《神经生物学:从神经元到脑(原书第5版)》 一书。 《神经生物学:从神经元到脑(原书第5版)》 是神经生物学领域内的一本世界级名著 ,内容涵盖了神经生物学的许多重要方面,系统介绍了神经生物学的基本概念、神经系统的功能及其细胞和分子机制。作者应用许多生动的实例,通过严密的逻辑组织起来,以展示神经生物学的发展脉络。 敬请关注科学出版社,搜索微信ID: sciencepress-cspm 或“ 科学出版社 ”公众号
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[转载]诺奖得主Rita Levi-Montalcini 在罗马去世,享年103
zhpd55 2013-1-2 11:37
当地时间2012年 12 月 30 日 ,意大利 神经生物学 女科学家、1986年诺贝尔医学奖获得者丽塔 · 列维 · 蒙塔尔奇尼( RITA Levi-Montalcini )在其罗马住所去世,享年 103 岁。 Nobel scientist Rita Levi-Montalcini dies in Rome December 30, 2012 by Frances D'emilio in Other Enlarge - Undated file photo of Italian neurologist and senator for life Rita Levi Montalcini, Nobel Prize winner for Medicine in 1986. Rome's mayor says biologist Rita Levi-Montalcini, who conducted underground research in defiance of Fascist persecution, and went on to win a Nobel Prize for helping unlock the mysteries of the cell, has died at her home in the city. She was 103. (AP Photo/Luca Bruno) Rita Levi-Montalcini, a biologist who conducted underground research in defiance of Fascist persecution and went on to win a Nobel Prize for helping unlock the mysteries of the cell, died at her home in Rome on Sunday. She was 103 and had worked well into her final years. Enlarge - In this photo from files, taken on April 18, 2009, Italian neurologist and senator for life Rita Levi Montalcini, Nobel Prize winner for Medicine in 1986, is seen at a press conference for her one hundredth birthday, in Rome. Rome's mayor says biologist Rita Levi-Montalcini, who conducted underground research in defiance of Fascist persecution, and went on to win a Nobel Prize for helping unlock the mysteries of the cell, has died at her home in the city. She was 103. (AP Photo/Riccardo De Luca) http://medicalxpress.com/news/2012-12-nobel-medicine-laureate-levi-montalcini-dies.html
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《神经生物学》阮迪云
ustcpress 2012-5-17 09:52
《神经生物学》阮迪云
丛书:中国科学技术大学精品教材(“十一五”、“十二五”国家重点图书出版规划项目) 出版日期:2008年10月 出版社:中国科学技术大学出版社 书号(ISBN):978-7-312-02311-8 页码:461页 字数:554千 定价:52.00元 当当网购买地址: http://product.dangdang.com/product.aspx?product_id=20430855 【 内容简介 】 本书是为庆祝中国科学技术大学五十周年校庆而出版的精品教材。全书分为神经信号的产生和传递、神经系统的发育、感觉神经和运动系统、脑的高级功能和行为四大部分,还增加了神经生物学研究技术与方法一章。本书从分子和细胞水平到认知神经科学和行为,比较系统地介绍了神经生物学的基本内容及最新进展,并着重介绍了一些新的研究技术和方法。 【 作者简介 】 阮迪云,男,教授,博士生导师。 1942 年 3 月生,湖南邵阳人。 1965 年毕业于中国科学技术大学生物物理系,留校工作至今。 1985.6—1988.9 年在美国休斯顿大学从事铅的神经毒理学研究。 1993.6—1994.9 , 1998 , 2000 , 2001 年在加拿大蒙特利尔大学从事神经生理学的合作研究和学术交流。中国科技大学生命科学学院神经毒理学实验室主任。中国微量元素铅研究会副主任,中国国情调查研究中心铅防治专家指导委员会副主任,安徽铅防治研究中心主任,中国生物物理学会辐射与环境生物物理专业委员会委员,中国毒理学会生化与分子毒理专业委员会委员,安徽省环境诱变剂学会副理事长,安徽省神经科学学会理事长,美国和加拿大神经科学学会会员,国际脑研究会会员,国际毒理学会会员,《中国药理学和毒理学》编委。
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饶毅:不仅说了,而且做了
热度 8 yz2011 2012-5-16 08:29
饶毅老师说自己不仅是一个科学家(要做出影响),而且是一个评论者(要说出观点)。 在科学网上,他确实是一个热心肠的独立的科学评论者,这在国内绝无仅有。当然,我并不是说我完全认同他的观点,但我极端认同他的独立评论风格以及做事的古道热肠。 有人攻击他,很大一部分把两个角色混淆在一起,原因是国内从来就没有一个这样的评论者,这显得饶先生像个怪物。 饶毅的“院士门”事件,有一部分认为是水平的原因,其实,作为外行,看看高水平同行是否认可就知道了。 今天看到科学网上的新闻 《饶毅教授应邀赴世界顶尖生物医学研究机构演讲;是我国首位得到洛克菲勒大学邀请、在其全校做学术报告介绍在中国开展科学研究工作的生物学家》, 感到我们的院士评选确实有点问题。 饶先生是国际级的牛人,这还需要水平更低的专家们去讨论证明么?
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“华盛顿大学医学院解剖学与神经生物学系”的分类
热度 2 liwei999 2011-8-20 20:13
“华盛顿大学(圣路易斯)医学院解剖学与神经生物学系”的分类 作者: mirror (*) 日期: 08/20/2011 05:07:54 所谓“谍报”,很多时候就是信息的 积累。“华盛顿大学(圣路易斯)医学院解剖学与神经生物学系”是饶老师曾经就职的单位。即便是不知道神经生物学是什么,对解剖学不会陌生。在医学院中解剖学的“地位”也不难想象:不可缺少,但相当古老。大约不会有人主张有什么解剖学的学术水平高。饶老师的“神经生物学”是与这个“解剖学”捆绑在一起的。解剖学的学问大约不会有什么大的出息了。但是总是要有人做,因为这是医学的基础教育。 顾知微老先生今年过世了。他是个地道的南京人,说话都是“么的了”。老先生的专业是“地层古生物学”,也是个很古老的,不起眼的学科。如果这个学问不是与探矿找油连在一起,老先生单靠这个学问是不能当院士的。这个模式同样适用于饶老师。 看了饶老师北京生命科学研究所研究室的工作介绍,至少镜某看不出来有什么众人所说的当院士的必然性 本实验室主要兴趣在于:社会行为的分子和细胞机理。 。 同样是研究脑神经,甘利俊一(Amari Shun'ichi)的做法就与饶老师的大不相同了。他是用数理模型、而不是具体的神经来研究脑神经的机能。当然,甘利俊一比饶老师是大一辈的人,两者之间的学术影响力大约相差两个量级。 看来需要定义一个 学术影响力 的说法,来代替“水平”的提法。 ---------- 就“是”论事儿,就“事儿”论是,就“事儿”论“事儿”。
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爱 情 的 科 学
GumpForrest 2010-10-26 15:51
爱 情 的 科 学 阿甘 爱情,是人类最美好、也是最为美妙的感情,最早在《诗经》中就有大量描写和歌颂爱情的诗篇,比如大家广为熟悉的《周南 关雎》 关关雎鸠,在河之洲,窈窕淑女,君子好逑 ;《秦风 蒹葭》中表达爱得情深意切、深厚缠绵的诗句: 蒹葭苍苍,白露为霜,所谓伊人,在水一方。溯洄从之,道阻且长。溯游从之,宛在水中央 ;还有《邶风 击鼓》 执子之手,与子偕老 的千古名句。更有爱而不能的千古悲剧《孔雀东南飞》、《罗密欧与朱丽叶》等等,多不胜数。无论古今、中外,爱情一直都是文学和艺术永恒主题。 然 问世间情为何物?直叫人生死相许!多情自古空余恨,情到浓时情转薄 。爱情到底什么? 文学家赞美爱情,哲学家回避爱情,伟大如苏格拉底也只是拿个麦穗糊弄他的学生;科学家研究爱情。科学对爱情物质本质的探索,揭示了爱情的奇妙。 爱情分子 恋爱中的人往往心情愉悦、思维活跃、精力充沛。 研究发现爱情是由很多分子支配的。有些原本是大脑神经递质,也来传递爱情信号,如多巴胺、催产素和加压素( dopamine, oxytocin, vasopressin )。有些是用来应激用的,如肾上腺素。爱情化学物质的大量释放,会使人产生爱的感觉和爱的行为。仅管没有体验,但我们对知道,服用鸦片会让人产生快感;而大脑中也可以产生类似 鸦片的分子内啡肽;内啡肽让人心情愉悦、满足。 大脑中有个叫垂体的结构,垂体后叶可以产生催产素,它与内啡肽协同作用,后叶分泌的催产素启动依恋他人的愿望,内啡肽则提供与爱人在一起时的那种陶醉感。有人把后叶催产素称为爱情激素、恋爱兴奋剂。 心与脑,谁先坠入爱河? 关于爱情的来源,究竟是自下而上( bottom-up ),还是自上而下( Top-down ),以前曾经存在分歧。人们对这个问题的认识最初来源于自身的直观感受。当见到心爱的人时,心花怒放,心跳加速、血流加快、血管扩张,面颊会绯红、手心出汗,呼吸也会加快、变浅。因此,对爱的描述都是心爱、心醉或心碎等。现在大家当然都已经很清楚了,是脑先坠入爱河,心只是接着配合脑的反应。脑把信号快速传到肾上腺,后者产生肾上腺素,引起心脏和血管的一系列反应。 