《神经生物学导论》的导论

前言

神经生物学是有关人类本质的科学，因为其核心是研究脑和神经系统，而人类最有特征的本质都是脑功能的表现。

神经生物学既古老、又常青。早在科学出现之前就有人好奇的一些问题，比如“灵魂”的本质，正是神经生物学今天还在研究的问题。以柏拉图（Plato，公元前427-公元前347）为代表的一派认为思维的器官是脑，而以亚里士多德（Aristotle，公元前384-公元前322）为代表的一派认为思维在心，引发了长期的心脑之争。从思辨到实证研究间隔了逾千年，达芬奇（Leonardo Da Vinci，1452-1519）在15世纪做过有关神经系统的实验，笛卡尔（René Descartes，1596-1650）在16世纪对视觉信息传递的初步有正确的推论，维萨留斯（AndreasVersalius，1514-1564）在16世纪对神经系统有过很好的解剖分析。到19世纪，以西班牙的卡哈尔（Santiago Ramón y Cajal，1852-1934）为代表的科学家才将神经生物学带入现代，至今不过百余年。

现在，人类了解神经系统的解剖结构、细胞类型及功能，神经信号传统的化学分子组成及其部分功能，简单行为的部分机理。但对于绝大多数显而易见的重要问题，如语言、思维、意识等，目前科学仍知之甚少。甚至可以说，对于其中一些问题，神经生物学的研究尚未找到任何线索。这既表明这门学科仍处于初级阶段，也预示着它具有远大的发展前景。既然一些显而易见的问题都还有待解答，那么可能一些迄今还想不到的问题，需要未来很多很多代之后的神经生物学家来提出和回答。相比而言，大多数目前存在的其他学科，那时是否还有悬而未决的问题，就很难说，恐怕有些学科早已因研究透彻而不复存在。从这个意义上来讲，神经生物学很可能是最后一个伴随人类的科学领域，因为只要人脑还在，人类就会一直对自己好奇，而人脑不在之后的生命，产生的“科学”也谈不上任何人类意义。

神经生物学的研究包罗万象，虽然迄今多局限于一般的生物学内容，但已涉及心理和认知的实质，也有涉及决策方面的如“神经经济学”。而人脑的产物，如人脑支配的各种活动、社会科学、自然科学等，都将逐渐成为神经生物学的研究对象。即便是一般认为由肌肉主导的体育运动，其神经控制机理也非常重要。而在本书第一版的写作过程中，诺贝尔物理学奖颁发给了两位神经计算学家，出人意料地将神经生物学影响的范围推广到目前绝大多数科学家的想象之外。

神经生物学的研究方法迄今仍以还原论的途径为主。它揭示神经冲动的本质是电信号，严格遵循物理化学的能斯特方程；神经纤维传导信息是电活动的扩散，局部离子通道的开放和关闭导致局部电流的产生而传导动作电位；神经元之间、神经元与下游靶细胞之间，则主要靠化学分子传递信息，从一个细胞弥散到下一个细胞的神经递质作用于后者的表面受体，引起新的电位变化。这一“电-化学-电”的过程是脑内信号传递的基本模式，而对其各种调节，信号传输的组合、串联和并联加工，组成了多彩多姿的思维世界。神经生物学的发展历史告诉我们，脑和神经系统的规律完全没有超出物理学和化学的基本规律，所以没有超自然的内容，无论多么神乎其神的现象，其机理都可以通过科学研究不断深入理解。

神经生物学的发展融合了多个学科的研究方法与技术，给交叉研究提供了广泛而深远的适用场景。除了遗传学、生物化学、分子生物学、细胞生物学、发育生物学等生物学领域外，化学和物理学等学科的理论和方法也长期被应用于研究神经生物学问题。例如物理学助力神经生物学揭示了生物电的现象、规律和功能；核磁共振成像用于研究活人的脑功能机理。反过来，神经生物学的研究也促进了其他学科的发展。例如伏特（Alessandro Volta，1745-1827）对神经纤维上生物电的理解启发了他对电池的设计和发明，也就是说，对蛙的神经生物学研究推动了人工能源的诞生。神经生物学对于光学成像的需求，推动了成像技术的进步。神经生物学和计算机科学的交叉，促进了最新一代人工智能的诞生。

