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主动思考和被动思考 有两种学习或者思考的情况，我们应当加以区分。我们可以将这两种情况一个叫做主动学习，一个叫做被动学习。或者我们可以说一个是宏观的长期的，一个是微观的短期的。当然，他们相互渗透，不可能简单归类。但是应该意识到此间的区别，这对我们平时读书用脑都有帮助。 主动思考可以是一个很广泛的概念。广泛到可以包括一个人为自己人生规划所做出的思考的总和。我们在成长过程中，随着自身心智慢慢成熟，开始有着自己对自己的思考。这些思考一般是来的越早越好。主动思考的一个例子对自己职业生涯的规划，这本身就是个浩大的工程。我们想做出真正合理的判断，往往需要集中很多方面的思考。其中包含我们的经验，我们的知识体系，我们的生活环境，甚至还得将自己的独特的有别于任何其他人的特点仔细考虑进去。但是这个例子太过庞大，没法一概而论。另一个是学一门外语，也是一个主动思考的好例子。总的来说，主动意味着你必须有统筹规划的能力，用耐心和毅力给自己做保障，而且还要很勤奋。当然，主动思考所带来的回报也最大，它真正可以改变我们的精神面貌乃至提高整体素养，从而达到教育的真正目的。 而另外一个方面，我们每天所面临的实际上都是被动思考。我们不得不面对一个个很具体的问题，这些问题常常不由我们选择。我们实际上花费大量力气做的事情，有时候不容易直接看出与长远的未来目标有什么联系。比如，我们为了学外语，实际上做的却是参加各种各样的外语考试，而考试是典型的被动思考和被动学习的例子。我前不久刚刚参加了托福考试，我尽管觉得托福考试是一门设计的极其合理的考试，但是也避免不了这样一个普遍的事实，那就是，过分强调考试实际上阻碍了学习进程本上。但是，由于考试有确定性的目标，有可以遵循的‘高效’的复习方法，这些常常会给我们带来误解，以为这些是学习和思考的真正目的。这样的误解越深，造成的影响越坏。 被动学习还有一个特点，那就是可以允许一个人在短期内思想很懒惰，却可以达到一定的学习效果。我们说，当我们预备花费几个小时背背单词的时候，其实每个人的效率都差不多。（我从来不相信有些人记忆力超常这种传说。）纯粹的记忆作为一种用脑过程，其实是最低级的用脑过程。但是它的简单又给了人们犯懒的机会，实际上蕴含着一种危险，那就是，对很多人来说，此类学习过程实际上充斥了他们几乎全部学习时间。我这样说是有很多现实的基础的。且不说做学生的偷懒，让做什么就做什么，觉得只要时间花费了便心安理得；即便是名牌学者教授，也得时刻提醒自己不要落到这样的低效的思考中去。人的惰性是个大敌。举例说，我学英文十年有余，前期主要都属于非主动的思考，实在是浪费了很多的时间精力。 即使教育体制十分的完善，教师水平十分之高，所带来的优势也仅仅在于同在被动思考前提下能提高效率而已。其实对主动思考没有直接的帮助。我们可见到很多学生一旦离开老师的帮助，便没有了自己的主见，便是这种情况。主动思考靠得是主动，这是一个自己教育自己的过程。 而生活中更多的情况是两种思考都结合在一起的。我们常常会为了一门考试集中突击；而但凡是上过大学的朋友都知道，突击时候我们可以达到很高的学习效率。这一般来讲当然也是有益于主动思考能力的培养的。回过头来，我们在主动的学习和思考过程中，如果能刻意的把复杂艰巨的任务分化成一些阶段性的任务，而对每个任务做出详细的要求，把它变成被动的思考，这又反过来对宏观规划甚有益处。

为什么做不好做不成 那些凄凄戚戚，一心只‘想要朋友’的人，从来结交不到朋友。——C.S.Lewis, ‘四种爱’ 我对生活一直有一个困惑，就是我发现下面的事情十分的普遍。当人们集中他们所能集中的一切力量，排他的做一件事情的时候，往往结果是做不好，这跟他们的预期恰恰相反，跟他们的投入相比十分不对称。从我整个成长的过程中，我在身边便看到了很多很多这样的例子。 在上大学之前，我身边的几乎全部的同学都把那么多精力投入到准备高考中去，包括那些所谓的‘学习不好’的孩子。他们也每天花费大量的时间学习。甚至我还了解到一个更极端一些的例子，这个一个跟我差不多同龄的孩子。他因为高考失利而反复重考，有时候会读上几年，但是遇到不如意又走回头路。去年，他放弃一切重新参加高考，依然成绩不甚理想。而他的母亲一直采取陪读的策略。结果，数年的大好光阴全部浪费在准备一个无聊考试之上。这基本上是一个悲剧。我之前想这个问题的时候，很简单的把原因归结到学习效率低下和长期的逆反情绪。当然这些都是正确的原因，但是并不是很深层次的原因。 我们换一个角度，再说说那个母亲，当她每天为孩子陪读，把自己的其他一切都放在一边的时候，她似乎觉得自己已经给了孩子那么多，他想不透为什么孩子那么不争气？其实这在中国是一个很普遍的事情，有很多家长把一切都给了孩子。他们从不让孩子做任何学习以外的事情。他们给孩子做好后勤工作，一定要让他们‘饭来张口，衣来伸手’，——顺便说一句，我们多年都喜欢因为这个结果批评孩子，但是显然不是他们的错。——当然，既然你已经什么事情都不用管了，那你还不把成绩搞好？这些家长的生活完全围绕着他们的孩子。他们自己的一切都不重要，潜意识中表明自己为你做了这么许多的牺牲，你难到不知感恩？还考这样的烂成绩？我相信这样的家长在我很近的身边便有许多，而下面这个虚构故事中的主人公简直就是在描写我的一位长辈。 C.S.lewis在‘四种爱’中曾经举过这样一个例子：当菲吉特太太去世的时候，他们全家精神大振。每一个成员，都一改原来阴郁的面容，甚至向来十分不可理喻的，也开始有了人情味。菲吉特太太生前常常说自己为家人而活，她可称得上是一位‘贤妻良母’！她心中没有自己，她不辞辛劳的给所有人洗衣服，即便他们有钱拿出去洗。他永远给家人费尽心力的工作，给他们热饭，尽管他们几乎含泪的真心抗议，说自己喜欢吃凉的，也毫无用处。如果你深夜未归，她就坐在那里‘欢迎’你回来。哪怕是深夜两三点，也照等不误。你永远可以看到那张虚弱苍白的脸，就像是无声的控诉。她不停的做手工，而除非你没有良心，她做的衣服你不敢不穿。她还对家人的健康特别的关心。她独自扛下了女儿‘体弱多病’的重担，在她的心里，女儿的病不需要女儿自己负责，她只要感恩的接受照顾，爱抚和特殊的饮食。 而看着老母亲如此的辛劳，家人只能帮忙。他们帮助她为自己服务，而他们却不需要这种服务。这已经变了性的爱早已成了一种负担，而菲吉特太太死后，就连‘他们家的狗走起路来都有了精神’。Lewis说，母爱的本能天生就有产生此种情况的倾向，因为这种爱的目的是自身的消除。这个解释很深刻，也很大程度上解答了我的困惑。但这个解释也只是针对这一个现象的解释，就好象对长期努力又得不到好成绩的学生，效率低下虽然是个正确的解释，但对于我，仍然无助于理解背后的深层次的原因。 我又想到一个例子。一年之前，有一位小我几届的女生告诉我她要增加自己的‘人文素养’，于是她逼迫自己读书和学习几个乐器。这本身是很好的事情。但是我却发现这种素养并不是真正简单培养出来的。很多小孩子很小被逼着学这学那，却常常造成他们成年后对人文学科的反感。人文（arts）本就是我们生活的一部分，如果热爱生活，对他人有足够的关怀，我们就会很自然的变成熟，很自然的懂更多道理。知道有一天你觉得有必要把一些感悟讲出来写出来，写的好的，感悟的深的，在旁人看来就成了‘人文素养高’。更有甚者对人文大师的评价居然是：‘口才真好。’这个评论让人哭笑不得，它反映了很多人真实的心态。这些人纯粹为了人文而人文，用一句上点档次的话来说，就是附庸风雅。 当很小的孩子吹牛皮说他读了多少本名著的时候，我们知道其实他即便是读了，也跟没读过区别不大。