大脑的爱情区 我们知道,大脑的许多功能都是有分区的,例如大脑 , 负责视觉的在大脑皮质的枕叶(后脑勺部位),负责听觉的在颞叶(耳朵以上位置),而负责一般情感的在额叶(脑门),而负责触觉和运动的区域在顶叶(头顶)。那么,是否有专门负责爱情的功能区呢? 最近美国 Syracuse University 助理教授 Stephanie Ortigue 用核磁共振功能成像技术( functional magnetic resonance imaging (fMRI) )分析人脑的究竟有没专门负责爱情的功能区。这种技术可以实时观察和检测大脑皮层的活动情况。某一种行为引起某一个局部区域的活动活跃,提示这个区域的功能参与该种行为。 研究发现,当一个人进入恋爱状态时,其大脑的 12 个区域有先后顺序开始工作,并分别释放欣快刺激诱导产生的分子:如多巴胺、催产素、加压素和肾上腺素。这个过程虽然复杂,但只需 1/5 秒就能完成。 研究还比较了不同类型的爱,如母爱、对弱智人群的的爱等,结果发现, 虽然所有的爱都指向位于皮层下多巴胺能奖励相关功能区( subcortical dopaminergic reward -related brain systems ,主要是形成多巴胺和加压素受体),但是负责爱情(激情之爱)脑区的分布和网络联系与其他类型的爱存在明显差别。 研究还发现,恋爱感觉影响社会认知功能区的活动,诸如心理表征,暗示和身体形象。这提示,认知功能区和爱情功能区存在协调和相互作用。形象地说,就是当你看到一个看到容貌美丽和身材姣好的女孩(或相貌英俊的小伙),你的认知系统很快就把这个信号送到爱情区,于是可能很快就激发了爱的化学反应,这个时间可能也不到 1/5 秒。所以,真正的一见钟情( love at first sight )来得比我们想象的要快很多。 有其他研究发现,恋爱中的双方血液中神经生长因子( neuronal growth factor, NGF )的水平显著高于没有恋爱的人。研究还提示, NGF 可能在人的社会性化学( social chemistry )中其重要作用,比如,一见钟情这种情感活动。 找到了爱情的神经生物学机制,下一步还可以去搞清楚失恋为什么会引起痛苦。这样做有什么意义吗?当然了,除了满足我们的好奇,帮助我们认识自己,更多的还是能够帮助我们解决很多现实的问题。 当爱遇到挫折,本来 窈窕淑女,君子好求, 可 现在是 求之不得,寤寐思服 ,以至 此情无计可消弭,才下眉头,却上心头 ,甚至是 为伊消得人憔悴 ,影响工作和学习,也影响身心健康;严重的会让人心情压抑、悲观甚至绝望,带来严重的社会问题, 梁山伯是怎么死的?除了通过心理疏导,有些严重的(像梁山伯这样的)可能需要药物干预。有研究发现,可卡因可以诱导恋爱类似的神经反应。 人类对爱情的期望很高:天长地久,海枯石烂永不变心!最早的海誓山盟:( 《上邪 (汉)乐府民歌》): 上邪 我欲与君相知 , 长命无绝衰 , 山无陵 , 江水为竭 , 冬雷震震 , 夏雨, 天地合 , 乃敢与君绝 就直白地表达了这种愿望。 然而,研究发现浪漫的爱情可持续的时间是有限的。 能不能让我们每一个人的浪漫爱情真正更稳定、更长久呢?这也许不是梦。 参考资料: Ortigue S , et al . Neuroimaging of Love: fMRI Meta-Analysis Evidence toward New Perspectives in Sexual Medicine. J Sex Med. 2010 Aug 30.
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漫谈大牛系列之Susumu Tonegawa
songshuhui 2010-9-3 11:25
科学松鼠会 发表于 2010-09-01 17:34 果壳时间 正式上线!特发出嘉宾作品预热暖场。 文/仇子龙 中科院神经所,本期果壳嘉宾。详见 个人页面 。 说到此人,我可是心潮澎湃。一看名字就知道这是个鬼子了,大家如果不是做免疫的或者做神经的,可能不怎么知道。但是如果我告诉你他的日本名字,利跟川进,你大概就晓得了,如果还不知道就去古沟一把吧。此人1987年因为阐明抗体多样性的遗传原理获诺贝尔奖,因为实在是他一个人的功劳,于是他一个人独拿了一个million的美刀。 我可不是要说他的免疫学贡献,而是说他的神经生物学贡献,牛人就是牛人,此人是我心目中真正的不世出的大师。从他在日本上大学开始说起,大学上完了干什么去呢?日本教授语重心长的说,要学习科学,还是得出国啊!于是小利开始了漫长的托G申请路,他到了我曾经工作的UCSD读生物学的博士,当时UCSD才刚刚建校。 UCSD1960年建校,现在自吹the youngest of the best,但当小利读生物学博士生的时候,估计还是没那么牛叉的。PHD拿到,接下来干什么呢?当然是做博后了,但是当时年轻的利博士被美国移民局恶心了一把,说他的签证到期了,不能在美国待了,一定要卷铺盖走人!年轻的生物学博士在当时虽然不像现在一样满街都是,但还是算不上是什么美国一定要留下来的优秀人才。于是小利博士只好去欧洲混,动机不清楚,反正当时要么就美国,要么就欧洲,日本的科学还很烂呢。 这段小利博士在欧洲的工作,也就是拿诺贝尔奖的工作,他自己写了个纪念文章,the great time in Basel,放在cell生物学贡献30年的专辑里,大家有兴趣可以去看。 总算写到他为什么会成为我的偶像了。这个时候是90年代初,利跟川进功成名就,被势利的美国人又请了回来,在MIT的癌症中心,又是HHMI,诺奖刚拿过,风头一时无二,cell也是一篇接一篇的发,但是到这个时候,大师就和普通人不一样了,普通人发了一百万的横财,多半会没事数数钞票,花花绿绿,开心啊!大师总会把目光放到普通人看不到的地方,开辟新的战场,因为他们清楚地知道,现在发cell的东西5年后大多只能发JBC,而且利跟川进自己也认为:免疫学最重要的问题已经被他解决了,其他的都是一些小问题了(Cell是细胞领域影响很大的杂志,而JBC只是一般了编者注)。 到这里多说几句,超级大牛们经常会努力寻找真正的大问题,大到可以拿诺贝尔的问题,利跟川进就是这个意思,免疫学里如果再想拿诺贝尔,是非常难了,因为其他的问题离拿诺贝尔都差的很远了。插一句,比如UCSD的C Zuker,就是一个这种人,本来做果蝇的视觉,做的极牛,也发了无数篇cell, 也进了HHMI,但是你往远处看,这个领域已经给过诺贝尔了,而且再做下去都是细节问题,而且那个领域大牛已经很多,要再发奖也很难发到你这个后辈手上,所以Zuker风头一转,居然从90年代中期开始转向去做味觉受体了,一把克隆了N多味觉受体,这下好了,要么味觉受体不给诺贝尔,要给就肯定有他的份。我们可以想象,只要Zuker够长寿,诺贝尔奖金肯定发的到他手上,因为嗅觉受体克隆的奖前几年刚发过。 回到利跟川进的故事上来,90年代初,这个时候,转基因技术正处在热火朝天的时期,而基因敲除技术也刚刚诞生,因为利跟川进本来就是做分子生物学出身的,所以这些分子遗传学技术非常熟练,关键在于解决什么问题。这个时候,一个人走进了他的实验室,此人叫Alcino Silva,最初缘由我并不清楚,结果是Silva用利川根进实验室的技术,鉴定了一个小鼠突变品系具有学习和记忆的缺陷,这个突变就是 alphaCaMKII的突变,这个钙调激酶独领风骚一直到现在,因为这个激酶只在大脑皮层和海马中丰富表达,而且对高级的神经功能确实重要。Silva 和tonegawa首先将分子遗传学的方法应用到神经生物学,或者说到学习记忆的研究中来。他们于1992年发了两篇science,开辟了一个时代。 Silva因为卓越的贡献到冷泉港去做老板,接着整,于1994年在小鼠系统中做出CREB对学习记忆重要的结论,发在cell上,当时那期cell还有冷泉港 tim tully的另外两篇在果蝇中做creb和学习记忆关系的文章。Silva走后,tonegawa继续深入完善分子遗传学的方法,于1996年实现突破,在小鼠中实现大脑区域特异性基因敲除的方法,而且接着整出几个大结果,那期cell上一下子tonegawa整了3-4篇,其中两篇是钱卓做的,就是后来做出聪明鼠的那个。因为进展实在太大了,神经科学大牛C Stevens激动地做preview,说梦想成真了(dreams come true)!在经历了数十年的努力,对学习和记忆的认识,从1992年到1996年,一下子从细胞水平前进到了分子水平。写到这,感慨一把,套用明朝那些事儿的话,江山如画,一时多少豪杰! Tonegawa找到这个宝藏后,马上开始用最新的基因敲除方法在小鼠系统中做学习和记忆,效果不错,鉴定出了一系列激酶,酯酶,神经递质受体,七七八八都对学习记忆很重要。然后他索性在MIT创立了Picower Center of Learning and Memory(麻省理工学院Picower学习及记忆中心),招了几个牛人去,比如我上文说到的Mike Greenberg的第一个研究生Morgan Sheng, 当时是从哈佛过去的。Tonegawa在这个领域的主要贡献在于用最牛叉的分子遗传学的方法对小鼠的学习记忆进行了详细的分析,简单的说就是区域特异性的基因敲除,以及后来发展的诱导性的基因敲除,这些贡献完全的填补了一个空白,发的文章就只算cell的话,我的手指头和脚趾头都不够数的了。 我当初申请博后的时候,看到他们在2002年发的一篇science article说特异性敲除大脑中海马区某一个位置的NMDA受体,居然只影响小鼠的回忆而不影响新记忆的形成!那篇文章看的我兴奋死了,决定以后就做这个了,但是tonegawa实验室显然对我来说太难进。但现在总算快要做类似的东西了,我的特异性突变小鼠马上就要大规模开始分析了,也会用学习记忆的模型来进行检测。 利跟川进2002年10月初到中国来了,北京上海逛了一圈,在神经所给了talk,同时把Picower center的几个年轻老板都拉过来了,我激动的几天没睡着觉,好好啃了几篇他们的文章,攒出俩问题,老头一来,远远望去,非常随意,领带都没打,很不象日本人的作风,但说起话来还是非常重的日本口音,所以大家说话有口音也不用自卑,有口音的大牛海了去了。Talk刚完,我手还没举起来,我辛辛苦苦准备的第一个问题就被别人问掉了,我强烈的晕倒了一把,心想我容易么我,也不是学这个的,看了几天文章才整出一个问题,一下就被神经所的学生搞定了,实在是郁闷,但后来总算还是轮到我问了,我鼓起勇气,第一次(还真是第一次)向给talk的老外问出了问题,很遗憾,利跟川进没听懂,可能是我没说清楚,于是我重复了几遍,他总算明白了,瞎扯了几句,不过我的问题也基本是瞎扯的。本来我还想会后找他陶瓷来着,后来实在没胆子了,作罢了。 我给他发的申请博后的信他是一封也没回,后来我知道,这种大牛一天要收到200封email,如果你不是他认识的,或者你的老板不是他认识的,或者没发过CNS的,基本是没有可能有什么戏的。利跟川进近年想退休,回日本养老,但不知为何久久未能成行,再多的八卦我也不知道了,这个消息是开会的时候遇到一个Picower center里的另外一个日本小老板,我说对Tonegawa很崇拜,他瞎扯的,再多的就和science无关了。 作为结尾,开会的时候当时几个人吃饭时候聊天,这个日本小老板说Tonegawa还没退休,旁边的一个哥们问,Why? Does he still want a second prize? 这个日本小老板回答 If he could live long enough.
