2014諾貝爾獎「大腦GPS系統」的發現在神經科學領域屬於什麼水平?在同領域還有哪些可與之相當的重大成果? | 知乎問答精選

 

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2014諾貝爾獎「大腦GPS系統」的發現在神經科學領域屬於什麼水平?在同領域還有哪些可與之相當的重大成果?

2019年03月16日 知乎問答精選 暫無評論 閱讀 3 ℃ 次

【張托洛夫斯基的回答(21票)】:

免責聲明:初生牛犢不怕虎,在科學殿堂裡剛入門或者連門都不一定摸準的人來談論諾貝爾獎,那絕對自找打臉。只可惜這個問題擺了好久了,關注者多,回答者寡。我就自告奮勇當當炮灰吧,希望各位感興趣的夥伴們指正。

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2014年諾貝爾生理與醫學獎授予了認知神經科學家對於大腦空間記憶的生理基礎的研究。如問者所述,這個研究由自成體系的兩部分組成:1. 位置細胞的發現;2. 網格細胞的發現。對於這個研究到底是什麼,果殼網已經有比較易懂的詳細闡述,在此我就不再重複。剛興趣的小夥伴可以考慮看看以下兩個鏈接:

【2014諾貝爾獎】生理學或醫學獎深度解讀:大腦中的「定位系統」

【2014諾貝爾獎】生理學或醫學獎揭曉

(圖片引自果殼網)

以下的邊幅主要關注兩個主要的問題:

1. 這一發現在神經科學領域屬於什麼水平?

我覺得這個問題不能局限在單純的神經科學領域,因為海馬神經細胞分子甚至基因層面的進展已經非常成熟,單純從神經科學方向上繼續深挖,對基礎生物理論的貢獻恐怕有限。這個研究的巨大意義更在於認知神經科學領域。很多小夥伴問認知神經神經科學領域研究什麼?它的基本目標和原則是什麼?這些問題,在知乎的其他問題裡,我嘗試了一些簡要的闡述。認知神經科學有哪些研究領域? - 知乎用戶的回答; 認知神經科學的基本原則是什麼呢? - 知乎用戶的回答。 歸根結底,其實就是理清大腦心智的關係。而這個研究可以說是徹底地從細胞分子,神經元回路,以及結構系統方面,直接回答了大腦對位置記憶的編碼,加工,存儲,以及運用的問題。從大腦到心智過程,再到行為結果,這一系列的研究非常精細。原問題是在問「屬於什麼水平」,回答一定是最高水準,不然怎麼拿諾獎呢?關鍵是要理解為什麼它就是最高水準,它的標準在哪裡?我個人覺得,它的成功在於無限接近認知神經科學研究的終極目標:弄清楚基礎的神經活動如何支持複雜的心智過程(以位置記憶的研究為切入口)。

然而,這意味著人們對大腦如何處理時間和空間信息完全理清了嗎?換句話說,我們真的弄清楚海馬結構在幹什麼嗎?就在諾貝爾獎委員會授予這個研究成果的2014,在Nature Reviews Neuroscience和 Neuron 上研究者發表了對與海馬結構與功能的思考。除了空間定位(類似GPS的功能之外),海馬結構中還有與時間加工有關的細胞。這種神經元讓我們能夠感知時間的流逝。如果考慮到海馬在情景記憶中的特殊作用,是不是意味著海馬這一結構支持了人類對時空信息的感知和記憶?更推進一步的話,如果吧時空信息看作是事物之間的相對關係,那麼海馬系統是否在更廣泛的以上加工各種信息之間的相對關係?

圖片引用自Eichenbaum, H., & Cohen, N. J. (2014). Can we reconcile the declarative memory and spatial navigation views on hippocampal function? 圖片引用自Eichenbaum, H., & Cohen, N. J. (2014). Can we reconcile the declarative memory and spatial navigation views on hippocampal function? Neuron, 83(4), 764–770.

doi:10.1016/j.neuron.2014.07.032。學術發表和商業用途需徵詢版權所有者同意。

可見,學界對於海馬的結構和功能還沒有完全達成一致。然而,這並不意味著各種觀點之間是相互排斥的。相反,新的觀點通常在更廣泛的意義上包含了舊的觀點,給舊的觀點限制一定的適用範圍。就像愛因斯坦提出相對論,也沒有否認牛頓力學在低速時空裡的適用性。總之,探索無止盡,總有一天,我們會知道更多大腦的奧秘。

Eichenbaum, H. (2014). Time cells in the hippocampus: a new dimension for mapping memories. Nature Reviews Neuroscience, 15(11), 732–744. doi:10.1038/nrn3827

Eichenbaum, H., & Cohen, N. J. (2014). Can we reconcile the declarative memory and spatial navigation views on hippocampal function? Neuron, 83(4), 764–770.

doi:10.1016/j.neuron.2014.07.032

2. 在同領域還有哪些可與之相當的重大成果?