我小时候度过鲁迅，但是那时的我怎么可能会真正的理解。而今再读鲁迅，看到他犀利的匕首和投枪放到今天也依然很有力量很有意义的时候，我恨不得把之前读过的内容再通通重读一遍。卡尔维诺在‘为什么读经典’中说：‘我们少时所读的东西，往往意义不大。’我讲的有点远了，但是我发现有时候我们做事情做不成的原因是时机不对，我们如果是入门者，就不要装作专家；揠苗助长有着很隐蔽的形式。如果我数学基础并不扎实，让我去读很深的理论譬如说‘庞加莱猜想’的证明，即便是背下来也是空耗力气，这是完全一样的道理。 就在前些天，我的一个朋友还因为一个破托福考试一而再再而三的折磨自己。当他把几个月甚至半年的时间全都放在一门考试上的时候，却压力过大反而提高不了成绩。类似的故事太多了，多的不可计数。学生们一心想考上名牌的大学，但多数不能如愿，如愿的是那些较早懂得了教育的目的孩子（他们自己都未必知道）；商人们一心想发大财，但是多数不能如愿，如愿的是那些只是要把事业做好的企业家（我只讲一般来讲的情况）；学术圈子里，这个现象更加普遍。没有哪项学术研究是发发狠劲就能拿下来的。我们的教育在这方面的误导太严重了。当牛顿或者爱因斯坦废寝忘食的时候，那是因为他们投入进去了。仅仅故意消防他们的表面，仅仅不好好吃饭不好好睡觉，最后除了破坏健康之外，难道科研成果自己就出来了？我们必须分清先后关系，看明白表面和内在的联系。当我写这篇文章的时候，我的专注事实上便耽误了自己一点吃饭的时间。但是不好好吃饭只会对节食者才可能有意义。 上面的种种有一点是共通的，当事人没有用自己的脑子思考问题。中国人的教育最可悲的一点就是从来不鼓励学生主动思考。主动思考很难，我以前曾经写过一篇有一点晦涩的文章，想就我自己的理解，试图说明主动思考和被动思考的区别。很多人的生活有某种模式，他们一辈子都不打算破坏这个模式。一个人长大后所受到的教育如果跟这种模式相排斥，他们也会刻意的装作看不见。这本质上是懦弱者的表现。突破模式的限制，被高考折磨的孩子会找到更有意义的事情去做；过度关怀孩子的家长会意识到自己应该去丰富自己的人生；任劳任怨的老母亲可能不再强求家人听从自己的安排；而勇敢面对生活，从阅读中寻找答案也是一个人接受高等教育，提高人文素养的最佳途径。 人生陷阱太多，并不是埋头苦干便一定有所成就。原因很简单，如果漫无目的的你埋头挖坑数十年，除了身体上有了锻炼之外，实在不见得还有什么意义。我们能吃苦当然是成功的必要条件，但它不可作为安慰自己的借口。不怕苦不见得非要找苦吃，吃苦时一定要问问自己是不是值得。花费个三五年想清楚事情再做，总比辛辛苦苦奋斗了几十年才发现做的都是没有意义的事情来的好些。

一个可能的诺贝尔化学奖 精选 已有 4019 次阅读 2011-4-16 16:19 |个人分类:科学|系统分类:科研笔记|关键词:诺贝尔 化学奖 评奖委员会 生物学奖  我们知道：诺贝尔化学奖委员会，不时地肯定化学和生物交叉的工作，比较常见的是生物化学和生物物理学的工作，有时也给分子生物学。 从2003到2009之间7年的诺贝尔化学奖，有5年给生物学研究：2003年钾通道的结构和水通道，2004年蛋白质降解，2006年基因转录的结构生物学研究，2008年绿色荧光蛋白，2009年合成蛋白质的核糖体结构。 结构生物学占了很大比重（2003、2006、2009）。 我们也知道：诺贝尔化学奖委员会经常犯错误，不该给的他们给了、该给的他们没给，两种错误都犯过。 2003年，不应该奖水通道的发现，因为并不足够突出：不是第一个通道（是第几十个通道）、也无特殊性。 2006年，化学家们只重视自己懂的，而忽略了同一科学领域中偏生物、但更重要的工作。基因转录领域，有两项工作的重要性毫无疑问高于解出转录因子的X线晶体结构：发现第一个转录因子（Mark Ptashne）、发现RNA多聚酶（Robert Roeder）。但诺贝尔化学奖委员会过分强调结构而忽略了转录领域中更重要的生物学工作。 基本可以放心：化学奖委员会一如既往地跨界出现错误，既不是第一次，也不会是最后一次。 不过，化学奖委员会继续给结构生物学发奖时，如果做到一个中等偏上的研究生的水平（比如本文就是给研究生上课过程中两句带过，也是中上研究生可以写出来），就可以公平地奖励一个大家都会公认的工作。谈不上将功补过，可以证明他们不都经常肤浅。 可以奖对于GPCR（G蛋白偶联受体）的结构生物学研究。 GPCR是细胞膜的跨膜蛋白，一般来说，把细胞外的信号转入细胞内。 GPCR的发现历史很长。第一个是在19世纪发现于眼睛视网膜上。1851年，Heinrich Müller发现视网膜红紫色，认为是血红蛋白造成。年轻的德国医生Franz Boll(1849–1879)实验证明视网膜漂白并提出其物质基础是“红紫物质”，存在于视干细胞，进行光化学反应。不幸他因肺结核而英年早逝。Boll发表1877年论文不久，德国医生Willy Kühne很快继续其研究，大量投入时间和精力，在1878到1882年间发表22篇论文，将红紫物质称为“视紫”（visual purple），发现光化学还原，并用胆盐提取了视紫，也就是后来大家所谓的“视干蛋白”(rhodopsin)。Kühne提出，光解构视干蛋白，解构的光化学反应产物刺激视神经。 以后实验证明，视干蛋白确实对视觉非常重要。 从生物化学和生物物理学角度来说，这是第一个细胞膜蛋白。不仅对于理解视觉有推动，而且有助于以后研究和理解其他一些膜蛋白。很长时间，这是唯一被较多人研究的膜蛋白。 视干蛋白不仅存在于有视觉的高等动物，也存在于细菌中：用于感光，虽然不能形成视觉。 哺乳类的视干蛋白由约350个氨基酸连接组成。到1970年，洛杉矶加州大学的研究者获得其9个氨基酸顺序，1977年美国的Hargrave获得其16个氨基酸顺序。1983年，通过分子生物学帮助，Hargrave等和俄国的Ovchinnikov等分别推出牛视干蛋白的全顺序。 1960到1980年代，发现G蛋白调节很多递质和激素的受体，这些受体就都称为GPCR（G蛋白调节受体），氨基酸顺序类似于视干蛋白。因为发现G调节蛋白和提出GPCR概念，美国的Alfred Gilman和Martin Rodbell获1994年诺贝尔生理或医学奖。  这样，研究视干蛋白和研究一般GPCR实质是同一类研究，差别只在于视干蛋白参与细胞对光的反应、其他GPCR一般来说参与细胞对细胞外化学分子的反应，2011年3月发现果蝇视干蛋白可能参与对温度反应。 用X线晶体衍射研究蛋白质的空间三维结构，是理解蛋白质功能的一个重要途径，可以在分子和原子水平上理解生物分子如何起作用，还可以通过结构提出合理的方法设计新的药物，所以一直是生物与化学/物理交叉的一个重要领域。不仅以上提到的2003年以后多次诺贝尔化学奖给结构生物学，以前也较多，如：1962年Max Perutz和John Kendrew，1964年Dorothy Hodgkin，1982年Aaron Klug，1988年Johann Deisenhofer，Robert Huber和Hartmut … Continue reading →

很美的句子（英汉对照） 热度 22已有 190 次阅读 2011-3-17 13:13 1.一个人总要走陌生的路，看陌生的风景，听陌生的歌，然后在某个不经意的瞬间，你会发现，原本是费尽心机想要忘记的事情真的就那么忘记了。 1.One is always on a strange road, watching strange scenery and listeningto strange music. Then one day, you will find that the things you tryhard to forget are already gone.   2.幸福，不是长生不老，不是大鱼大肉，不是权倾朝野。幸福是每一个微小的生活愿望达成。当你想吃的时候有得吃，想被爱的时候有人来爱你。 2.Happiness is … Continue reading →