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[转载]对垃圾食品成瘾可能是认识肥胖症的线索
华明 2010-3-30 09:26
【注:在网络新闻上看到路透社的报道,下面是原文连接。为方便读者,加上一些色彩和注解。】 http://www.reuters.com/article/idUSTRE62R23O20100328 Junk food addiction may be clue to obesity (By JoAnne Allen, Washington, March 28, 2010, 7:38pm EST) (Reuters) - Bingeing on high-calorie foods may be as addictive as cocaine or nicotine, and could cause compulsive eating and obesity, according to a study published on Sunday. 【注:原始文献在本文最后有连接和摘要】 The findings in a study of animals cannot be directly applied to human obesity, but may help in understanding the condition and in developing therapies to treat it, researchers wrote in the journal Nature Neuroscience . The study, involving rats, found that overconsumption of high-calorie food can trigger addiction-like responses in the brain and that high-calorie food can turn rats into compulsive eaters in a laboratory setting, the article said. The scientists also found decreased levels of a specific dopamine receptor -- a brain chemical that allows a feeling of reward -- in overweight rats, as has been reported in humans addicted to drugs, the article said. Obesity may be a form of compulsive eating. Other treatments in development for other forms of compulsion, for example drug addiction, may be very useful for the treatment of obesity, researcher Paul Kenny of The Scripps Research Institute in Florida said in a telephone interview. Obesity-related diseases cost the United States an estimated $150 billion each year , according to U.S. federal agencies . An estimated two-thirds of American adults and one-third of children are obese or overweight. 【中国在肥胖症人口也在不断增加, http://eladies.sina.com.cn/zc/2008/0710/1356738701.shtml 上面那个网页说中国有3.25亿胖子。真的那么多吗?太可怕了!各种和肥胖有关的疾病将给社会带来无穷的负担!】 For the study, Kenny and colleagues headed to the grocery store. We basically bought all of the stuff that people really like -- Ding-Dongs, cheesecake, bacon, sausage, the stuff that you enjoy, but you really shouldn't eat too often, he said. They also bought healthy foods and devised a diet plan for three groups of rats. One group ate a balanced healthy diet. Another group received healthy food, but had access to high-calorie food for one hour a day. Rats in the third group were fed healthy meals and given unlimited access to high-calorie foods. The rats in the third group developed a preference for the high-calorie food, munched on it all day and quickly became obese , Kenny said. The rats in the experiment had also been trained to expect a minor shock when exposed to a light. But when the rats that had unlimited access to high-calorie food were shown the light, they did not respond to the potential danger, Kenny said. Instead, they continued to eat their snacks. What we're seeing in our animals is very similar to what you'd see in humans who overindulge , he said. It seemed that it was okay, from what we could tell, to enjoy snack foods, but if you repeatedly overindulge, that's where the problem comes in. 【至少人和老鼠一样服从热力学第一定律,吃的越多,吸收的能量就多,如果再不锻炼能不长肥肉吗?】 【本文相关的研究论文】 http://www.nature.com/neuro/journal/vaop/ncurrent/full/nn.2519.html Dopamine D2 receptors in addiction-like reward dysfunction and compulsive eating in obese rats, by Paul M Johnson Paul J Kenny , Nature Neuroscience, 2010, doi:10.1038/nn.2519 Abstract We found that development of obesity was coupled with emergence of a progressively worsening deficit in neural reward responses. Similar changes in reward homeostasis induced by cocaine or heroin are considered to be crucial in triggering the transition from casual to compulsive drug-taking. Accordingly, we detected compulsive-like feeding behavior in obese but not lean rats, measured as palatable food consumption that was resistant to disruption by an aversive conditioned stimulus. Striatal dopamine D2 receptors (D2Rs) were downregulated in obese rats, as has been reported in humans addicted to drugs. Moreover, lentivirus-mediated knockdown of striatal D2Rs rapidly accelerated the development of addiction-like reward deficits and the onset of compulsive-like food seeking in rats with extended access to palatable high-fat food. These data demonstrate that overconsumption of palatable food triggers addiction-like neuroadaptive responses in brain reward circuits and drives the development of compulsive eating. Common hedonic mechanisms may therefore underlie obesity and drug addiction.
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解读经络 —— 实现钱学森人体系统科学遗愿的奠基石
热度 2 yindazhong 2009-11-4 18:16
