我的科學觀｜大衛·林登：持續研究，直到科學生涯的最後時刻

美國著名神經學家、約翰·霍普金斯大學醫學院神經科學系教授大衛·林登。

17個月前，在手術切除了我心包囊内的一個大腫塊後，病理報告出來了，結果并不好。我被診斷患有心髒滑膜肉瘤，估計隻剩下6–18個月的壽命。因為惡性良性腫瘤嵌在我的心壁上，外科醫生不可能在不損害我心髒功能的情況下切除所有的癌細胞。我的惡性良性腫瘤以前有一個汽水罐那麼大，現在已經縮小到一個杏子那麼大。手術後，我接受了放療和化療，期間充斥着各種各樣的不愉快。最後一劑化療是在9個月前進行的，現在副作用已經消失。最近的一次CT掃描發現，殘留在我心髒上、無法進行手術的那部分惡性良性腫瘤沒有進一步生長，也沒有轉移。

活到60歲，我發現自己處于一種奇怪的、認知不協調的狀态：患上了絕症，但感覺很好，因為它對我的健康沒有直接的威脅。僅從外表，你看不出我有什麼不對勁。上周，我和妻子去了一家爵士俱樂部，今天，我在實驗室裡和學生們聊他們的實驗，下周，我将和家人在加拿大的一個湖上度假。現在，我的生活是美好的，我正在品味它的甜蜜，努力在家庭、朋友和工作等各個領域充分利用我剩餘的生命。

我的同僚也處在認知不協調的狀态中。當我經過走廊時，我會看到奇怪的表情——每個人都彬彬有禮，但我可以告訴你，他們正在以最友好的方式思考，“他現在不是應該已經死了嗎？”

在過去的30年裡，我在約翰·霍普金斯大學（Johns Hopkins University School）醫學院管理一個神經科學實驗室。我們使用細胞電生理學和來揭示大腦對經驗的持續反應背後的細胞過程。其中，經驗的範圍包括從感覺運動信号到腦損傷，再到藥物或激素的長期影響。神經可塑性包括神經元（以及大腦中的其他細胞，如神經膠質細胞和血管内皮細胞）結構的細微變化，以及突觸和離子通道的功能變化，這些變化使神經元具有電興奮性。神經可塑性似乎是學習/記憶、成瘾和腦損傷後功能恢複等現象的基礎。

這項工作一直是，也将繼續是一個巨大的樂趣。我有這樣的體會，主要是由于我周圍那些聰明、具有創造性、善良的人——我的學生和博士後，還有同僚和合作者。我非常感激能得到這樣一份可以遵循自己好奇心的工作，并可以在這樣一個充滿激勵和支援的環境中從事它。這樣的智識自由是一份獨一無二的禮物。事實上，這份工作也讓我有了一個平行的職業——為普通讀者寫關于大腦功能的書，這讓我更加開心。以任何合理的标準來衡量，我都已經在科學領域過得很好。同時，我也充分認識到，作為一個受過良好教育的白人，我在這條道路上比其他許多人走得更順利。

這些天，我的實驗室還在運轉，但我們的工作規模正在逐漸減小。我們不再接受任何新的項目或人員，也不撰寫任何新的撥款提案。我希望自己能活得足夠長，以幫助目前這批出色的學員進入職業生涯的下一個階段。我們有六個正在進行的項目，我們希望完成并發表它們，然後我們的實驗室就将停止。在實驗室工作了42年（從1980年我的第一份大學實驗室工作開始算起），這是一件很難說出口的事。這裡永遠有令人興奮的新實驗可以做，而我将不得不停止，這個想法是對我最深的自我意識的挑戰：如果我不是一個實驗科學家的話，我到底是誰？

作為科學家，我們一直都在與一個基本沖突作鬥争。我們必須深入當下，才能真正與人、資料和想法互動。同時，我們必須又始終在心理上預測未來——如果我們得到結果X，會發生什麼？将技術Y應用到我們的問題中可能會産生什麼見解？另一個實驗室報告的新發現如何改變我們的觀點或實驗設計？我們永遠不能完全“在此時此地”。我們總是有義務考慮下一件事，但這沒關系。

我希望我能告訴你，我即将到來的死亡給了我一些新的或令人驚訝的，關于如何最好地在科學領域擁有快樂、充實和富有成效的生活的啟示，但事實并非如此。秘訣其實很簡單，且衆所周知：保持好奇心，擁抱科學固有的不确定性，享受和尊重你的同僚（特别是你的學員），并記住我們的最終目标，了解自然世界，超越期刊、撥款和獎項，并盡量比所有人活得更久。