华盛顿大学 饶毅 自从诺贝尔奖获得者马立斯发明多聚酶链反应（PCR）后，这一技术给生物学家提供了一个强有力的手段，可以大量扩增极微量的DNA。这个技术，除了用于生物学研究外，也给其它行业或学科提供了新方法。因为这一技术的极高敏感性，每个使用都面临着是否正确、谨慎，避免假阳性结果和污染的问题。 考古学家，对于PCR的应用最初有很大的热情，希望以此帮助他们分析古老样本中的DNA。经过7、8年的实践，觉得这一技术有有用之处，也有局限。局限主要有二个方面，一是前面提到的污染问题，这是所有PCR应用都要注意的问题，在考古上又更突出，因为样本的野外来源和时间的久远。第二个局限是DNA化学性质变化的问题。DNA的自发降解，主要是因去嘌呤化。DNA降解后，是不能再为PCR检测到的。 最近，德国慕尼黑大学帕伯实验室，对PCR在考古上的应用进行了分析。他们的文章发表在今年五月十日的《科学》杂志。帕伯是将PCR应用于考古学的先驱和权威之一。他们收集了好些古生物样本，比较了其中氨基酸和DNA性状。他们的结论是：在温带地区（如埃及），DNA保留以几千年为限，在寒冷地区，DNA保存期以十万年为限。超过这些期限的DNA，一般被降解的不再能被检测到了。 他们这种结论自然就给以前声称找到恐龙DNA的报道打上了问号。帕伯实验室特意重新分析了在科学刊物或媒体报道过的4个恐龙样本。一个是美国蒙大拿州的，一个是美国犹池州的，二个来自南极的。他们重分析的结果显示这几个样本中的DNA不太可能保存下来了，他们也发现这些样本有近代生物的污染（包括南极寒冷条件下保存的样本也有污染）。因为有这二个问题，他们推论从这些样本中取得恐龙DNA的可能性极小。 PCR在考古学中还是有可用之处，但越古老的样本，保存条件要求越高。帕伯实验室发现，存在于琥珀中的昆虫DNA，保存特别好。猜想这可能是琥珀给昆虫样本造成了一个疏水环境，这种环境大大减慢了DNA的降解。琥珀将昆虫样本迅速地与外界封闭起来，又减少了污染的可能。 PCR在考古学上遇到的这些问题，证明了应用一个新技术所需要的谨慎。PCR正确地应用于法医学，也有很好的成功。最近一个例子，是美国、英国和俄国科学家合作，成功地分析了几十年前被秘密处决的沙皇家庭的DNA。证明了乱山岗中挖出的一堆骨头确为沙皇家庭成员及其医生的，并证明了一位几十年号称为沙皇女儿的波兰裔美国人不可能是沙皇家庭成员，而肯定是一位波兰人的亲戚。也就是说，PCR的正确应用仍将会是现代科学的有力工具。 1996年发表于《中国科学报》  

细胞分裂的分子原理——一个值诺贝尔奖的科学领域 华盛顿大学 中国科学院 饶毅 细胞是许多生命形式的基本单元。细胞进行分裂是细胞生长的重要环节。过去二十年的研究表明：从简单的单细胞生物酵母，到复杂如人的多细胞生物，通用一个相同的分子机器，控制细胞分裂的周期性过程。这一领域的成果，不仅解答了细胞生物学的基本问题，并直接推动了包括癌症研究在内的其它领域。其重要性清楚地置其于诺贝尔奖候选范围。 很长以来已经知道，细胞分裂周期是很有规律的。二个大的过程是DNA合成和细胞分裂本身。它们分别发表在细胞周期的S和M期。这二个相中间又有所谓“间期”。这些亚期的循序发生，构成一个整的细胞分裂周期，在不同的细胞其形式大同小异。 对细胞周期研究的突破，来源于对酵母、青蛙和一种低等海洋生物的研究。七十年代初，美国西雅图的华盛顿大学哈特沃(Leland Hartwell)，用遗传学方法筛选一种酵母中控制细胞周期的基因，他发现的一群基因，成为八十年代和九十年代人们研究细胞周期的主要对象。也在七十年代，英国牛津大学的勒思(Paul Nurse)，用另外一种酵母找影响细胞周期的基因。他对其中一个基因进行了进一步的分子生物学和生物化学研究，证明这个基因的产物是一种蛋白激酶。这个酶的激活和失活，是决定细胞周期运转的关键。用青蛙的卵细胞做细胞周期的研究，在六十年代底、七十年代初有一重要进展提示有某种显性物质有作用，但这种物质的本质指导八十年代中才开始被揭示。一九八八年美国科罗拉多大学的马勒，和加州大学圣迭哥校区的纽波特分别领导的二个小组纯化了这种物质，发现其主要成分之一就是跟酵母中那个酶一样的分子。其中另外一个主要成分后来发现是跟一种叫“循环素”一样的分子。循环素是1983年英国的汉特实验室最早从海洋无脊椎动物中找到的，其特点是在细胞周期的不同阶段有涨有落。这二个分子，特定的蛋白激酶和循环素，就构成了细胞周期的核心机器，从简单细胞到人都相似。 迄今为止，受细胞周期研究突破影响最大的是癌症研究。细胞周期的失调是癌症的根本原因。已经有确切的证据表明，有一些癌症的产生是因为直接调控细胞周期机器的基因失常。也有工作发现，一些对细胞分裂周期机器有刹车作用的分子，可以用来控制一些恶性分裂。这种性质的研究都是现在的前沿课题。 细胞周期研究的突破，无疑值得给诺贝尔奖。其中美国的哈特沃和英国的勒恩二位特别突出。有无第三位则不易定。至于哪一年得则更难猜了。以前有快的如杨振宁、李政道工作出来一年得奖的，慢的有如基因工程开创者（加州大学的波耶尔和斯坦福大学的科恩）至今还未得奖的。当然得奖是否重要，则取决于每个人的观点了。 （本文于1998年发表于《科技日报》, 2001年以上介绍的Hartwell、 Nurse 和Hunt获得诺贝尔奖）  

分子生物学在过去半个世纪的发展，对人类健康和医学发展产生了质的推动。其成果之一是带动过去十几年医学分子生物学的成长，已经形成一门新的学科分子医学。基因疗法就是其中一个令人兴奋的领域。它的应用范围较广，不只限于传统概念中的遗传疾病，对肿瘤、传染病等都提供了新的治疗或预防途径。 基因疗法是基于对遗传物质即核酸的应用。广义而言,人为地有目的地对人体DNA或RNA进行处理,都是基因疗法。实际应用上,目前主要在于三个方面。一是跟踪体内细胞,二是治疗疾病,三是预防疾病。 体内细胞跟踪,是将特定的示踪基因,导入一定细胞内, 以后可以靠追踪这个基因来观察这些细胞到身体什么部位,命运如何等。严格地说,这只是帮助一些研究工作,不是治疗。但这种方法,可以用来辅助一些真正的治疗,比如看疗效或帮助跟踪肿瘤转移情况。 治疗疾病,是通常人们最容易想到的基因疗法的用途。理论上,可以有体细胞基因治疗和性细胞基因治疗二种。前者是对个体基因治疗,不影响其后代。后者是对个体的遗传系统进行改造,以至影响其后代的基因。这样,性细胞基因疗法将影响人类将来,有广泛社会后果,因此,社会和伦理的重要课题没有达到人类人类共识前,现在不能进行人类性细胞的基因疗法方面的研究。这个情况主要不是技术上的问题,因为在老鼠里,科学家们已经做了大量的性细胞基因改造的工作。对人类进行的基因疗法, 现在都是体细胞治疗。迄今做的多的是遗传病的体细胞基因疗法。已知一些遗传病是单个基因变化所造成。如果是功能缺乏性的变化,就可用基因疗法,人为地引入一个正常的基因,从而治疗疾病。这种治疗已有临床实验了。这种用途有几个局限因素。不是所有基因变化可以用引入正常基因所纠正。比如一个基因变化后,不是简单的失去功能,而是起了一个新的功能而造成疾病的话,单靠引入正常基因是不能治病的,这时需要的是要去掉原来的坏基因,换上好基因。