中国科学界,一代大师,两弹元勋,钱学森先生仙去,举国致哀,学界尤甚。为寄托哀思,我们将钱先生生前极为关注的“人体未解功能”领域的一篇开拓性文章的主要片段贴到网上,请有关专家指教,一为祖国科学发展献智献策,也为钱老仙去合十送行。该文初步解读经络的生物学实质 —— 将是实现钱学森先生关于人体系统科学思想的重要的奠基石,也是我们有关中医理论研究 “ 3+X 理论”的 X(extra) 部分的核心理论。几天前,得到了出版杂志的正式确认,会在该杂志近期正式刊出,具体出版刊载信息将在杂志寄到后再广为告知。谨以此文,告慰钱先生在天之灵! 文中图 1 因格式不同,原位不能显示,附在文章末尾。 该文若有不当,不实,不明之处,欢迎严谨地学术讨论: 从“植物神经生物学”和动物神经进化看经络的生物学本质 * □ 印大中 1 , 2 ** 赵林立 2 (1 . 广东省中医药科学院 广东省中医院广州市 510120 , 大德路 111 号 ; 2 . 蛋白质化学与发育生物学教育部重点实验室 , 湖南师范大学生命科学学院 , 湖南长沙 410081) 摘 要 : 由于没有明确的和独立的解剖结构,经络的生物学本质以及与之直接相关的针灸等防病治病机理仍是中西生物医学研究领域的不解之谜。 本文通过分析比较动物神经系统的进化衍变,尤其是近年来逐渐发展成熟的关于植物信息传导系统,即所谓“植物神经生物学”的研究成果,开拓解读 生物界中有机体对于外界环境感应的共同结构基础与 信息传递的基本 规律 。本文开拓性地将生物体信息传导系统分为三个系统(水平) : 1. 大脑相关高级神经系统(神经水平) ; 2. 没有神经结构但可传递生物电信号和递质的导管相关信息传导系统(导管水平) ; 3. 细胞间以及细胞与环境间的电信号与理化物质传导系统(细胞水平)。本文还提出生物体内的信息及其传导媒介主要可分为电信号和化学信号两大类型。提出经络相关的信息传导机制为上述三水平、两类型作用的有机整体集 成 ,简称 “ 321 集成理论 ”,进而一统解读错综复杂的经络现象的生物学本质 。 关键词 :针灸 动物神经进化 经络 植物信息传导机理 植物神经生物学 Interpretation of the Biological Essence of Meridians (Jingluo) with Plant Neurobiology and Animal Nerval Evolution * Dazhong Yin 1,2** Lingli Zhao 2 1. Academy of Chinese Medical and Pharmacal Science of Guangdong, Guangdong Provincial Hospital of TCM, Dade Road 111, Guangzhou 510120, China 2. Key Laboratory of Protein Chemistry and Developmental Biology of Ministry of Education , College of Life Sciences, Hunan Normal University, Changsha 410081, Hunan, China Abstract: For the absence of a clear and independent anatomical structure, the biological nature of meridians (Jingluo) and the mechanism of the acupuncture and moxibustion et al. to prevent and cure diseases in the Chinese Traditional Medicine still remain mysterious. Through summary and analysis of the evolution of animal nervous systems and comparison of the information transmission systems of plants (the so-called plant neurobiology), the common biological structure and the basic law of information transmission of biological system were open-mindedly reviewed and illustrated in this paper. The information transmission systems of life were for the first time classified into three major levels: 1. the brain-related central nervous system (the neural level); 2. the vessel-dependent information transmission system without the typical nerval structure (the duct level); 3. the inter-cellular and cell-environmental singal communication system (the cellular level). Electronic and biochemical signal transmission were pinpointed as two major means of information dissemination pattern in life system. In summary, the complicated information transmission functions and traits of the meridians is thus suggested as an interplay of the performances of the three major systems applying electronic and physico-chemical materials. Namely, the “321-Integration Theory” of meridians. Key words: acupuncture and moxibustion; animal nerval evolution; meridians (Jingluo); plant information transmission mechanisms; plant neurobiology 一、关于“经络本质”及其研究现状 关于经络本质及其机制的假说百花齐放,研究精彩纷呈。中、外学者在近几十年的针灸经络探秘研究中 , 逐渐形成了经络研究的四大主流学派 : 神经生理学派、生理生化学派、生物场学派、结缔组织结构学派 。 神经生理学派认为经络现象是神经系统的一种功能表现,研究涉及大脑皮层、海马、下丘脑、脑干网状结构、脊髓及周围神经和植物神经,但显然不能解释循经感传的慢速度,双向传递,低电阻,高氧分压等现象。生理生化学派发现经络与多种流动的理化成分和生化物质相关,如神经激肽、 P 物质、降钙素基因相关肽、五羟色胺、组织胺等多种递质和多种离子等。该理论与神经论相似,涵盖面很广,但却不能单独解释经络现象。生物场学派提出了与声、光、电、热、磁相关的诸多理论,但缺少对经络明确的三维物质结构的界定。结缔组织结构学派认为结缔组织中的筋膜是经络的物质基础:经脉是附着于筋膜组织 , 借助神经、血管、淋巴管 , 调整人体机能的带状结构 , 络脉是小血管 , 借助神经、血管、淋巴管 , 调整人体机能的网状结构 。由于对这些研究结果和现象的解读错综复杂,莫衷一是,给现代中西医结合生物科学研究留下了一连串不解之谜。 1. 经络的物质结构及特性 经络到底是否有其客观的物质形态结构? 1963 年,朝鲜的金凤汉曾轰动一时地报道说找到了经络和穴位的实体 , 即发现了所谓“凤汉小体和凤汉管”等结构 ,但最终以身败名裂收场 。我国也有学者研究称经络是宽度在 1mm 以内,且有形态学根据的组织 , 但至今没有下文。 然而,尽管至今经络的生物学结构无从确定,以传统经络图为基础的经络特性研究却成果硕丰。例如半个世纪来,国内外不断有学者在对经络的低阻抗特性进行研究。 19 世纪 50 年代,日本学者中古义雄等 首先测量了人体体表的低电阻点,发现人体躯干上可联出 26 条低阻线(左右对称 24 条,正中前后共 2 条)称为“良导络”(虽然与中国 12+2 的经线数有所不一致)。接着,相关内容有了愈来愈多的研究报道,例如有研究报道经络穴位上的低阻性质,其阻抗一般为 80~100 千欧,其周围非低阻点的阻抗值则在 600 千欧以上,低阻点的分布基本上是循经的, 90% 的低阻点都分布在经脉(与本实验室目前的研究结果不尽相同)。 Lee 研究发现经络线上合谷和曲池段的导电性明显高于合谷和非经穴段 , 经络线上的导电性高于非经络 , 优先电传导现象存在于两个腧穴点之间。陈道亮 等的研究表明 家兔和小鼠表皮深层存在着沿经脉线连续分布的细胞连接通讯 , 提出在表皮深部沿经的方向存在着可能贯通全经的、连续无阻隔的细胞连接通讯 。 李刚从经络低阻抗特性入手,提出 “ 经络是一种具有特殊电特性细胞组成的信号传导组织 ” 的假说,认为因此有可以找到经络实质研究的突破口。 1973 年,祝总骧 进一步 发现了经络现象的普遍存在,而后的众多学者也报道经络在皮肤表面的定位和相应的生理生化表象:如隐性感传、 双向传递 、 跨体节传导 、 低阻高导 、 高氧分压 、高振动声、传输示踪物质、发光和发热、 Ca 2+ 浓度增加 、经穴 - 脏腑相关 、刺激后产生高频振动和低频振动传导等等。 另外,以诸多生物物理概念为理论基础的研究提出了多种关于经络的生物场学说,包括电场、磁场、红外线、电磁驻波叠加、孤立子波等。 但是由于生物医学研究至今仍没有发现人体或动物体经络的实际解剖学结构,因此人体以至生物体内到底有没有经络依然不断引起争辩。 2. 络病理论对气血调控的机理研究 在传统经络理论的基础上,吴以岭教授等近年来提出了一个“络病理论框架 ” ——所谓人体组织的“三维立体网络系统” 。 该理论提出 : “ 络脉是从经脉支横别出、逐层细分、纵横交错、遍布全身 , 广泛分布于脏腑组织间的网络系统 , 虽庞大繁杂 , 却具有明显细化分层和空间分布规律 , 按一定速度与常度 , 把经脉运行的气血,输布、弥散、渗灌到脏腑周身”。他认为输布于络脉网络系统中的气血运行速度和常度显然与经脉气血运行不同 , 具有“气血流缓、面性弥散、末端连通、津血互换、双向流动、功能调节”的特点 。 该理论从狭义角度将络脉分为经络之络 ( 气络 ) 和脉络之络 ( 血络 ) :“ 气络运行经气 , 脉络运行血液” ; 认为:气络的络气涵盖了西医学神经、内分泌、免疫调节功能。另外,“行血气”是络脉的基本功能 , 络中气血畅行无阻是络脉系统维持人体正常生命运动保持内环境稳定的基础。并认为:“由于络脉是气血津液输布环流的通路 , 且络体细小 , 分布广泛 , 分支众多 , 邪客络脉容易影响络中气血津液的运行与输布 , 致使络失通畅或渗灌失常 , 导致络气郁滞、络脉淤阻、络脉绌急、络脉淤塞、络息成积、热毒滞络等八类病机变化”。提出络气因虚而滞 , 是络脉病变由功能性病变向器质性病变发展的早期阶段 。 