雖然這不是“一個神奇的技巧”，但我會提供一條小而具體的建議，或者更确切地說是重複一遍，因為在我之前，其他人已經說過了，那就是定期從日複一日的實驗科學挑戰中抽身，擡起你的頭，環顧四周，深入思考你真正想回答的科學問題是什麼。這是我每隔幾年就盡力去嘗試的一項練習，也已經取得了不同的成效。在我生命的最後時刻，我也正在做這件事，盡管我無法将這些想法轉化為實驗。

是以，如果你允許的話，我想告訴你一個我想知道的問題，如果能讓我的實驗室再運作幾年的話，它将是我想研究的清單上的首要問題。

當我們看到神經元的示意圖時，我們通常會發現一個細胞體，其中出現多個分支樹突，這是神經元的主要資訊接收結構，也是形成突觸的地方，以及一個單一的直軸突，這是主要的資訊發送結構，動作電位沿着它傳遞。軸突通常被畫成一條不分支的線，末端有一個單獨的膨大部分，即“終扣”，神經遞質從這裡釋放出來。

然而，自神經解剖學家先驅卡米洛·高爾基（Camillo Golgi）和聖地亞哥·拉莫尼·卡哈爾（Santiago Ramony Cajal）的時代以來，人們就知道軸突可以分支，有時會反複分支，進而支配許多不同的目标。最近，現代遺傳學和成像技術的融合使神經解剖學家能夠重建成年小鼠大腦中許多神經元的整個軸突和樹突（Winnubst等，2019)。對我來說，這些努力中最有趣的發現之一是，大腦中的單個神經元非常普遍地擁有大量廣泛分布于大腦不同區域的分支軸突。在許多情況下，單個軸突的多個目标不僅在解剖學上相差甚遠，而且在功能上也截然不同，至少在我們目前的了解水準上是如此。

對于某些神經元，你可能會抱有期待。例如，藍斑的單個神經元擁有在大腦中廣泛投射的軸突，這些軸突主要釋放神經遞質去甲腎上腺素，由于其對慢G蛋白偶聯受體的作用，具有相應的慢神經調節效應，反映了覺醒、警覺和情緒等狀态。這些信号廣泛分布于大腦區域中并不令人驚訝，因為它們似乎傳達了變化更為緩慢的資訊，對于在大腦的大範圍内設定計算的總體基調是有用的。相比之下，傳遞感覺或運動信号的單個神經元更經常通過與離子通道直接耦合的快速受體（如神經遞質谷氨酸、GABA和甘氨酸的某些受體）工作，并傳遞快速變化的資訊（在毫秒到幾十毫秒的範圍内）。人們不一定會期望這種快速變化的資訊在大腦中廣泛分布是有用的。然而，現代神經解剖學表明它确實有用。

多年來，關于軸突的主流觀點一直是，它們具有像慢速電線一樣的功能——把電信号放在一端，過一會兒，它就會從另一端出來，基本上沒有變化。如果導線是分支的，則信号将通過分支點傳播，進而将分布在整個軸突主幹中。

近年來，科學家付出了巨大的努力來繪制各種生物的大腦軸突連接配接圖譜。這項工作的基本假設是，電信号通過這些神經元線路可靠地傳播，是以，就像電路示意圖一樣，大腦接線圖将告訴我們神經資訊流向何處。但這個假設總是正确的嗎？

有一個問題：在發育成熟的、完整的、未麻醉的大腦中，動作電位是否可靠地通過高度分支的軸突傳播神經信号，或者說，分支點的動作電位失效是否常見？

當然，你會想，這是我們已經知道的事情，但我們其實真的還沒有破解它。

軸突可以以多種形式出現，它們具有與其傳導速度相關的不同直徑，被來自特殊神經膠質細胞——少突膠質細胞的的髓鞘蛋白包裹的軸突能更快地傳導動作電位。通常，單個軸突從神經元的細胞體中出現，并且其起始段以多種方式特殊化（最明顯的是質膜中的高密度電壓敏感性鈉通道），以産生一個短暫的、定型的電信号，叫做動作電位（或尖峰）。一旦在軸突小丘産生，動作電位就會從細胞體向軸突末端傳播（它也會通過不同的機制反向傳播到胞體和樹突，但這是以後的事情了）。當動作電位傳播時，它們的振幅不會像石頭掉在靜止池塘裡的漣漪那樣減小，而是會在移動時重新産生峰值振幅。這是因為，在一個聰明的正回報回路中，去極化開放的鈉通道允許鈉離子流入，進而産生更多的去極化，并将這種去極化擴散到軸突膜的相鄰部分。當動作電位到達特定區域——活性區時，它們會觸發一系列生化事件，最終導緻充滿神經遞質的囊泡與質膜的機率融合，進而将神經遞質分子釋放到細胞外空間，将信号傳遞給其他神經元（以及一些其他非神經元細胞類型）。這些活性區既可以位于軸突的最頂端，也可以位于“終扣”的結構中，或者位于沿軸突長度分布的被稱為軸突膨體的充滿囊泡的腫脹處。單個軸突可以有數百個這樣的活動區。