这种基因置换型的基因疗法,在人类尚无成功进行。非遗传病的基因疗法有多方面。一个是可以作为给药系统,比如肾透析的病人血中红细胞会下降,常规对策是用红细胞生成素。这种药价格昂贵,长期注射给药也不方便。理论上,可以把红细胞生成素的基因导入体内,让人体细胞自行造药。基因疗法也可用于许多肿瘤的治疗。比如很多肿瘤是因一个叫p53的基因变化所致。将正常的p53导入肿瘤细胞,在有些肿瘤中有治疗作用。基因疗法应用于传染病方面的研究，也有很多科学家重视。特别是病毒类的疾病，常规疗法很少有效。人们寄希望于基因疗法。目前做的最多的自然是爱滋病。 基因疗法的第三大主要应用是预防疾病。这项应用是近几年特别才重视起来的。从其趋势来看有可能是最快能成熟起来的技术。因为制造基因疫苗来防病，用的是基因技术中最简易和可行的部分：表达基因产物。这个产物如果是可以引起保护性免疫的合适的旦白质，就可以有疫苗作用。基因长期表达产物，是多数基因疗法需解决的问题，但这一问题对疫苗最容易解决，因为疫苗不要求长期产生旦白质，只要短期有足量旦白质产生就可以了。已经有成功的例子，显示可以用基因疫苗替代卡介苗对付结核病。对其它一起常见传染病，比如在中国威害大的肝炎， 基因疫苗的前景也很吸引人。 对基因疗法研究最多的是美国，六年前批准第一次进入人体以来，到现在已有一百多个临床实验，美国国立卫生研究院，每年提供约二亿美元用于基因疗法有关的研究。而且产业界也兴趣日增，目前产业界对基因疗法的投资，已经超过国家投资。各方面来的信心使基因疗法这个年轻的领域充满活力。在基因载体的完善,转导能力的改进、表达水平的提高，临床应用和观察,疗效判断等多方面,都有科学家和临床医生在进行不断的努力。 美国科学家重视的,首先自然是美国常见的疾病。这样,给中国科学家和临床工作者留下了一片需进行研究的领域：中国常见或特有的疾病。对这些病的治疗和预防进行探讨,也是中国人群对中国科学家和临床医生的要求。

华盛顿大学 饶毅 人的胖与瘦是由什么决定的?太胖了是否有可能治疗？对这二个问题的回答，过去一年的科学研究有很大的实质性进展。 初步的答案是：基因对体重控制有主导作用，有一个基因已经拿到，用它可能可以调节体重。之所以说初步，是因为还有一些问题没全搞清楚。已经明确的是：人类对这方面的了解已经进入了一个崭新的时期。 体重不光是对人的长相重要，伴随体重超出正常范围所带来的，有一系列健康问题。比如，太胖的人易有高血压和糖尿病。体重是由摄入和排出的比例所决定。影响这一决定有好些因素：有环境的，有人体的。温度、昼夜周期会有影响，人的活动、情绪状态也起作用。但生物学家的研究表明，最重要的因素是基因。在各种因素综合考虑后，基因占了最主要的部分：百分之八十以上。这个结论已经知道有相当一段时间了。 那什么是决定体重的基因呢？能否拿到这些基因呢？这个问题的突破口不是在人身上，而是在于研究老鼠。美国缅因州贝港的杰克逊实验所(Jackson Laboratory, Bar Harbor, Maine)是一个专养老鼠的地方。位于风景秀丽的东海岸。这个所的研究人员几十年前发现一些特胖的老鼠。这些老鼠如果要是在自然界存在，那一定是早就成了猫食了：因为它们行动缓慢。在实验室发现这种老鼠，却成了科学家的好材料。它们的肥胖，是由于基因的突变所造成。用遗传学的分析发现有好几个基因，其中任何一个坏了，都会导致肥胖。有二个基因特别有意思，一个叫“胖子”（ob）,一个叫“糖尿”（db，因为胖伴随糖尿）。这二个基因任何一个失活，都造成同样的肥胖等症状。但生理学实验结果推断，它们在控制体重的信号系统中起的作用是不同的。ob很可能是一个象激素一样的信号，由某个组织产生后分泌到血液里，能后作用于某个靶组织，如脑，进而影响摄食行为，最后调节体重。db的行为却不象是信号本身，而象是接受、执行这个信号的分子。 以上这些结论，都是在没有拿到ob, db分子的情况下以遗传和生理学进行的推测。 美国纽约的洛克菲勒大学是生命科学研究有很多贡献的中心之一。该校的杰弗里?弗雷曼教授(Jeffrey Friedman)的实验室，花了七年时间拿到了ob分子。 这里先解释一个分子生物学的基本概念：基因是编码蛋白质的基础，蛋白质是起生物功能的分子。在ob的情况下，ob基因是遗传信息，它的产物蛋白质是游离在血中的控制肥胖的直接信号。一般常常混起来说是因为分子生物学技术发展到今天，拿到基因就能得蛋白质，拿到蛋白质也就得基因，在技术上，只要有其一就很容易得其二，这样对一般的读者，常常没有清楚的解释。 弗雷曼实验室拿ob分子，也是可以随便选其中一条路：要么去分离血中ob蛋白质，要么去分离ob基因。这二条路一条是生物化学方法，一条是分子生物学。各有利弊。在没有最后答案以前，很难确定哪一条途径更好。它们后来是二条路都试了。但生化提蛋白质这条不畅，成功的是拿基因。1994年12月他们在《自然》杂志发表文章宣布他们成功地拿到了ob基因。这篇文章的第一作者是一位来自中国的科学家张一影。 他们的工作立即将体重控制的研究推进到分子生物阶段。他们发现，ob基因是在脂肪组织里活跃：它只在脂肪组织里生产出相应的蛋白质产物出来。他们现在把这个蛋白质产物叫“瘦素” (leptin)。瘦素的行为真的象以前遗传和生理学分析所推论的一样：它是一个象激素一样的分子，由脂肪产生，进到血里，再到脑中一个叫下丘脑的地方控制摄食行为。这种分子生物的直接证据，高度相符于经典遗传和传统生理研究推论的美妙，是现代生物学常使研究者感到津津有味之处。 生命科学的基础研究经常是有应用价值的。ob基因便是新的例子。弗雷曼实验室的初步成功，立即吸引了不同的人，一方面，多个实验室大力推进科学研究，一方面多个制药和生物工程企业竞相与弗雷曼实验室签约。 过去数月有4篇文章在《自然》和《科学》杂志上发表，不同的实验室证明ob的产物（瘦素）确实是能控制体重的。在ob基因坏了的肥胖鼠身上，注射了瘦素后，体重在几天内大幅度减低。说明对一部分病态肥胖鼠，瘦素是有治疗作用的。这种鼠，不光瘦下来了，行为也明显活跃起来。有意思的是：对正常鼠，瘦素也可以使其体重下降百分之十二左右。 瘦素对人有意义吗？ 对此问题，还没有答案。已经知道，人也有同样的ob基因和其产物瘦素。人的瘦素在鼠身上也有作用。但在人身上的作用还没有试。因为先要经过严格的初步实验，证明瘦素注射到人身上不会产生毒性副作用后，才能进一步探索它的好作用。很多人都在等着看其结果。对于生物学家来说，老鼠跟人是很接近的。需知果蝇的基因都有一些到人是一样的，才能体会到鼠和人的相似性更大。但是，人与鼠自然有一些差别。在ob和瘦素这个故事里，人和鼠是同还是异？这还得等进一步的实验了。 瘦素是不是就完全解决了肥胖的控制问题？ 不是的。如前所述，还有其它基因参与体重调节，如db就是一个。生物学家们还在试图拿到它。 如果瘦素对人有作用，是否它是减肥的灵丹妙药？ 这个问题的答案，要因人而异了。在老鼠里，已经知道ob基因坏了的鼠用瘦素有显著作用；正常鼠，有一定作用；但db基因坏了的，用瘦素毫无效果。由此推测，人群中有一些有时瘦素有反应，有些反应要小或无了。或许，体内有正常瘦素产生的人，再多加一些作用不一定大；体内有超出正常量瘦素的人，再加就没有意义了；瘦素偏低者，其中一部分加一些可能有效。真正有效的药都是有针对性的。只有假药，才能厚着脸称“包治一切”某某病。 本文1995年发表于《健康报》