3. 经络信息传导的物质载体 关于经络信息传递的物质载体也有多种假说见诸文献: 例如,杨威生 推测:经络是信息载体物质扩散的低阻通道 , 经络信息载体物质是组胺,以及经络生物信息放大器是肥大细胞。进而在此基础上又提出关于经络功能的“疏松结缔组织 - 血管 - 神经机能一体化”假说。 又例如,谢浩然 认为:中医的人体经络在皮肤与肌肉和骨骼等器官之间的筋膜间隙中 , 其中有疏松结缔组织、组织液气、能量物质、神经、血管和淋巴等现代医学已知的几种组织结构,这些组织结构共同参与未知的综合功能的系统调控。 另外,非现代医学领域经常以虚代实,以想象代物质,关于经络是“气”之通路的假说和理论,不断花样翻新,充斥书籍刊物,可谓洋洋大观。 以作者的观点:与经络相关的生物信息传导载体,并不虚无缥缈,就在目前已知的理化物质中。归纳总结现代神经生物学的已知研究成果和知识,我们可以看到,生物体内主要有 “ 电信号 ” 和 “理 化物质信号 ” (神经递质、激素、细胞因子、第二信使、代谢产物 等 )这两大类信息传导的基本方式。例如,神经系统的信息传导就是 “ 电信号 ”传导 和 “神经递质 信号 ”传导的精致组合(详情请见现代神经生物学的有关书籍)。 4. 动植物感应性 (经络现象 ) 的普适性 大量事实表明,“经络现象”似乎不仅仅在动物体内存在。 达尔文从进化论的角度推测,动物与植物的感应性应有共同的解剖学和生理生化基础 。 祝总骧通过对哈密瓜和香蕉的研究证明了植物体内也有“经络”的客观存在 。 为了更好地解读上述种种人体经络现象及其特性,下面我们暂时避开高级动物神经系统,看看是否可从植物组织细胞的信息传导机制得到关于经络结构和表象的有益的启发。 二、“ 植物 神经 生物学”及相关研究 高等植物的信号系统主要是指植物体某一部位受外界刺激而发出的或是自行发出的信号,传递给接受信号的靶部位,启动它作出相应的反应 。植物的细胞刚性结构虽然限制了它的活动,细胞膜的功能却和动物的基本相似 。物理性冲击 ( 电流,震击、温度骤变等 ) 或有机溶剂等都会改变质膜的结构,使膜电位发生变化。与动物神经细胞轴突部的电信号传递类似,当刺激强度超过临界值 ( 通称阚值 ) 时,膜电位变化会爆发出电波冲动并伴有生理活性物质的释放,如种种激素、伤素和乙酰胆碱 (一种典型的 动物神经递质 ) 。这种冲动可以实现远距离的传递。膜电位的波动还可以进一步操纵离子通道的启闭,进而,或者继续推进信号在胞间传递,或者在细胞内进行信号转导 。 尽管在植物体内至今没有发现类似动物体内专事电信号传递的神经系统,相关研究早已确切地发现植物体内存在着类似动物体组织内的电位传递。例如, 印度学者 Bose 的研究早就证明了含羞草在无伤害的刺激下就能引发出动作电波的传递来,而且植物体内的动作电波传递基本上遵循动物神经电波传递中“全或无、不应期、调应现象、阴联阳断”等规律 。 这说明动物与植物的可兴奋组织具有共同的电生理基础。轮藻的节间巨细胞就常用来作动物神经纤维的活模型。又 例如,在高等植物中伤害性刺激引起的电化学波的传递则主要是靠细胞的: 1 )局部电流;和 2 )伤素释放,这两种类型(与动物组织信号传导机理相同)的信息传导途径来实现的 。 1. 植物电信号的传递方式 一般来讲,植物电信息传递研究主要可观察到与动作电位相关的动作电波( action wave )和与变异电位相关的变异电波 ( variation wave ) 两种波形 (如 图 1,见末尾附图 ) 。 图 1 高等植物信号传导实验研究所观察到的几种主要波型 。 1.1 . 动作电位的传递方式 1.1.1 . 局部电流式传递(细胞膜去极化相关信息传递) 早在 1930 年 Osterhout 等 就发现,动作电位在柔曲丽藻节间细胞膜上传递时可被氯仿阻断,但如果在氯仿阻碍区的两端用一个盐桥连接起来,动作电位便能绕过此阻碍区,沿膜继续传递。这说明动作电位在植物细胞膜上的传递是通过局部电流循环来实现的。随后 Auger 和 Sibaoka 的实验发现当外界介质电阻降低时,动作电位的传递速度增加,进一步证实了局部电流学说。 Tabata 等 在布氏轮藻节间细胞中,以电桥代替盐桥也证实了 Osterhout 等 的实验。无疑,动作电位在细胞膜上的传递符合局部电流说。 1.1.2 .电偶联式传递 ( 胞间连丝通路相关电信号传递 ) 1955 年娄成后等 将电阻测量和胞间连丝联系起来,发现胞间连丝的存在能使细胞间的电阻大大降低,为电流从一个细胞进入邻近的另一个细胞提供有效通道,从而首先在植物组织中发现细胞间的电偶联现象 ( electric coupling ) 。 在高等植物中,动作电位的传递也可以通过电偶联进行。在含羞草的叶柄中 , 0.0lM KCl 浸泡可使动作电位的速度提高 10% , 0.1M NaC1 可使其速度提高 60% ,这符合电偶联学说 。若用手术的方法切断维管束,动作电位仍可以很快地传过非兴奋细胞 ,这很难用化学递质扩散来解释。此外. Zawadzki 等 在羽扇豆茎中证明,动作电位是通过电偶联从刺激一端跨过阻碍区传递到另一端的。 1.2. 变异电位的传递方式(递质相关信息传递) 1916 年, Ricca 发现伤害刺激 ( 如切伤或灼伤,类似针灸损伤? ) 在引起变异电位传递的同时,可从伤口处释放出某种物质 ( 此物质后来被称为伤素或 Ricca 因子 ) ,可通过非生活组织,并在附近生活组织中引起电位变化。随后 Van Sambeek 等 用从植物中提取的含有“伤素”的粗提液处理离体番茄叶柄基部,发现能引起变异电位传递。近年来,德国有机化学家 Schildknecht 及其研究小组从含羞草和金合欢中分离纯化出类似 Ricca 因子的化合物。对其结构鉴定表明,它是含有 β - 糖苷的没食子酸 ( PLMF ) 。它可随蒸腾流传递至叶枕,导致小叶片合拢,在 10 -5 ~10 -7 mol/L 即有活性。总之,变异电位传递过程中确有化学物质参与。 Ricca 于 1916 年发现伤素物质的存在后,提出了伤素物质随蒸腾流传递的设想,此后 Snow , Van Sambeek 等支持和发展了蒸腾流假说。后来的研究表明,变异电位不像蒸腾流那样只能单方向传递,其传递速率也大于蒸腾流的速率,就拿含羞草来说,变异电位的速率为蒸腾流最大速率的 10 倍,分别为 3 mm/s 和 0.3 mm/s ,因此变异电位的传递与蒸腾流有关,但并不是由蒸腾流所决定的。 此外,任海云等 在利用胞外、胞内微电极及显微注射等方法,研究白花紫露草体内变异电位传递方式时发现,白花紫露草叶片可分为不同的共质体区,在共质体区内,变异电位传递很快,远高于液相中物质的扩散速度(类似中医的‘经’向传递,以下简称‘经向’);而在各共质体区间,变异电位传递出现时间上的延迟,与共质体内变异电位传递速度相差一个数量级(类似中医的‘络’向传递,以下简称‘络向’)。 对于有化学物质参与的变异电位的传递,娄成后 认为是通过如下方式进行的:组织受伤害刺激后释放的伤素物质引起其周围组织的电位变化,电位的突发性变化又引起这一组织伤素的释放,新产生的伤素又以同样方式激发其邻近组织的电位变化,变异电位就是这样以电化学波的方式传递下去。 2. 植物电信号的传递 途径 2.1 . 动作电位的传递途径 大量研究表明,植物茎中的韧皮部和大多数皮层都参与了动作电位的传递。动作电位可以在不同组织中传递,最先, Bose 将电极刺进含羞草叶柄的不同深度,发现韧皮部和木质部都能传递动作电位。 Sibaoka 用微电极配合荧光染料注射方法,发现含羞草叶柄的原生木质部薄壁细胞和韧皮部细长薄壁细胞是动作电位的传递细胞。这些细胞的膜电位较高 ( -150mV ~ -160mV ) ;而周围细胞的膜电位较低 ( 约 -50mV ) 。进一步的研究表明,在茎中则通过维管束中某些膜电位较高的细长薄壁细胞传递(经向),各维管束间通过束间薄壁细胞传递。与之不同的是,在含羞草的叶中,动作电位通过可兴奋细胞,在各个方向上传递(络向)。此外,用微电极技术,也发现在南瓜等具有双韧维管束的植物中,动作电位能沿外韧皮部和内韧皮部同时向一个方向或相反方向传递(经向)。 总之,植物体内所观察到的多元化的组织细胞承担传递动作电位的现象,早已比在动物细胞间的信息传递的研究深入详尽许多,给研究动物细胞间的信息传递作出了极好的提示。 2.2. 变异电位的传递途径 早在 l935 年 Houwink 在区分动作电位和变异电位的传递时就已经注意到,伤害性刺激含羞草引起的动作电位的峰值之后常常出现变异电位。随后娄成后等 利用旱金莲进行叶脉的切割实验,发现灼伤旱金莲叶片引起的变异电位既可沿维管束 ( 叶脉 ) 传递(经向),也可沿薄壁组织传递(络向)。前者的传递速度较快,而这两种传递速度都高得不能靠单纯的伤素物质扩散或流动所能解释.以后,在几十个属的高等植物中都观察到了同样的情况 。在蚕豆和水田芥的茎中也观察到变异电位通过维管束间薄壁细胞传递。 Roblin 等 灼伤蚕豆叶片时发现,变异电位顺蒸腾流传递的速度要快于逆蒸腾流的传递速度.当逆转蒸腾流时,上述现象发生逆转。此外还发现变异电位可以从茎内的一个维管束传递到另一个维管束中,这表明动作电位可横向传递(络向)。研究表明,变异电位的传递可以通过细胞靠电偶联进行,也可以通过化学刺激物质的转移进行。水田芥的叶序为 2/5 ,即第一叶和第六叶、第二叶则和第七叶的维管束连结在茎中的同一维管束上,以此类推。通过维管束切割等实验,研究水田芥各侧枝间变异电位传递的规律时,发现烧伤引起的变异电位在茎中主要是通过分立的维管束独立地在侧枝间传递(经向),并且维管束之间也有电位的传递(络向)。在电位传递过程中.皮层和髓的薄壁细胞都发生了相应的电位变化。 此外,还有实验表明,将植物某一茎段的其它组织剥去,只留维管束,而后刺激叶片,变异电位可从维管束的这一端传递到另一端,从而证明变异电位能沿维管束传递(经向)。进一步切断维管束并在两断茎间套一装水的塑料管,发现变异电位能通过此管传递,证明变异电位可以在质外体间传递 。 综上所述,变异电位的传递既可沿共质体进行,也可在质外体间进行。 3. 植物电信号传递的生理功能 植物电信号传递与植物器官运动、伸长生长、气孔运动、物质代谢等生理功能密切相关 。 Davies 认为植物 电信号的动作电位在生理需要中 有着迅速、无处不在、信息瞬时等特点 ; 此信号可将信息由植物体的一部分带到另一部分,激发植物体产生运动、生长、生理代谢和物质运输等多方面的生理变化,协调植物体内各部分之间以及植物体和外部环境之间的联系 。 Wildon 在西红柿中发现局部受伤可以通过电信号迅速地启动在远处的蛋白酶抑制基因,而这种电信号就是动作电位。最近研究表明植物的电信号在更多的生理功能中起作用,如转录、翻译 、钙离子水平、过氧化 、呼吸 、光合作用 。还有报道认为动作电位与蓝光诱导植物趋光性 、诱导开花 、传粉 、韧皮部运输 、迅速地展开防御有着紧密联系 。 三、 从动物神经进化史看“经络信息传导”现象 经络信息传导研究观察到的诸多表象似乎不仅与植物信息传递的种种表现关系密切,也与初级动物体内的信息传导有着千丝万缕的关系。 1. 动物的神经进化史 单细胞原生动物没有神经系统,如眼虫、草履虫,但它们却能够感受外界刺激,并作出相应的反应。