想要探討大腦的奧秘,達到重大成果,必然離不開合適的工具。特別是在認知神經科學這種交叉學科領域中,各種技術日新月異。我和許多老師同學同事一樣,相信下一個認知神經科學領域的突破將出現在對光遺傳學技術(Optogenetics)的發展和應用上。

在以前的回答中,我曾經提過

  • 「寫入」大腦的指令:既然我們能夠解碼大腦的指令,那麼我們能夠通過一些手段,給大腦寫入指令,讓人們的心智過程發生改變呢?這些場景通常出現在科幻小說裡面,像《三體》裡面出現的「思想鋼印」,讓大腦植入某個意念或某段記憶,怎麼也揮之不去;或者通過神經藥物作用,精確地切除大腦的某段記憶,從而讓人沒有煩惱和憂愁。。。這些研究領域太玄乎,然而,經顱電磁刺激的出現讓這個方向貌似有了一點點的突破。在可預見的未來,神經藥物的使用或者能夠產生更加令人不可思議的成果,我期待著,你呢?

其實,在動物模型上,研究者一經成功地運用光遺傳學技術高精度地控制動物大腦的神經活動,從而改變它們的行為。關於什麼是光遺傳學技術,我在文後引用了《自然》科學雜誌2010年度科學方法的介紹視頻,小夥伴們當練聽力,自己瞭解一下。其基本的要義是通過基因植入的方法,讓大腦裡面特定的神經細胞表達光敏蛋白通道,然後讓只要通過照射頻率的光,就可以控制神經細胞激活或者抑制。這種精度可以達到特定的神經細胞,並且在毫秒級別的時間精度。例如,下圖的例子,照射綠燈,某神經細胞的活動受到抑制。注意時空尺度的標記。

圖片來自網絡圖片。

利用這種技術,研究者能夠真正地準確地控制特定的神經細胞活動,從而論證從大腦到行為的因果關係。這種技術是不是能夠讓研究者更加接近認知神經科學的終極目標?最近有一個非常有趣的研究是,研究能夠通過激活記憶以及情緒活動的特定腦區,讓大鼠把恐懼的電擊以及變成令它愉悅的與異性相處的記憶,或者把令鼠愉悅的異性體驗記憶,變成恐懼的電擊記憶。更多信息,請閱讀:Redondo, R. L., Kim, J., Arons, A. L., Ramirez, S., Liu, X., & Tonegawa, S. (2014). Bidirectional switch of the valence associated with a hippocampal contextual memory engram. Nature, 513(7518), 426–430. 下一步的進展,應該是從大鼠到靈長類動物,然後到人類的推廣。

考慮到這種技術對推動理論進步的巨大前景,諾獎或許不再是噱頭,因為這種技術以及它所帶來的精細的研究必然推動人類對大腦與心智關係的重大突破。

小結:

正如我以前的回答,認知神經科學是一個未知而令人神往的領域。作為一剛想入門還不一定摸準了門的初生牛犢,我痛並快樂著地學習各種新的東西。這裡所講的東西,大部分和我的研究沒有直接的關係(除和海馬部分有相關)。然而,保持一個開放的心態以及學習的狀態,百益而無一害。所以,我就以學習總結的心態,完成了這個回答。如果描述失當,歡迎真正運用這些技術或在這個領域的同儕指正。謝謝。

光遺傳學介紹視頻

Method_of_the_Year_2010_Optogenetics http://v.youku.com/v_show/id_XMzAxNDc2NTc2.html

【知乎用戶的回答(0票)】:

Gerald Edelman提出的 神經達爾文進化理論(Neural Darwinism).

描述了大腦內模式(神經連接模式)的複製與進化與達爾文進化方式相似。提出了大腦內知識與智能的變化過程有可能與自然選擇與進化論有著異曲同工之妙。

標籤:-神經科學 -認知心理學 -2014年諾貝爾獎 -認知神經科學


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