饶毅 人各有所好, 很难有众所认同的世界上“最重要”的事物; 但是, 从人类社会的角度看,很少人会认为人脑没有关键作用,有少数人“持”此观点也实质上反证了正常脑的重要性。对脑和神经系统的科学研究近年有显著的进展,一门新的交叉学科-神经科学是过去二十多年中发展最为迅速的学科之一。它应用生命科学和物理科学，信息科学的综合途径，从分子、细胞到计算网络、心理多个水平，对神经系统的形成，正常功能和异常病变进行研究。神经科学研究,对改善现代社会的健康、推进传统药物工业和新型生物工程企业、和发展科学都是有意义的。 一. 神经科学对社会和科学发展的意义 1.1  神经科学对社会健康的意义 对于社会的发展和人类的健康,人脑所起的作用是世间任何事物不可替代的。神经科学研究对每个年龄层次的人都有意义。出生前的胎儿神经系统的形成和发育是正常脑功能的决定性基础；儿童脑的可塑性发育是人才智力和健康心理形成的关键；成年人脑的有效工作取决于神经网络中信息的高效传递和加工；老年人健康生活依赖于有无病理性衰变和神经损伤。 从发达国家的经历来看，随着以前常见病的减少和消失，影响人的高级功能的病如各种脑疾患占的比例会越来越高。这些疾病极大地影响人的健康，而且造成巨大家庭和社会负担，转用了本来可以用于社会发展的精力和经费。美国九十年代初的统计结果，65岁以上的人患老年痴呆占百分之11，每年消耗1131亿美元，精神疾病每年消耗351亿，脊柱损伤消耗226亿，中风消耗179亿，癫痫和多发性侧束硬化消耗55亿。中国这方面统计尚不全，在北京、上海的初步统计显示65岁以上的人患老年痴呆占百分之4.9，从健康史上看，中国人群脑疾患的整个趋势是会不断接近发达国家的。 人口素质的核心是智力。提高人口素质和控制脑疾患是世界性问题。而在中国，因为特殊的人口结构，又是更突出的课题。每 对 夫 妻 只 生 一 个 孩 子 的政策使全社会普遍关注每一个儿童的健康成长，其中很重要的就是脑功能的发育和成长。“一胎”政策和医疗的改善造成老年人口比重增加，而且老年人的脑疾患也明显增加，这就要求对老年人常见的脑疾患要有有效的预防和控制。这些都是神经科学研究的课题。 1.2  神经科学对社会发展的意义 神经科学既是传统药物工业的主要基础，也是现代高技术产业－生物工程的重要支柱之一。传统药物工业的成功很大一部分归功于神经药理的研究。神经药理不仅仅是推出了大家可以想象的神经系统或神经疾患的药物，如各种麻醉药物、控制巴金森氏综合症的药物、控制精神病的药物、影响睡眠的药物等；神经药理也推出了大部分心血管药物，如很多控制血压、心律、微循环的药物都是靠影响神经对心血管的调节，从而达到控制心血管的目的。治疗呼吸系统和消化系统的药物，也依赖和借鉴神经药理的研究结果，比如一些控制鼻塞、哮喘的药和控制胃酸的药是调节神经信号而产生作用。因为神经药理对大量药物发展非常重要，所以世界上传统药物工业起家的大药厂，靠神经药理为基础的占了很大比重，迄今仍是药物工业主力。 现代生物工程产业，是以分子生物学为基础。这一新型高技术产业还在快速发展，有大量企业兴起，已经有成功利润的企业屈指可数。就在这些成功的企业中，神经科学相关的药物也很受重视。比如，包括老年痴呆在内的神经退行性变的危害之广，使大家有共识其药物市场是很大的。因此，美国几家专攻神经退行性变的生物技术公司，股票上市时曾创记录。而且，靠传统药物工业起家的大药厂在吸收和推进生物技术产业的过程中，也注重神经科学有关的生物工程药物。 1.3  神经科学发展的科学意义 神经科学是综合性很强的交叉学科。它综合了多门学科，对神经系统进行全面的研究。它得益于这些学科，又推动这些学科；加速神经科学的发展可以带动一批相关学科的发展。 传统上，神经科学来源于生理学、生物化学、生物物理学、药理学、解剖学、胚胎学、神经病学和精神病学。在七十年代初神经科学形成单独的学科，到八十年代定型。分子生物学、遗传学、影象学、计算网络(神经网络)和认知科学等对神经科学的促进在近十到二十年很为明显。 以前，神经科学的各亚学科侧重单一的研究策略。神经解剖学发现神经系统的基本结构；神经生理学分析神经系统内信息传递的基本规律；生物物理学研究神经细胞的物理特性；神经生物化学找到神经系统的主要化学成份；神经遗传学了解影响神经系统结构和功能的遗传因素，这些基础科学部分成神经科学中的神经生物学部分。神经药理学一方面寻找治疗疾病的药物，另一方面用分子作为工具来探索神经系统的功能；神经病理学着重神经、精神疾病的解剖结构变化；神经病学和精神病学主要是疾病的临床分析和治疗；放射学仅起辅助临床诊断的作用；而心理学更是与自然科学缺乏联系。 现代神经科学的发展使其各亚学科有活跃的相互作用。这即表现在多学科的技术交叉上，也体现于学术思想和概念的交融上。现在，当神经生物学家用分子生物学发现一个基因及其产物分子后，要用多个途径研究它在神经系统形成和功能中的作用：可用免疫学技术辅助，靠解剖学观察来定位基因产物在神经系统什么部位存在，以生物物理学手段分析基因产物对神经细胞电活动的影响，用生理学方法研究它在信息传递中的作用。这些基本特征了解后，也可进一步用转基因技术或基因剔除技术来增加或减少基因产物的存在量，然后研究脑的高级功能的变化，如通过行为的分析看学习记忆是否受影响，或通过行为、病理等分析看是否导致了疾病的发生。这些综合研究可以揭示特定的基因是否参与脑的高级功能、或影响神经系统的疾病发生。现代影象学在神经科学中的应用是物理科学与生命科学相互作用的一个范例。正电子扫描和功能性核磁共振等无创性成象技术使人们观察活体脑的美梦成为可能；而神经系统的精细和复杂也要求和驱使这些技术不断改进和提高。神经系统内信息传递是控制论早期就感兴趣的问题。人脑具有所有人造机器所不及之处，信息科学一方面可以它为研究目的，一方面可以借鉴其优点，以改善人造机器。 因为神经科学高度综合性的特点，神经科学的发展能够有助于驱动一系列相关学科，这也是国际上对神经科学高度重视的从学术发展角度来考虑的原因。现代神经科学综合了分子生物学、细胞生物学、解剖学、组织学、发育生物学、生理学、生物化学、生物物理学、遗传学、药理学、免疫学、病理学、神经病学、精神病学、影象学、计算网络、控制论、心理学、认知科学等多门学科。推动神经科学发展可以带动多门相关学科的发展。 1.4  国际社会和国际科技界对神经科学的重视 国际社会对神经科学很重视。美国总统和国会定九十年代为“脑的十年”，欧洲推出“欧洲脑十年”，日本有二十年“脑科学时代”等计划，都是为了推动神经科学。美国国立健康研究院1997年度投入直接与神经科学有关的经费为18亿美元，是其人类基因计划的10倍多。美国国家科学基金会总共22亿年经费中，用于神经科学的经费与其对数学、物理和化学这种大学科的研究经费在相近数量范围。日本“脑科学时代”计划年投入1000亿日元(约8亿美元)，总投入2万亿日元，为其“超级钢材计划”的10倍。这些投入一方面是为人的健康，一方面也期望对脑的研究揭示新的奥秘能推动药物工业和生物技术产业，并有助于将来改进人造机器如计算机。 从国际科技界看，早在50年代，一批控制论的先驱就注重神经系统。从60年代起，一批分子生物学的开创者，包括DNA结构发现者、英国科学家克里克，纷纷转向神经科学的研究领域，使神经科学的发展有更多高质量的人员加入研究行列。神经科学的发展速度也表现在其从业人员的增长速度上。美国神经科学会于1970年成立时仅500多会员，到1998年已有2万8千以上了，这个上升趋势还未进入平台期。每年学会年会都有2万多人参加。作为比较的数字：美国数学会成立于1888年，现有会员3万;美国物理学会成立于1899年，现有会员4万。这样看，神经科学的规模已经不在数理科学的亚学科的规模，而是与大学科的规模在一个数量级了。