多细胞动物海绵有一个原始的神经系统,该动物神经元之间没有突触性联系,却有感觉和运动的机能。 腔肠动物有双极神经元、多级神经元和来自感觉细胞的纤维组成的通过突触使兴奋进行弥漫性传递的神经网,如水螅和水母。在扁形动物中出现了脑神经结和连接横向神经的神经索。环节动物出现了可以支配肌肉收缩的神经节连成中枢神经链。节肢动物的这种神经链就更趋于集中。 软体动物拥有脑、侧、脏、足四对神经节及其相互连接而成的神经系统,特别是出现了有脑神经节集中组成的脑。脊椎动物的进化主要就是脑的结构与机能的进一步完善。总的说来,动物神经系统的进化就是由弥散、网状、梯形、链状到管状,直至前端分化成大脑的五个部分及大脑皮层 。 2. 从动物神经进化史所得到的启示 细胞是基本的生命单位 , 无论单细胞或多细胞生物 , 细胞活动都是在一定的环境下进行 , 细胞生命活动具有社会性 , 细胞间以及细胞与环境间发生的复杂精细的信息关系即为细胞通讯 。在细胞通讯过程中 , 细胞识别周围细胞或环境中各种信号,并将其转变为细胞内分子的和功能的变化 , 同时以其产物或行为对环境及其它细胞产生影响 。 可以说动物进化之初,在低等动物体内分化程度尚未完善,谈不上什么神经系统,即没真正的大脑、神经元、突触,但是依然可以处理从外界获取的信息,对外界刺激具有直接反应的特性 。单细胞有机体没有神经系统,例如从变形虫这样的动物中我们可看得很清楚,它们的整个生活过程——呼吸、消化、分泌、运动等等都是由它单个的细胞来执行。同时变形虫也能通过对物质信号的反应,完成对外界刺激的最简单的分析,例如离开有害的刺激,而向食物靠近 。 初级动物表现出来的这种信息应答能力 和达尔文所提出的植物“根脑”极为类似,就像植物的根尖一样向营养丰富的地方延伸。多细胞初级动物的感知能力也应该是通过细胞间隙物质传导和电信号传导来实现的。诸如此类的低等动物体内的次级信号传递系统无疑给经络信号传递相关的诸多现象,如 隐性感传、 双向传递 、 跨体节传导 、 低阻高导 、 高氧分压 、高振动声、传输示踪物质、发光和发热等 提供了组织结构和细胞生物学的物质基础。 特别值得一提的是英国关于神经胃肠学领域 的 研究发现 : 人体内具有不依赖于中枢神经系统的肠神经系统 (ENS) ,该蠕动反射能够自主控制并推进食物在消化道前进。事实上早在 19 世纪中期 , 德国精神病医生奥尔巴赫在一次用简单显微镜观察被切开的内脏时 , 就曾惊奇地发现肠壁上的神经元多得惊人,当时他不知道他发现的正是人体消化器官的总指挥部。相关研究发现,当施压于麻醉犬的小肠腔时 , 可导致口侧收缩和肛侧松弛 , 并可检测到一个高强度的电波信号 , 他们称之谓“小肠信号规律”。大量研究还表明,当切断中枢神经系统至膀胱和骨骼肌的联系后 , 所有运动元活动消失 , 而切断中枢神经系统至肠的联系后 , 功能仍然持续。不幸的是这一独立的肠神经系统概念一度被错误地认为是副交感的接替神经元 , 是 中枢神经系统 与肠道的效应器(如平滑肌、血管和腺体)之间的神经通路。这一观点甚至长期成为大多数医学院校教科书中的教学内容 。近年来,美国哥伦比亚大学解剖学和细胞生物学教授 Gershon 又重新研究并 提出了“肠脑 ” 或腹脑的概念,称之为人体内的“第二脑”。这对目前针灸研究发现的“经络 - 脏腑相关”的奇异生命现象无疑提供了极好地诠释。 四、“ 生命信息传导系统集成理论” ( 321 集成理论) 的提出 经络与针灸的防病治病机理是中西医学领域的千古之谜,也是生物医学研究的世纪难题。大量研究表明,生物界中的有机体对于外界环境的感应,不仅在不同 物种间存在着不尽相同的信息传递机制,而且同一个体上也并存着不同级别的信息传递系统。 我们从上述内容惊讶地看到,关于植物细胞组织的信息传导研究远比对动物细胞组织的信息传导研究要成熟和深入,这给我们对经络本质的解读提供了非常重要的启示。一百多年前,达尔文在他的著作 “ The Power of Movement in Plant ” 中就已经提出植物的根部为植物的类似低等动物弥漫性大脑的说法 。后来 Bose ( 1926 年 ) 第一次正式提出了植物神经生物学 ( Plant Neurobiology) 这个概念 。美国的测谎专家 Backster 对植物进行实验研究,于 1968 年在 《 国际超心理学杂志 》 发表了一篇论文题为“ Evidence of a Primary Perception in Plant Life ” ,声称植物有记忆力,有类似动物的感知能力 。 近年来,植物神经生物学再度兴起, Volkov ( 2000 年 ) 对植物韧皮部和动物的轴突进行比较研究显示,植物韧皮部是植物生物电化学脉冲传递的导体,和动物轴突一样是灌满电解质的管道 。 Baluška 等人 ( 2004 年 ) 再次提出植物 根尖大脑样区域 为植物控制中心,起着与大脑一样的作用;认为植物拥有获取信息、学习、记忆的能力;植物可以通过动作电位长距离交流信息;贯穿于胞间连丝的植物肌动蛋白 ( F-actin ) 和肌球蛋白 ( Myosin VIII ) 细胞骨架分子结构为植物神经样突触;以生长素为植物神经递质样信号分子,通过维管组织进行地面生长点与根尖大脑样区域之间的高速的植物神经活动并传递信息 。 Stahlberg ( 2006 年 ) 认为植物神经不但拥有动物神经一样的动作电位( APs , action potentials ) ,还有独特的慢波电位 ( SWPs, slow wave potentials ) 。 Brenner ( 2006 年 ) 等人把植物神经生物学阐述为植物体内以及植物之间的信号传导和处理植物从外界环境获取的信息的机制 。然而近来,“植物神经生物学”概念却遭到了 33 位专家学者的联名文章批评,认为这个概念没有增加对植物生理学、植物细胞生物学以及信号传导的认识;没有充分的证据说明植物体内存在神经元、突触、大脑 。 经历激烈争论, 虽然相关学界目前还不能认可植物和动物一样拥有神经系统,但植物体的种种“准神经系统”功能却似乎可与动物体的某些经络信号现象相互印证,不仅其形态结构和经络系统可以相提并论,其生理调节机制亦如出一辙——“电波”与“递质”两种传导方式相辅相成!从这个生命信息传导的“波粒二项性”角度上来说,人体在经络及其相关系统实施调控的物质基础和理化机理本质已经“呼之欲出”了。 因此我们认为 可以 提出新的“生命信息传导系统集成理论 ”来诠释经络现象,进而 统一动、植物信息传递调控系统。这一理论既可解释动植物神经的平行进化,又可阐明植物的信息处理过程。 宏观上,通过以上对动植物信息传导系统的比较分析,我们可以对生物体内存在的信息传导调控系统进行分类: 1. 神经系统(神经水平); 2. 体液信息传导系统(导管水平); 3. 细胞信息传导系统(细胞水平 )。 首先,“ 神经系统”主要指拥有神经元、轴突、突触和神经递质的种种高速信息传导系统:包括高级神经结构,也包括不受大脑中枢控制的植物(性)神经,甚至还有相对独立自主的低级神经结构(肠脑 等 );其次,“ 体液 信号传递系统”主要包括不具有典型的神经系统的生物体中通过各种生物导管来实现的信息传导,如植物的导管、筛管中传递营养和激素,以及动物体内的血管、淋巴等传递激素和各种信息因子等;再次,“ 细胞信息传导系统”为在进化上 比较初级的细胞信号通讯,主要为细胞之间以及细胞与环境之间的电信号传导和较低速的理化物质信息的传导(见表 1 )。 表 1 生物信息传导系统分类及各子系统(水平)之间的异同 生物学结构基础 信号传递方式 信息传递途径 物种种类 神经系统 神经结构 电信号、化学信号 神经 动物 体液信息传导系统 无神经结构,藉助导管类结构 电信号、化学信号 导管 动物、植物 细胞信息传导系统 无神经结构,不藉助导管类结构 电信号、化学信号 细胞 动物、植物 从上面的表格我们可以看出生物体的信息及其传递主要可分为电信号和化学信号两大类,两类信息传导方式相辅相成,无论是动物还是植物,是高等生物还是低等生物;无论是三大系统中的哪一个子系统都不例外,只是在信号传递的生物结构、途径、速度和物质等方面有所不同。当然不同水平和类型的信息传导可以交叉重叠,也可以互补互扰,还可以相互转变。 应该承认,人类寻找经络解剖结构的努力迄今基本告败,但是大量相关的研究却揭示了在神经传导作用之外的种类繁多的电生理生化现象的客观存在。在对生物信息传导系统分级之后,我们可以清楚地看到针灸等中医治疗措施对于动植物体内的各个水平的信息传导系统造成刺激作用的物质基础。诸多高级神经活动之外的,与“经络”相关的作用和现象,无疑应该属于与所谓“植物神经生物学”相关的“次级信息传导”及其相关作用。 在 “生命信息传导系统集成理论 ”指导下 ,在生物体中“两类型、三水平”的 信息传导物质结构面前, 经络已不再是看不见、摸不着的虚无飘渺的想象,而是有血有肉的有解剖学实体的宏观集成。与之相关的治疗原理和方法也因此可以找到具体的媒介和靶点,且符合生物物理和生物化学的种种基本规律。该理论在哲学上甚而体现了老子所提出的“一生二、二生三、三生万”的从宏观到微观的扩散式思维逻辑。从微观回到宏观,我们由此可以简称该理论为“ 321 集成理论”。生物体内“三水平、两类型”的 信息传导集成最终产生了一个在宏观整体上与经络相关的对生物体造成的防病治病的综合效果。 将上述生物信息传导的“电 - 化学共性”与生物体的差异性和复杂性相结合,我们进而可以理解“经络线”上的:低阻性 、直线 性 、滞缓 性 、自洽 性 、非确定 性 、筋腱特 性 、组织专属性、个体差异 性 、一定的可变 性 等生物医学的集成性状和效应。在哲学层面上,这似乎也可以很好地诠释大量的中医实践所遭遇的经络相关疗法的“不恒定”特征,或称“自洽原理”,所谓“哪里有效就在哪里施术”,又所谓“宁失其穴,不失其经”原则等理论问题。在方法学上,亦可以启迪理解中医在经络相关研究和临床实践中的压法、擦法、刺法、划法、刮法、扭法、振法、拔法、灸法等等千变万化的保健措施的深层内涵。 值此,我们认为科学地诠释经络相关生物学现象的时机已经到来。在“ 321 集成理论”的框架下,我们认为针灸等方法的防病抗病作用,应该是该类措施通过对所有三大信息传导调控系统发生了作用(部分具体生化机理可参见本室相关文章“以现代科学解读中医治本” ),通过电子和化学等物质把调节信号输送至机体各个组织,使得相关联的组织细胞及时地或不及时地做出反应,而使相关区域或病变区域的组织改变内分泌性状、恢复机体平衡和增强应激防御,进而抵御种种病原或失衡造成的损伤积累,恢复机体健康。 参考文献 1 华萍 , 吕虎 , 原林 , 等 . 经络研究的四大主流学派及其分析 . 中 国针灸 , 2006; 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神经干细胞分化示意图
liudongyang 2009-8-14 13:54
本图据综述文献绘制,纯粹娱乐。作者不能完全保证其科学性与严谨性!若转载使用,请注明出处 。
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忙中如何理头绪?