神经生物学的综合研究模式方兴未艾，任重道远。例如，我们已揭示色觉在视网膜感光细胞上的第一级分子机理，但还不理解色觉在脑中的知觉形成机理；我们已理解初级运动皮层对外周肌肉的控制机理，但尚不清楚思维如何影响运动。未来要有效推进优于还原论途径的研究，神经生物学需要与心理科学、认知科学、统计学、计算机科学、人工智能等学科更多地互相交叉，方能相得益彰。这需要更有效的方法、更复杂的分析，也需要更多的人才。

尽管迄今发展有限，但神经生物学研究已经带来了对一些疾病的认识甚至是诊断和治疗的方法。例如，理解了交感神经系统如何通过去甲肾上腺素影响心跳和血压，人类设计出了药物治疗高血压，让数以亿计的患者得以长期生存。对于帕金森病，明确了多巴胺能神经元死亡是患者出现运动障碍的原因，于是服用左旋多巴可以有一定治疗效果。然而对于大多数神经和精神疾病、心理异常、认知障碍，包括大多数智力低下、智力超常，我们都还是知之甚少，甚至一无所知。同样，这意味着我们的学科还有漫长的道路，还需要源源不断的人才投入。

本书的作者旨在为大学本科生介绍神经生物学，激发同学们的兴趣，使他们初步了解神经生物学目前的概貌，理解基本原理，知道迄今研究的基本方法。在此基础上，同学们可以根据不同的目标而有进一步的学习。对于应用和临床，还有其他专业书籍可供参考。对于神经生物学的专门问题，应积极研读相关科学文献。对于未来，回答问题的最佳人选将是一代又一代新生的神经生物学家。

本书的绝大多数内容是国外科学家研究的产物，我们享受的是全人类共有的智识结晶。值得一提的是，我国即便是在生活艰苦的时代、研究条件很差的时代，也有过重要的神经生物学发现。而今天，我国正在经历很大的变化，出自我国的科学研究正越来越多地走向世界。我们相信，我国的神经生物学研究也将产出供全人类共享的结果，本书将来的再版一定会越来越多体现来自我国的高质量研究成果。实现这样的愿景，不能简单归因于我们的条件改善、经费和人员投入增加，也不在于追求学界地位或社会回报，而是有赖于越来越多的中国科学家（特别是未来的神经生物学家）对真理的探寻、对自然奥秘的好奇心、对改善人类健康和智力的责任心，在高尚的目标影响下，在平静的环境中，进行扎实、卓越、有趣的工作。届时，不仅本书的内容将被不断更新，而且全人类受益于我国神经生物学研究成果的时代也终将到来。

参考文献

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该文为旅加意大利外科医生介绍达芬奇对灵魂的探索。

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该书为法国大学者笛卡尔对灵魂的思考。

Descartes R. De Homine Figuris, et Latinitate Donatus Forentino Schuyl. Leyden:Moyardumand Leffen, 1662.

该书为笛卡尔著的《论人》，其中有对神经连接的理解，部分准确，部分错误。

Galvani L. De viribus electricitatis in motu musculari commentarius. De Bononiensi Scientiarum et Artium Instituto atque Academia commentarii, 1791, 7:363–418.English translation (Commentary on the effects of electricity on muscular motion) by Margaret Glover Foley. Norwalk: Burndy Library, 1953.

该文为意大利科学家伽瓦尼研究生物电的论文。

Helmholtz H. Messungen über den zeitlichen Verlauf der Zuckung animalischer Muskeln und die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Reizung in den Nerven.Archiv für Anatomie, Physiologie und wissenschaftliche Medicin, 1850,276–364.

该文为德国医生、物理学家、生理学家赫姆赫兹改进检测动作电位的仪器、检测动作电位的传播速度的论文。

Nernst W. Die elektromotorische Wirksamkeit der Ionen.Zeitschrift für Physikalische Chemie, 1889, 4:129-181.

该文为德国物理化学家能斯特提出能斯特方程式的论文。

van Leeuwenhoek A. An extract of a letter from Mr. Anthony van Leeuwenhoek, Fellow of the Royal Society, concerning the parts of the brain of several animals.Philosophical Transaction of the Royal Society of London, 1695, 15:883-895.

该文为荷兰科学家列文胡克观察脑的论文。

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