这个比较结果，并不意味着神经科学与数学科学或物理科学在科学领域的比较，但是却反映了神经科学研究人员和梯队的发展规模和趋势。 二. 神经科学前沿简介 对于脑的好奇心，人们长久已有。对于人脑的好奇更是与对于人本身的好奇紧密相关。对神经系统的科学研究大部分是本世纪进行的。神经科学这门综合学科在过去二十多年中有显著的进展，深化了我们对神经系统的奥妙的了解，改善了对神经系统疾病的预防、诊断和治疗，促进了相关学科的发展。这里，简单介绍神经科学的一些进展，使人们了解神经科学为什么是令人兴奋的一个前沿学科。 2.1 脑的高级功能 脑的高级功能是生命科学中，乃至所有科学中，最令人感兴趣的问题之一。 学习记忆这个领域，从巴甫洛夫的工作以后较长时间进展缓慢，但在最近二十年中有较多进展。先在低等动物中，后在高等动物中，神经生物学家们对学习记忆的细胞和分子生物学原理终于有了一定的了解。在七十年代和八十年代，以美国哥伦比亚大学的肯德尔为代表的科学家们，用低等动物海兔研究了一些简单行为的学习记忆过程。他们找到了这些行为所需要的神经环路，揭示了其学习记忆所依赖的细胞和亚细胞结构(特定的突触)，发现了神经信息的变化，并证明了第二信使cAMP的重要性。在高等动物中，七十年代，英国的布理斯和挪威的洛默发现长期性增强作用(LTP)，被认为是神经可塑性的细胞机理。其后二十多年内，LTP已在脑内多个部位观察到，并有证据显示是与一些学习记忆的行为有联系。八、九十年代，以旧金山加州大学的尼科和斯坦福大学的华裔科学家钱永佑为代表的电生理学家们推进了人们对LTP的神经生理的了解。九十年代，以麻省理工学院的日裔科学家利根川和哥伦比亚大学的肯德尔为主的科学家们，用分子生物学结合神经生物学，研究高等动物学习记忆的分子机理，发现了一些影响学习记忆的基因，也再次发现cAMP的重要性，提示低等动物和高等动物的学习记忆原理有一部分相似性。肯德尔对低等动物和高等动物学习记忆的研究贡献被普遍认为是诺贝尔奖的热门候选者。近年，一些以前人们认为在发育中起营养性作用的分子，也被发现影响LTP的出现，从而提出它们可能参与脑的可塑性过程。从分子、细胞水平到整体、行为水平，学习记忆整个领域呈现一片活跃。应该指出的是，已故的中国神经生物学家、美国科学院院士、中国科学院上海生理研究所的冯德培曾在神经可塑性领域作出重要贡献。三十年代，冯德培在当时的中国生命科学研究中心－北平协和医学院－工作时，发现强直后增强作用(PTP),这一工作实质上是第一个细胞水平的神经可塑性发现。近六十年后，冯德培到肯德尔处访问时，肯德尔让大家“向神经可塑性的先驱致敬”。九十年代，冯德培实验室又在LTP方面作出成绩。目前，中国神经科学界，包括上海脑研究所，还在继续进行学习记忆的研究。 无创性成象技术在神经科学的成功应用，使人们对脑的高级功能研究进入了前所未有的境界。生命科学上有这样一个事实：很多“生物”学的知识是从“死物”身上、或者从活的部件上所得到。虽然这样的研究方式也告诉了我们很多结果，可是我们大家都知道，脑功能的奥妙之一在于其整体和活体起的作用是与局部和死的系统有质的不同。所以神经科学家特别期待观察活体脑的机会。现代无创性成象技术终于第一次使这个幻想成为现实。正电子发射断层扫描(PET)是通过监测发射正电子的分子在脑内的分布，来了解脑内功能活动。这些发射正电子的分子是由人为导入，根据需要可以观察血流、也可以观察脑内神经递质等分子。以美国华盛顿大学雷克尔为代表的科学家们，将PET应用于脑功能多方面研究，使人们真的得以窥视活体脑的工作。比如，有报道：音乐家和一般人在听音乐时用的脑区是不一样的；也有发现，同一词汇，人把它作为动词想时和作为名词想时用的脑区不一样。在以前，神经科学的内行与外行一样，对这类无从着手研究的”理论性”题目都是只能进行”思辨”的，无创性成象技术才第一次把它们置于真正的科学基础上。功能性核磁共振(fNMR)是另一已成功应用的无创性成象技术。在脑内，fNMR主要检测有氧对无氧血红蛋白的比例，从而观察脑内局部区域血流量，而脑血流量能显示脑局部区域活动情况。它的用处与PET的重叠，但它无需使用人工的同位素，这样更是安全，虽然它能检测的分子也受限制。这些无创性成象技术都能用于疾病的诊断和早期诊断，所以为科学家和临床医生都提供了强有力的手段。 2.2 脑和神经系统的疾病 脑和神经系统的疾患是现代社会占比重越来越大的健康问题，在中国这种不断老化的人群中更是迫切希望能得到解决或控制。神经科学的综合研究，为多个脑疾患的诊断和治疗提供了可能和希望。不仅如此，对神经系统疾患的研究还为其它疾病，如各种癌症，提供了一些有普遍意义的结果和教益。 老年性痴呆是以前在中国不被重视的问题。也许就是因为其常见，很多人以为老年的脑功能病理衰退是正常“老化”。现代神经科学告诉我们，老年痴呆是异常的病变。在过去科学不发达的漫长岁月里，人的寿命是不长的，这样在进化的过程中就没有把造成老年性痴呆的疾病基因筛选、淘汰掉。现在人的寿命延长后，老年性疾病也就增加得很快。九十年代的神经遗传学和分子神经生物学研究开始揭示了老年性痴呆的分子基础。以现在美国华盛顿大学的英国科学家戈娣和现在弗罗里达大学的英国科学家哈狄在九十年代初的发现为领先，迄今已经有四个基因被证明参与老年性痴呆的发病，其中三个中间任何一个坏了都不光造成发病，而且提早发病年龄。这三个基因是多个遗传因素的一部分，如果中国研究出现在已知的这几个基因和将来会知道的其他有关基因在中国人群的致病性突变位点，在理论上就可以进行产前诊断，以避免在老化人群中老年性痴呆发病率的不断增高。利用分子遗传学，神经科学家们也建立了用于药物筛选的老年性痴呆的动物模型。 因为美国国立健康研究院科学家的工作，在1997年也终于发现了第一个造成巴金森氏病的基因，现在世界神经科学界正在探索这个基因的重要性，并希望找到更多的致病基因。长期困扰人类的精神病，在过去几年中也有进展，已经有几个研究小组开始逼近精神分裂症的基因了。中风是常见的脑疾患之一，它的分子和细胞生物学机理在过去十几年被仔细研究。以华盛顿大学的韩/华裔美国科学家崔为代表的神经科学家们，发现了钙离子和谷胺酸受体在中风导致的脑细胞死亡中的作用。中风的细胞和整体动物模型的建立，为筛选治疗药物提供了扎实的基础。 1997年的诺贝尔奖是发给旧金山加州大学的神经病学家普鲁辛勒。他研究的是一种神经退行性病变，他提出这种病是由蛋白质造成的传染病，病原蛋白质可以通过改变蛋白质结构，使正常蛋白质转化成致病蛋白质。他的假说，在八十年代很不为人接受，因为一方面大家公认传染病都需要含核酸的病原体，另一方面，人们难以理解蛋白质结构改变如何参与致病，所以，普鲁辛勒的假说最初多年是为人嘲笑的。过去十年中，越来越多的研究支持其假说，虽然至今仍未完全证明。如果他是对的话，对分子生物学和生物化学都带来突破，开辟新的领域。 2.3 脑发育的分子原理 … Continue reading →

