Cell五十年特刊丨不断扩大的神经科学世界

文摘   2024-12-06 10:05   湖北  

神经科学的核心就是研究神经系统以及神经系统如何操控生命体,从简单的感知周围环境到调节呼吸以及设计复杂的技术来探索宇宙。如今科学界已经越来越意识到神经系统如何运作以及生物学其他方面整合的复杂性。在Cell成立50周年特刊,对神经科学的建立进行了回顾,并展示了有关大脑其他领域的快速发展。


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神经科学的不断发展

受到此前科学家将神经元作为大脑基本细胞单元的启发,20世纪的神经科学专注于了解神经元通过突触发挥的作用。对神经元细胞的了解局限在认定其涉及健康和疾病相关的特定神经元蛋白和基因的研究。20世纪80年代,研究发现了Prion疾病的病原体,确定了其感染的生物学原理。这些概念对我们如今认知病理蛋白聚集作为特征的广泛神经退行性疾病产生深远影响。关于特定基因在遗传疾病中的因果关系有进一步的突破以及气味、味觉、触觉和感受受体的识别,以及离子通道结构、突触可塑性机制和膜融合分子机制的发现,进一步解开了神经元如何工作的谜团。

特刊中,中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心学术主任蒲慕明院士应邀发表回忆性专文:“追寻问题”(In Search of Problems)。追述了五十年来追寻重要科学问题的心路历程和一些关键事件,简述了神经所25年来的发展以及开展非人灵长类领域研究的经历。

图1.追寻问题

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技术进步加速神经科学研究

关键技术的进步已经彻底改变了神经科学的研究,从测量乌贼的巨大轴突的动作电位开始,电生理学的介入使得对神经元的生理特征和在特定回路或行为中的参与进行了全面研究成为可能。后来光遗传学的出现,使对神经元的高精度操纵成为了可能,通过对特定目标中光敏的操纵,以探究特定神经元在正常和功能失调中的因果关系。最近兴起的单细胞组学,进一步推动了组学革命,为我们提供了模式生物、人类和不同稳态、发育以及疾病背景下的神经元图谱。

图2.脑-血管-免疫的相互作用或改变神经系统疾病治疗

如今对于大脑的研究已经远远超过了神经元的范围,对于其他细胞的探索正在推动新的中枢神经系统的概念的形成。而这些认知对于我们解决精神疾病具有重大意义。

图3.通过神经科学理解精神疾病

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下一代技术对神经科学的意义

对于大脑的认知还是取决于系统和认知神经科学,以解析大脑区域、神经元回路和如何动态地响应和控制特定行为。多年来,大脑如何学习、记忆和建立外部世界的表示启发了许多神经科学家,但是如今人工智能(AI)和机器学习为代表的计算神经科学的出现变个性的加速对于神经科学的研究,我们更加深刻的了解大脑如何编码和解码信息从而执行功能,以及创新数学模型的应用如何让我们更加接近真实的大脑计算。

图4.神经科学和人工智能的未来

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人脑的进化

在自然界中,智力使动物能够在复杂环境下生存和繁衍。但是目前的理解还是主要来源于还原论方法,这些方法专注于非常具体的且通常是人为的行为。人类的智力是我们与近缘物种的区别所在,但是我们如何发展到这一步?动物的神经系统是如何演化出具有独特结构和认知能力的复杂人类大脑。

人类大脑结构和功能的进化造就了我们特殊的认知能力。这些变化是如何在基因和功能上发生的,一直是个未解之谜。然而,新的方法提供了大量有关基因、表观遗传学和转录组学差异的信息,这些差异使人类大脑与众不同,当基因操作成为可能,在于多样化模型结合,从机制上揭示基因层面的进化变化是如何导致发育和功能上的关键差异,将揭示人类进化的独特性。

图5.大脑的进化


·总  结·

神经科学虽然还有许多关键问题尚未解决,但是新的工具、新的技术以及新的观点正在改变我们解决这些问题的方式。如今,神经科学领域已经与其他领域更紧密的交叉,包括免疫学、癌症等等。对于神经系统的研究现在已经不再局限或更为广泛,这些广泛并没有降低神经科学研究的重要性,反而加深了我们对于神经系统的理解以及了解其调控几乎所有生物过程的影响。


参考文献:

[1]Cell editorial team (2024). The expanding world of neuroscience. Cell, 187(21), 5797–5798.


专刊主页:

https://www.cell.com/cell/issue?pii=S0092-8674(23)X0022-1#


撰稿|张佳诚

审核|郭孟齐

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