liudongyang 2009-7-12 16:54
暑假不能闲,还有很多事情要做,忙的脚后跟疼,还是心中有火,时时焦虑。 这学期选修了彭克美老师的《神经生物学》,作业还没有交上去。查了一堆文献,思路也理好,一直翻译文献,为综述作业准备材料。昨日见了彭老师只好道歉,请他缓我几日。 试验还算顺利,天气热,培养箱时时报警,空调不能关。细胞小污染,已经有了扩展的苗头,急需遏制。下一步要对细胞鉴定,做免疫组化。实验方案细化拟定与订购试剂都要操心。 借了几本书,也顾不上看了,只好立在电脑一则作为装点门面的工具。原来定下的每天听写30分钟VOA节目的计划也中断了一周,只好泛听,没有精听。 专利材料放这里快一个月,也与科技处的老师见了一面,一直要开工整理材料,却迟迟下不了手。导师问过一次,真怕下次再问,我该如何回答。 分出轻重缓急,我看来每件事都要急着做。分身无术,心火太旺,这不,牙龈溃烂,就差长出水泡了。 怎样安排好这些事?对我来说有些困难。
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仔猪大脑神经元HE切片
liudongyang 2009-5-22 10:43
敬请欣赏,请勿复制
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嗨!我可以为你生成一个祖母细胞吗?
eloa 2009-3-27 12:51
wilddonkey 发表于 2009-03-26 15:12 当不同内容的照片在受试者眼前逐一经过时,研究者们惊奇的发现那个被监测的细胞只对克林顿感兴趣。蜘蛛、蛇、雄鹿、埃菲尔铁塔、白宫、迈克尔 乔丹即便希拉里都不能让这个细胞活跃起来,只有克林顿的出现才会使它不再保持沉默,兴奋不已。同样兴奋的还有研究者们,虽然无法用穷举方式来检验此细胞是否绝对专一,但实验结果很有可能证实了一个在神经科学界备受争议、富有传奇色彩的假说人大脑中存在祖母细胞。 ! Normal 0 7.8 磅 0 2 MicrosoftInternetExplorer4 ! 1969 年,神经科学家杰瑞 莱特文( Jerry Lettvin )在他的感知与认识的生物学基础课上讲了这样一则故事: 在遥远的乌拉尔山脉中住着我的一个堂兄,一个伟大但默默无闻的神经外科医生,名字叫阿卡赫 阿卡诺维奇。他深信人大脑中存在一类特殊的细胞,这类细胞能力超群,每一个都单独代表世界上的一个物体,一朵花、一把椅子、一块毛巾都有与之相对应的花细胞、椅子细胞、毛巾细胞他决心找到一些这样的细胞,为了更有说服力,这些细胞应该代表最具普遍性、最令人印象深刻的物体母亲。很幸运,他确认出 18,000 个只对母亲专一反应的细胞,不管她正在走动还是静坐,展示的是正面还是背影,出现在漫画中还是照片中。 他将所有的数据整理到一起,准备写篇论文,希望能因此获得诺贝尔奖。这时,倒霉蛋波特诺伊摇摇晃晃走了进来,抱怨自己的妈妈总是唠唠叨叨。听到这些,阿卡诺维奇兴奋地搓了搓手,把波特诺伊带到实验台,并向他保证他的痛苦很快就会不在了。 阿卡诺维奇 小心翼翼地去除了波特诺伊脑中所有代表母亲的细胞,在其醒来后,他们之间发生了如下对话: 波特诺伊? 嗯。 你记得你妈妈吗? 什么? (阿卡诺维奇激动地几乎失控,声音开始颤抖) 你记得你爸爸吗? 是的,当然。 那么你爸爸跟谁结的婚? (波特诺伊一脸茫然) 你记得有个人身穿红色外套,脚踩拖鞋在房子里走来走去吗? 哦,当然。 那是谁? (沉默) 你记得你每星期四晚上都会吃的薄饼卷吗? 味道好极了。 那是谁做的? (沉默) 你记得那次恶作剧所引起的尖叫声吗? 上帝!那太可怕了! 是谁发出的尖叫声? (沉默) 自此之后,波特诺伊失去了母亲,虽然她在斯德哥尔摩活得好好的,而阿卡诺维奇则想到了一个新的研究对象祖母细胞。 七十年代,祖母细胞这个词开始出现在神经科学刊物上,如今,你可以在各种介绍神经科学和视觉的教科书中见到它的身影。一切都由那个故事所引发,而莱特文的灵感来自于之前的一系列研究结果,这些结果表明,大脑视觉系统中辛勤工作的细胞们并不是生来平等的,而是在一个等级制度下各司其职。 视觉系统的功能,是由从视网膜到丘脑外膝体再到大脑视觉皮层这条视通路来实现的,视觉皮层又细分为不同的区域,如 V1 区、 V2 区、 V3 区等。视通路中的每一个细胞都拥有一片自己的领地(感受野),并负责对领地内的事务(光学变化)进行处理。如果把眼中景象比作一幅拼图的话,每块图案就是一片领地。细胞们的不平等就体现在领地的大小和复杂性上,视网膜细胞的领地最小,也最简单脸颊上的很小一点,单独来看没有任何意义;外膝体细胞的领地就要大一些,复杂一些了腮上的一块,里面有颗痣;而在视觉皮层 V1 区,细胞领地覆盖的可以是一小片带有胡须的皮肤 沿着视通路,细胞的感受野越来越大,越来越复杂,生物学家们接下来想知道,通路中各层次细胞感受野间的关系是什么样的?胡贝尔( Hubel )和维泽尔 ( Wiese l )在他们 1965 年发表的经典论文中,提出了一个合乎情理的模型:几个视网膜细胞会聚输入到同一个外膝体细胞,此外膝体细胞的感受野是这几个视网膜细胞感受野的集合。比如视网膜细胞的感受野是一个个圆形图案,那么外膝体细胞的感受野就是几个圆形图案拼成的矩形,依此类推。基于如此严密的等级制度,不难想象在最高级的皮层区域内,应该存在一种超级细胞,其领地对应了整个一张脸。 几十年来,越来越多的视皮层区域被确定,尤其令人兴奋的是在猴子大脑中发现了专门处理脸部信息的区域下颞叶皮层( Inferior Temporal Cortex ,位于太阳穴附近)。但遗憾的是该区域内的细胞不够专一,对不同的脸都会做出反应,而且表现出对某部分特征最感兴趣,比如下巴、鼻子、眼睛等等。这似乎表明一张脸是被一组分管不同部分特征的细胞共同代表的,而不是被一个祖母细胞独家包办。 这种编码方式更加符合实际,祖母细胞于是逐渐沦为新思路的旁证和衬托,因此当那个只钟爱克林顿照片的细胞被确认出来时,加州理工学院的研究者们着实兴奋了一阵。不过要说这就是祖母细胞还显得有些证据不足,只有当发现不管正面、侧面、素描、卡通形象、甚至仅仅克林顿的名字都能令其激动不已的时候,我们才放心地认为此细胞代表了克林顿这个概念,很有可能就是莱特文故事中的祖母细胞。只能说很有可能,因为无法证明它的绝对忠贞,不过已经很令人惊奇了,单独一个细胞就可以完成看似非常复杂的任务。 有趣的是,此类细胞被发现存在于海马脑区,该区域与长期记忆和抽象记忆的形成有关,严格来说已不属于视觉系统。位于金字塔顶端的祖母细胞是记忆形成的见证,其所代表的人物必然令你印象深刻,实验所用照片都是名人的,但完全可以断言,与受试者朝夕相处的亲人朋友,都在其海马中拥有自己的代表。 很显然,祖母细胞不会是与生俱来的,在见到克林顿之前,没有理由存在一个克林顿细胞,可能是他在电视上不厌其烦的亮相,和那些令人津津乐道的风流韵事,使受试者的大脑认为有必要为这家伙分配一个专门代表。大脑资源有限,祖母细胞肯定只会因那些最熟悉、最重要的人而产生,所以下次再对某个女孩心动时,把以往的陈词滥调全部扔到一边,让我们来点新鲜的,望着她的眼睛对她说:嗨!我可以为你生成一个祖母细胞吗? 《新发现》2007/4 参考文献: 1. Quiroga RQ, Reddy L, Kreiman G, Koch C, Fried I. Invariant visual representation by single neurons in the human brain . Nature. 2005 Jun 23;435(7045):1102-7. 2. Charles G. Gross. Genealogy of theGrandmother Cell . Neuroscientist. 8(5):512518, 2002. 3. Hubel DH, Wiesel TN. Receptive fields and functional architecture in two nonstriate visual areas (18 and 19) of the cat . J Neurophysiol 28:22989, 1965. 4.Gross CG. Representation of visual stimuli in inferior temporal cortex . Phil Trans R Soc Lond 335:310,1992.