生理科学进展 2000年第3期第31卷 综述 饶毅　吴瑛 美国华盛顿大学解剖和神经生物学系、儿科系及分子生物学和药理学系，中国科学院神经科学研究所，上海200031 关键词: 神经元；细胞迁移；轴突导向；分子浓度梯度 摘要 自19世纪以来的研究表明，在胚胎发育期间和出生后，包括人在内的哺乳动物神经系统的大部分神经细胞(也许是所有神经细胞)都要经过一定距离的迁移运动才能抵达它们发挥功能的部位。这些细胞如何知道往哪个方向迁移呢？我们在分子水平对这个问题进行了研究。1999年发表的结果给出这样一个答案：脑内存在导向性分子，可以指导神经细胞的迁移方向；具体的发现是，一个叫Slit的分泌性蛋白质，对神经细胞有排斥性作用，它的浓度梯度指导神经细胞迁移的方向。 学科分类号 R338 The Molecular Mechanism of Neuronal Migration RAO Yi　WU Ying （Washington University, USA） Abstract A large amount of work since the late 1800 have shown that, during embrynoic and postnatal development, the majority, if not all, neurons in mammalian nervous system have to migrate a certain distance to reach their final destination. An interesting question is how neurons are guided for their migration. We are interested in the molecular mechanisms underlying neuronal migration and our work published in 1999 indicates that there are diffusible molecules in the brain which can guide the direction of migrating neurons; specifically, a secreted protein called Slit is repulsive to neurons and its concentration gradient guides neuronal migration. Key words　Neuronal migration; Axon guidance; Molecular gradients 近15年左右，神经发育的分子生物学原理是神经生物学进展较快的领域。神经细胞迁移的分子机制是位于神经生物学、发育生物学、细胞生物学和分子生物学等学科的交叉点上的一个有趣的问题，这方面的研究有较好的学科综合和交叉的特点。这里我们概述最近一些研究的背景、结果、和前景。详细结果见参考文献中的［1～3］。 一、简要历史回顾 哺乳动物最早期的神经系统起源于胚胎的神经外胚层。神经外胚层卷曲形成神经管。神经管开始只有一层细胞，而成熟的大脑皮层有多层细胞。上一世纪和本世纪初的胚胎学家包括Vignal (1888)、Cajal (1891, 1911)、Kolliker (1896)、His(1904)和Hadesty(1904)等通过对胚胎的形态观察到细胞层数变化而提出中枢神经系统中细胞需要迁移［4～6］。有很长一段时间，人们不能断定神经细胞是进行主动的迁移运动，还是只有被动的位置改变。因为，如果在发育过程中细胞不断产生，新形成的细胞是不是会把早形成的细胞挤出去？在这种被动位变情况下，细胞也不需要有导向机制。 主动迁移和被动位变两个假说争论较久，如1933年，Tilney还在支持被动位变假说［7］。1950年，当时在华盛顿大学的意大利裔女神经生物学家Rita Levi-Montalcini发现在脊髓内有一群细胞，其移动方向与被动位变预计的相反［8］。对被动位变假说的强烈否定来自于哈佛医学院的Richard Sidman实验室从50年代末开始用同位素跟踪进行的研究。1961年，Angevine和Sidman报道［9］，大脑皮层中细胞的迁移方向与被动位变假说预计的完全相反，从而支持主动迁移学说。 Sidman以后，有很多对于神经细胞迁移的研究，有些细胞是在胚胎期进行，有些细胞是在新生期进行迁移运动。90年代的研究表明，在成年的动物，包括人，都有新的神经细胞形成和迁移。所以，中枢神经系统的细胞迁移的普遍性已经确定。 外周神经系统中，细胞迁移同样重要。它们向外周迁移，形成外周神经系统，和一些非神经组织的细胞。 二、神经细胞迁移研究的意义 因为神经细胞运动的普遍性，研究神经细胞迁移对于我们了解正常发育是必不可少的。同时，神经细胞迁移不能正常进行时，会导致神经发育异常，有多种疾病可以产生［10］。一部分癫痫就是因为神经细胞迁移异常而造成［11］。 在神经系统发生肿瘤时，癌细胞的迁移是病变过程的重要一步。如果能使癌细胞不迁移或迁移程度较小，造成的损害会较小。对神经细胞迁移的研究，有助于探索控制癌细胞迁移的途径和方法。 在一些神经系统疾病时，需要移植细胞。比如，有些神经退行性病变，可以采用细胞移植。一是移植正常的神经细胞来替代病变而死亡的神经细胞，二是移植一些产生神经营养性因子的细胞来救活原有的神经细胞。当不能直接把这些移植的细胞放到需要的部位时，如果我们知道细胞迁移的导向机制，也有可能帮助我们设计怎么把这些细胞引导到所需部位。 三、神经细胞迁移机制的研究 神经细胞迁移的机制是人们长期感兴趣的问题。从1971年起，Pasko Rakic 在哈佛医学院、耶鲁大学进行了一系列研究，对发育过程的大脑和小脑切片进行电子显微镜的观察［6］。他发现：在大脑和小脑皮层，有辐射状分布的胶质细胞（radial glia），其纤维的排列正好与皮层内一些神经细胞迁移轨道一样，而且在不同发育时期，神经细胞好象附着在胶质细胞纤维的不同部位。Rakic总结这些结果，提出了一个神经细胞迁移运动的细胞水平的机理：神经细胞是沿着胶质细胞的纤维而迁移。 Rakic的观察是在固定了的脑组织上进行的，但他推论了细胞是如何在活体内进行迁移。以后用活体组织和细胞进行的实验证实了Rakic的推论。M.E.Hatten在80年代进行了一系列工作［12］，把皮层的神经细胞和胶质细胞共同在体外培养，可以实时跟踪神经细胞的迁移。她们确实看到神经细胞沿着辐射状的胶质细胞进行迁移。 Rakic的理论成为经典的神经细胞迁移模型。但是，这个模型没有解决神经细胞迁移方向的问题，有两个主要原因。第一，在辐射状胶质细胞上迁移的神经细胞，虽然不会在三维空间随机迁移，但胶质细胞的纤维一条线上仍然有两个方向，神经细胞如何知道往哪个方向迁移呢？一个可能是辐射状胶质细胞的纤维有极性能指导神经细胞迁移的方向，但这与Hatten的观察不一致。她们发现，体外培养的神经细胞可以在胶质细胞上作双向的迁移：一个神经细胞可以从胶质细胞的一端走向另外一端，然后又往回走，甚至在同一胶质细胞纤维上，同时可以有两个神经细胞作相反方向的迁移。所以胶质细胞本身不足以指导神经细胞的迁移方向。 Rakic理论不能解决导向问题的第二个原因是，八十年代末以来的研究表明，除了沿着胶质细胞的辐射状迁移（radial migration）以外，还有一大类是作正切方向迁移的（tangential migration），而这一类的神经细胞迁移并不依赖于胶质细胞。依据不同实验室在不同脑区进行的研究，正切迁移占了所有迁移的10％到70％。因为正切迁移与胶质细胞的排列方向不一致，如何指导正切迁移的方向就更成了问题。 一个正切迁移模型是Luskin在1993年发现的［13］。鼠前脑的嗅球有中间神经元，其前体细胞是出生后两周内产生的。它们生于前脑亚室管膜层(anterior subventricular zone, SVZa)，而要沿着头端迁移渠道（rostral migratory stream,RMS)向前迁移几个毫米才能到达嗅球（这些细胞本身直径只有约10微米）。洛克菲勒大学的Alvarez-Buylla实验室认为这些神经细胞是沿着同样的神经细胞迁移的，但这并没有解决导向的问题。