那麼，關于真正的分支軸突中的動作電位，實驗向我們展示了什麼呢？在無脊椎動物制劑中，如水蛭（ Yau，1976）或小龍蝦（Smith，1980），答案是複雜的。軸突分支點失效有時會出現，有時則不會。它更可能發生在動作電位的高頻爆發期間，而這是被研究的神經元中常見的放電模式。

在哺乳動物的大腦中，有一些實驗是在幼年齧齒動物新皮層的腦片（Cox等，2000 ；Koester和Sakmann，2000）或小腦（Foust等，2010）或使用分散培養的年輕神經元（Mackenzie 和Murphy，1998）中進行的，顯示了動作電位通過軸突分支點的可靠傳播。其他使用哺乳動物海馬器官型培養的研究，已經使用成對的體細胞記錄來推斷軸突分支點失效，盡管軸突沒有被直接記錄（Debanne等人，1997 )。但據我所知，我們真正需要解決這個問題的實驗，關于對成熟的，未麻醉的哺乳動物的大腦，在其解剖學和神經調節完整的情況下進行測量，還沒有完成。

幸運的是，當代的工具允許這種類型的研究，至少在那些位于大腦表面500微米内的部分是可以的（Broussard和Petreanu，2021)。解決這一問題的實驗涉及一種用于将完整哺乳動物大腦中的神經元結構和功能可視化的技術，稱為體内雙光子顯微鏡，并涉及移除顱骨的一部分以植入玻璃視窗，進而提供對大腦的光學通路。現在有可能使用基因工具來稀疏地表達在基因定型的神經元軸突中動态地報告跨膜電壓或内部遊離鈣濃度的熒光團（作為跨膜電壓的較慢代理，具有某些重要的注意事項），然後在攜帶這些報告者的小鼠的清醒、完整的大腦中制作快速延時電影。當動作電位通過軸突分支點傳播時，以500到2000 赫茲的速度掃描雙光子成像足以分辨動作電位，以确定它們是否在分支點熄滅，還是進入一個子分支，或進入兩個子分支。然而，另一種有趣的可能性是，動作電位的形狀在分支點處發生了改變（已知在高頻爆發期間，軸突末梢中的動作電位也發生了改變[ Geiger和Jonas，2000]，并對某些神經遞質作出反應）。

在我看來，這是了解資訊如何在神經回路中流動的一個至關重要的實驗。當我們觀察到A區的神經元與B區的神經元接觸時，我們是否可以假設資訊可靠地流向A和B之間突觸連接配接的突觸前側？我強烈懷疑，就像生物學中的大多數事情一樣，答案是“視情況而定”。也許動作電位隻能通過直徑較大或有髓鞘的軸突的分支點可靠地傳播，而在較小的無髓鞘軸突中則不能傳播。也許分支點故障的機率或模式取決于所傳遞資訊的動力。人們可以想象，例如，在高頻爆發期間，隻有最初的幾個動作電位會通過分支點傳播，而後面的動作電位會以各種方式失敗。假設軸突的近期活動曆史（例如，在最後200毫秒内）可能影響分支點失效并非不合理。最後，如果軸突分支點失效被動物内部的整體狀态（困倦、饑餓、焦慮、懷孕等）以及精神藥物、大腦溫度或麻醉所改變，同樣一點也不令人驚訝。

是以，你知道了，這并不是一個完全新奇的想法，我相信一些實驗室已經在研究它的某些方面了。當然，它建立在許多其他人的實驗和理論工作之上。我認為這是了解神經回路的一個基本問題，我希望你也同意。如果我有時間，我肯定會沿着這條調查之路走下去，我希望你也這樣做。

【作者大衛·林登（David J. Linden），系美國著名神經學家，約翰·霍普金斯大學醫學院神經科學系教授，《神經生理學雜志》總編，暢銷書《進化的大腦》《尋找爽點》作者。2021年底，他曾撰文描述自己最初被确診心髒滑膜肉瘤時的複雜感受，以及直面死亡時對自己處境的體認。确診17個月後，他對于絕症和自己的生活又有了新的感悟：“癌症晚期的診斷讓我開始思考我的科學生涯，思考它帶給我的喜悅和驚喜，以及如果我有更多的時間，我将從事的實驗。”本文首發于2022年9月21日細胞出版社（Cell Press）旗下神經科學頂級期刊《神經元》（Neuron），原标題為“A life in science, ending soon”。澎湃科技獲細胞出版社授權刊發此文。本文由曹年潤編譯。】

參考文獻：

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