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恻隐之心与公平意识
songshuhui 2008-9-2 15:31
wilddonkey 发表于2008-06-7 星期六 11:45 分类: 其他 | | 该文基本上可以算作一篇杂文,讲的是社会问题。但文中用比较大的篇幅对科学发现做了介绍,对科学思路进行了一定程度上的解释,而非简单地引用来自科学的结果;但又不像纯粹的科普文章那样交代的是一个科学问题,对所引用的科学发现不做严密的科学式的因果分析(指的是内在的逻辑,而非外在的文字形式),有所取舍,有所发挥,意在引出对社会问题的分析,当然,提到的科学结论是可靠的;与时事有关,但又非完全是那种以某个新闻事件为由头,本质是讲科学的科学文章。而是有意脱离一时一事,借助科学来讲社会问题。归结起来,这是一篇四不像,姑且称之为科学杂文。一家之言,抛砖引玉。 科学家做了一个试验,让一群人玩一个投资游戏,每个人都可以给其他人一定数额的金钱,而接受金钱的人有权决定抽出多少利润返还给投资者。科学家往这群人中安插了两个内线,一个扮演公正者,慷慨大方,总是给合作者很公平的回报;另一个扮演骗子,小气吝啬,总是给合作者很少的钱,甚至不给。 游戏结束后,两个内线按计划受了点皮肉之苦遭受轻微的电击,并自然而然地做出痛苦的反应,不知情的其他人会目睹这个过程,科学家则趁机记录下旁观者们的大脑活动,据此推断出他们在看到这两人受苦时所产生的真实感受。当公正者遭受电击时,透过监测旁观者大脑活动的显示屏,科学家做出了判断:公正者的痛苦引发了大家的同情。 之所以不用一个个问过来就认定大家都产生了同情,是因为屏幕上显示旁观者的一个脑区在此刻很兴奋,而该脑区在旁观者自己遭受痛苦时也会很兴奋。由此我们知道了同情产生的原因:旁观者在看到公正者痛苦时,感同身受,自己也感到了痛苦,同情之心油然而生。这种现象在科学上被称作移情作用,另有许多研究已证实,移情作用同样会发生在动物之间,在一、两岁的婴儿身上也会出现。这些证据说明移情作用与理性的思考无关;与后天的教化也无关。 其实关于移情作用,即便科学上不来证明,科学家不做试验,我们也知道有这么回事,而且早就知道,比如孟夫子就说过:恻隐之心,人皆有之。这恻隐之心的意思不就是见到别人痛苦,自己也会跟着不舒服,于是心生不忍吗?孟夫子的这一结论多半来自日常生活的观察,也可能是一个人养浩然之气时突然冒出来的灵感,而科学的好处在于严格证明了这恻隐之心确实是来自先天的本能,与后天的教化无关,饱读诗书之士有之,大字不识的乡野草民亦有之,胸中满仁义的孟夫子有之,脑内空空、天真未凿的婴孩亦有之,确实是人皆有之。 当我们看到别人在痛苦,自己也会跟着痛苦,而感到痛苦要去化解,这也是自然而然的事(有受虐倾向者不在考虑之列)。为了缓解、消除这种由他人痛苦而带来的痛苦,通常我们会采取两种方式,一种是不再去看,转身走开,看不到了,也就不再痛苦了。另一种是去帮助、安抚苦主,苦主受到安慰,痛苦减轻,我们的痛苦也就随之减轻了。 这两种方式都是为了消解痛苦而采取的自然反应,当然,也可以认为是经过一番思考而作的决定,尤其是后一种,更像是久闻教化后的行为:扶危济困,义当所为。于是我们会说,我这样做是因为我觉得我应该这样做,没错,但这应该的背后实是想这样做的纯然的本能。或者说正是因为有了这样的本能,才会产生这样的教化,孟夫子有云:恻隐之心,仁也,这本能的恻隐之心正是道德、教化的根基啊。 好了,借助科学,我们得到了一个可靠的结论:看到别人痛苦会产生恻隐之心是一种先天的本能,而出自这种本能的恻隐之心施以援手也是自然而然之举,不必非要经过后天的教化。由于是出自本能,我们也可以换种说法:人皆有恻隐之心,并因此帮助处于痛苦中的人是一种常理。 上面那个试验我们还没有讲完,遭到电击的有两个人,一个是公正者,一个是骗子,公正者的痛苦引发了大家的同情,而在看到骗子痛苦时,情况发生了一些变化。旁观者的同情心消失了,取而代之的是惬意。 科学家这么判定倒不是因为看见了他们不经意间流露出的幸灾乐祸的神情,而是因为这一次兴奋的脑区跟上次不一样了,不再是那个自己痛苦时会兴奋的脑区,是其他的一些地方。这些地方在你饿极了看到一个美味的鸡腿,并咬上一口时会兴奋;在你行房事,并到达高潮的那一刻也会兴奋,这些地方在科学上被统称为大脑奖励系统。 不难理解,如其名所示,这个奖励系统的作用是在我们行使本能活动如吃饭、性爱时对我们进行奖励,而这奖励就是让我们得到一种愉悦感和满足感,于是我们会再咬一口,再行下一次房事。 根据奖励系统正兴奋着,科学家判断出人们在看到骗子受苦时,内心感到无比惬意。进一步科学家要弄清楚他们为什么会这么惬意,一个推断是幸灾乐祸也是一种需要时时激励的本能,这显然不大对头,因为在公正者受苦时大家都是报以同情的,这个推断不成立,得出这样惊世骇俗的结论会令科学家丢掉饭碗。而将这件事与先前在游戏中跟骗子合作的人都受到了不公正待遇这一情况结合起来考虑,答案就清楚了。 人们先前在骗子那遭受了不公平对待,结果在骗子遭难的此刻,感同身受的痛苦没再出现,取而代之的是心满意足之感。很显然,这是一种报复的快感,如果对人们此刻的心理状态加上一句潜台词的话,会是:活该!报应!简单地加以概括,就是眼见不公者受到惩罚会产生快感,据此我们得到了一个推断:对不公者进行报复是一种需要受到激励的本能,惩罚不公者所带来的快感令我们就像吃饭、性爱一样本能地要去做这件事,实现这种欲望。 不过这个推断也有问题,因为当烟民抽烟、酒鬼喝酒、富有幽默感的人看到一个幽默的段子时奖励系统也会兴奋,也会产生快感、满足感。所以报复不公者的行为也可能并非是生而就有的本能,而是如抽烟、喝酒、欣赏幽默一般是后天学习而来的。好在另有许多科学上的证据证明人拥有先天的公平意识,意思是寻求公平是人类的先天本能,受到不公平待遇会本能地感到愤怒是公平意识的一种体现,那么对不公者进行惩罚会产生快感也可以被视作是公平意识的一种体现。 借助科学,我们又得到了一个可靠的结论:人们本能地要去寻求公平,根本动力来自愤怒和快感,并非理性思考的结果,不必通过后天的学习。 那么怎么实现公平呢?远古的人们大概是这么干的:发现一个家伙做了不厚道的事,比如在他需要食物时,别人都会分给他一份,但当别人需要食物时,他却一毛不拔。大家于是都很生气,愤怒的情绪引发了对其进行惩罚的冲动,惩罚内容视其不厚道的程度而定。最轻的,没收其食物,以观后效;重一点的,不仅要没收食物,还要围着他暴打一顿;还不解气,先打一顿,再驱逐出族群;还不行,直接把他变成食物。惩罚的时候,大家快感临身,惩罚完毕,大家心满意足。 现在的人们可就没这么直接了,比如上面那个试验中的人在发现被骗子涮了后不大可能抄起袖子就把他打一顿,而是多半会不露声色,顶多面露不满。但惩罚的欲望肯定已经升起,所以在那家伙遭了电击后内心无比欣然。而在现实生活中遭遇了不公平,比较严重的不公平后,强烈的寻求公平的本能促使我们一定要去找个公道,去谁那找呢?法律。 我们知道,法律是跟逻辑和理性分不开的,我们也很尊崇这种逻辑和理性,认为法律应该排除感情和情绪的成分,只有这样才能得到一个公平、正义的结果。而现在我们还知道,逻辑、理性的法律归根到底是为了满足人们寻求公平这一本能的情绪上的需求。法律大概是到目前为止实现人的公平意识的最好方式了,不过看似可靠的逻辑和理性有时候却也并不那么可靠,比如当前提是有问题的。 从一个有问题的前提出发,借助严密的逻辑推理,我们最终会得到一个更有问题的结论,甚至是一个有悖公平的结论。而一旦如此,就意味着法律辜负了实现人的公平意识的这一使命。但在整件事中,逻辑是无辜的,搞不好还是被利用的,罪魁祸首是那个前提。 所以前提是否正确至关重要,特别是在以某种常理为前提的时候。因为常理往往是那种难以证明的东西,你可以有你的常理,我可以有我的常理,谁都很难确定无疑地证明对方就是错的。比如你说人性本善,人皆有恻隐之心,援助困苦是自然而然的事;我说人性本恶,人们行善不过是后天教化的结果,一旦教化失效了,人就只会体现出自私自利的本性。我的常理言之凿凿,你恐怕很难反驳吧? 不过好在科学上已经证明人皆有恻隐之心确实是一种本能,于是你现在可以理直气壮一些了,本能的东西可无论如何不能被排除在常理之外啊。因此如果有一个前提是这样一种常理:人只有自私、利己的本能,这个前提肯定是有问题的,在一番逻辑推敲之后,就会得出一个大有问题的结论。而如果这个结论是有悖公平的,就相当于抑制了人们寻求公平的本能,这可跟人们饿了却不让吃饭,性欲高涨却不许行房事一样是很危险的啊。 文中试验出处: Singer T, Seymour B, ODoherty JP, Stephan KE, Dolan RJ, Frith CD. Empathic neural responses are modulated by the perceived fairness of others . Nature. 2006 Jan 26;439(7075):466-9. Epub 2006 Jan 18. 补充: 该试验的参与者有男有女,在看到骗子受苦时,男女的反应有所不同,男人们都产生了报复的快感,而绝大多数女性依然对其报以同情,显得有些妇人之仁。这大概可以归结为人类存在着先天道德的性别分工,恻隐之心主要由女性来承担;公平意识主要由男性来承担,女性本能地要去避免人与人之间的严重的相互伤害,而男性是维护社会公平、正义的主导者。两种先天的道德因素相反相成,相互制约,构成了人类社会的道德基础。 关于人类道德的先天神经机制,可参考《新发现》 07 年 8 月刊《道德的动物》一文,文中对移情作用和公平意识做了详细的介绍和阐释,结合本文里对奖励系统在公平意识中所起作用的解释,会对道德的先天机制有一个更为全面的了解。 标签: 公平意识 , 恻隐之心 , 神经生物学 , 科学杂文
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