如果没有神经细胞知道方向，其它神经细胞又怎样能够靠沿着它们而知道迁移方向呢？1996年，当时在西储大学的H.Hu和U.Rutishauser发现［14］，前脑中线的结构隔区(septum)对SVZa的神经细胞有排斥性作用，从而提出SVZa细胞导向的一个细胞机制。1997年，Alvarez-Buylla实验室发表文章，其中指出隔区导向的两个问题：一是他们不能重复Hu和Rutishauser的结果，二是隔区不是正好在SVZa的后面，也就是说，即使隔区有排斥性作用，也难以它的作用来解释SVZa的细胞为什么会向前迁移到嗅球去。1999年我们的实验证实了Hu和Rutishauser的结果：隔区在体外对SVZa细胞确实有排斥性作用。但是，对Alvarez-Buylla的另一个问题迄今没有人能够回答，也就是说，目前还不清楚隔区在体内是否有指导SVZa迁移的作用。 因此，对神经细胞迁移，不管是辐射状迁移，还是正切型迁移，在细胞水平上都有了相当的工作。但是，另一方面，对导向的分子机制却不清楚。 四、神经纤维生长的分子生物学机制 我们近年的工作最初是研究分子信号在神经发育中的功能，特别是眼睛和神经管形态发生的分子原理。我们对一个叫Slit的分子的研究，使我们意识到可以理解神经细胞中两个与运动和导向有关的生物学过程：神经纤维生长（轴突导向）和神经细胞迁移。我们对Slit的功能研究首先在轴突导向方面取得进展。 1984年，德国女发育生物学家C.Nusslein-Volhard等在筛选影响果蝇型式发生的基因时［15］，证明Slit基因的存在。耶鲁大学S. Artavanis-Tsakonas实验室的一位研究生J.Rothberg于1988年克隆了果蝇的Slit基因。他们发现Slit基因编码的是一个比较大的分泌性蛋白质［16］。他们和伯克利加州大学的C.S.Goodman合作研究的结果认为：Slit的功能是决定果蝇神经索正中线的胶质细胞形成，没有Slit时，这些胶质细胞不能正常形成和分化。 我们实验室对脊椎动物中线形成感兴趣。从1994年到1997年的研究中，我们发现中线结构是眼睛早期发育的重要信号来源。于是，我们即寻找脊椎动物中线产生的分子信号。1995、1996年我们从非洲爪蟾、鸡、和鼠中找到了Slit基因。用原位杂交观察到Slit的mRNA表达在神经管的腹侧中线结构（floor plate，底板）、背侧中线结构（roof plate，顶板）和运动神经元前体区域（motor column）。我们花了好一段时间试图研究Slit对眼睛和神经管内细胞命运和型式发生的影响，结果未见到这些方面的作用。 神经管的腹侧中线结构另外还有一个重要的功能是指导神经纤维的生长方向（axon guidance）。这由好些实验室的研究已经表明，在果蝇内，以Goodman的工作为主；在脊椎动物内，以旧金山加州大学的M.Tessier-Lavigne为代表。对神经纤维连接的大量研究主要集中于轴突生长和导向。80年代的研究揭示了几个家族的细胞粘结分子对轴突生长和导向的重要性。1993年，当时在宾州大学的罗玉林和J.Raper发现一个叫collapsin的分子，对轴突末端的生长锥运动十分重要。Goodman实验室发现果蝇里也有类似分子，这个家族现称为semaphorin (Sema), 迄今已经发现二十多个成员，遍布于低等和高等动物。Sema一般是对轴突导向起排斥性作用。1994年Tessier-Lavigne实验室发现Netrin家族对轴突生长有吸引性作用，以后发现Netrin对有些轴突可以有排斥作用。1995年，德国马普研究所的F.Bonhoeffer和美国哈佛医学院的J.Flanagan两个实验室发现Ephrin家族的分子对视觉系统内轴突有排斥性作用。这个家族在哺乳类已知有八个成员，其作用并不限于视觉系统。1997年，当时在圣迭格加州大学的蒲慕明实验室发现，轴突导向分子是排斥性还是吸引性，不仅取决于导向分子本身，而且取决于轴突内的第二信使的浓度。 我们对轴突导向的研究是在鼠的嗅觉系统进行的。嗅觉信号传递有三级：鼻粘膜上的感觉神经细胞先感受气味分子，这些细胞受刺激后会把信号传到前脑的嗅球；嗅球里的神经细胞收到信号后，再通过嗅球的神经细胞的轴突又把信号传递到大脑的嗅皮层等更高的功能区域。嗅球的轴突怎么知道如何投射呢？解剖学上，西班牙的卡哈尔(Ramon y Cajal)在1911年以前就知道，嗅球的轴突往嗅皮层投射时，开始一段是贴着大脑的最外侧，好象离大脑的中线越远越好似的。1993年，英国的A. Pini报道，胚胎前脑的隔区对嗅球的轴突有排斥性作用，从而提出嗅球轴突导向的细胞机理。我们的研究发现：在胚胎时期，有两个Slit基因在隔区有表达。而我们用生物化学实验证明［1］：Slit蛋白的受体是一个叫Roundabout (Robo)的跨膜蛋白。Robo本身在嗅球神经细胞上有表达［1］。我们进一步用体外培养的嗅球做的功能研究证实，Slit对嗅球的轴突有排斥性作用［1］。所以Slit是指导轴突长向的分子。Robo最初是Goodman实验室在1998年发现的。1999年，Goodman、Tessier-Lavigne和我们一同发表文章，证明Robo是Slit的受体。在果蝇里，Goodman实验室证明以前Rothberg、Artavanis-Tsakonas和他们认为Slit影响中线细胞形成和分化的结论是错的［17］。Tessier-Lavigne实验室在鼠的脊髓中发现Slit可以排斥运动神经元的轴突［18］、还可以促进感觉神经细胞的神经纤维的分支形成［19］。所以，Slit是与Sema、Netrin、Ephrin并列的第四类调节轴突生长方向的分子。在哺乳类，迄今找到了三个Slit成员。 五、神经细胞迁移导向的分子生物学机制 神经细胞迁移的分子水平机制是现代发育神经生物学的一个重要课题。从80年代起，有多个实验室从不同角度对神经细胞迁移进行了分子水平的研究。但这些工作没有解决细胞迁移时的一个关键问题：导向性机制。我们近年用Slit进行的研究终于在这方面有了进展。 如前所述，新生鼠嗅球的中间神经元是由SVZa来源的前体细胞经过正切型迁移而来，而新生鼠的前脑隔区对SVZa神经元有排斥作用。我们克隆到Slit基因后，知道不仅在胚胎期，而且在新生期的隔区，也有Slit的表达［2］。为了做功能检测，我们把Slit基因转导到常用的HEK细胞系里，使HEK细胞能产生和分泌Slit蛋白质。然后，我们在体外培养SVZa的细胞。当一边放有对照组的HEK细胞时，SVZa细胞迁移没有方向性。而当我们在SVZa细胞的一边放产生Slit的HEK细胞时，SVZa细胞就向离开这种HEK细胞的方向迁移［2］。更多的实验表明［2］：Slit对SVZa神经细胞是有排斥性的导向作用，而不是对细胞迁移起抑制作用。我们还看到［2］：当SVZa细胞被放在两组产生Slit蛋白的HEK中间时，如果SVZa与这两组Slit来源是等距离时，SVZa细胞没有方向性；而如果SVZa与这两组Slit来源其中之一的距离小于另外一个时，那么，SVZa在开始时是跑开近的Slit来源。这组实验结果的最好解释是［2］：Slit蛋白从细胞分泌出来后，形成一定的浓度梯度，而SVZa细胞是从Slit浓度高处往Slit浓度低处迁移。这是在没有纯化蛋白质条件下，证明浓度梯度重要性的一个比较巧妙的实验。我们进一步分离了脑片，建立了观察SVZa细胞在脑组织中的迁移的模型，我们发现在脑组织中迁移的SVZa细胞也是被Slit所排斥的。 … Continue reading →