精确神经生物学

当前的神经生物学研究，很重要的一点是需要引入精确神经生物学的科学思想。

在2012年中国科学院学部的第17次“科学技术前沿论坛”上，笔者曾经提出了“精确细胞生物学”的设想。这是笔者2006年以来提出“活细胞大分子定位与定量研究”设想的继续和发展。什么是精确细胞生物学？所谓“精确”是指要有定位、定量、时间（时机，timing）等方面的详细信息［31］。

细胞的极性，以脂筏与胞膜窖（caveolae）为特征的细胞质膜的非匀质性，细胞质膜上受体的不均匀分布，细胞内信号转导系统分子的“区隔化”和分子间的“牵拽”作用，细胞内各种区隔（compartment）、微域的存在，以及细胞骨架分子的结合蛋白和缔合蛋白的作用等事实，都表明了细胞结构及功能的非均一性。这些事实也有力地提示，细胞内的蛋白质大分子是组构成为有效分子机器的，它们是在处于一定位置和具备一定浓度（量）的条件下发生相互作用的。本书3.5.6提到的突触小泡胞外排和胞内吞的微米/纳米域钙耦合，就是生动的实例。

所以，蛋白质大分子的定位和定量问题是细胞生物学的基本问题。当细胞内的主要大分子在一定时间范围内的定位和定量问题得到基本阐明以后，融入必要的其他材料，包括单分子研究的材料，人们将可以在更精确水平上描绘细胞的功能活动，这应当被称为精确细胞生物学（precision cell biology）。但是，详细地演示蛋白质大分子之间的定位关系，确切地测定它们的微局域浓度并非易事，主要是受到技术条件的限制。近年发展起来的超分辨荧光显微镜、冷冻高压电子显微镜等新技术，极大地有利于这方面的研究，但仍远不能满足需求，还要继续发展。近年来笔者曾连续地企图推动单分子研究、细胞内大分子的定位定量问题研究，其原因盖出于此［31,32,33］。

在细胞和分子水平脑研究的各个方面，以还原论为指导思想的研究仍有深入的必要。除前面已经论述的以外（见21.2.3），目前显得迫切需要解决的问题还有很多：在神经细胞内、在细胞器内，这些生物大分子的定位是如何实现的？局域浓度有多高？这也即大分子的定位、定量问题。这样做，才能把分子水平的活动与细胞、亚细胞水平的活动结合起来，甚至与神经回路水平的活动结合起来，以解释脑功能。

在神经元内的众多大分子中，首先我们可以按照“精确细胞生物学”的要求研究受体和离子通道这两种分子。下面仅举数端。

1．离子通道的分布和密度

以钠离子通道为例，已经知道钠离子通道在神经传导中起关键作用，现在已经能够用胶体金电镜方法，来显示钠离子通道在轴突始段的密集分布。但这还不够，为了完整地了解神经传导功能，系统地作图钠离子通道在整个神经元膜表面的分布将是一件很有意义的基础性工作。

现在已经有不少报道，应用单分子技术和极低浓度检测技术取得了新的实验结果。例如，实验应用单分子跟踪技术来跟踪突触前神经末梢钙通道群体的运动，发现海马神经元的突触前末梢的钙通道群体呈现动态组构特征。实验提示，通道运动度促进钙内流的协作性可能也是调节小泡释放的一种途径［34］。又如，应用荧光成像技术检测神经细胞的极低浓度钙离子也已经取得进展。OGB-1（oregon green BAPTA-1）(2)生存时间读出，是检测低Ca2+浓度的一种特殊技术，其采集速率可达100 Hz［35］。

2．神经细胞的背景电噪声

除已知的脑电活动形式（节律性脑电、动作电位、突触后电位）之外，有没有未被描述的电噪声（noise）？在分析神经元电压噪声的文献中，一般罗列3类噪声——通道噪声、突触噪声、锋电位放电时间不规则引起的噪声。但是，还有其他因素引起的细胞膜的“内源性”电噪声，例如由于离子通道、离子型受体、生电泵等蛋白质大分子本身运动的波动（fluctuation）所引起的电位波动。这种电噪声会引发一些新的思考，即它们会不会影响整体神经元的膜电位，以致最后影响突触后电位或动作电位。如果是有影响的，那么最后它的作用或者应该归入调制动作电位传导或突触电位传递的范畴，或者归入一种新的调制作用；如果并非如此，那它的作用就很费思考了。从技术的角度考虑，需要精确测定局域膜的电位，然后考察其是否影响神经动作电位或突触电位，以及影响定量关系（见第8章）［36］。

3．突触后受体的定量、定位研究

突触传递的基础在于：突触小泡是如何从突触前区隔排出来的；在突触后区隔方面，排放出来的递质又如何引起递质受体的激活。突触传递研究已经相当深入，突触小泡胞外排的研究在时间上精确到毫秒级水平，突触后递质受体运输和突触后特异化（PSD）构筑的研究也很精确。这些都反映了当前神经科学研究的一种趋势，即如果从还原论的研究思路出发，除了层次上不断深化以外，从细胞生物学角度对所讨论的问题加以精确界定，实在是已经到来的、不可避免的前景。可喜的是，目前有关突触传递的大分子定位与定量问题的研究报告正在多起来。例如，本书所介绍的纳米级别的AMPA受体局域浓集、甘氨酸受体和桥连蛋白簇等，就是一些例证（见3.7、3.8）。又如，发现了抑制的精确形式。应用成像方法检测动作电位诱发的树突钙信号，同时激活经鉴定的抑制性突触，F. E. Müllner等测定了单个GABA突触所产生抑制的时空剖面，检测到的树突干和树突棘钙信号的抑制可达到毫米/毫秒的精确度［37］。

神经肽研究有其固有的困难，困难之一是还没有或很少有神经肽的特异性拮抗剂和激动剂，还由于它弥散一段距离以后才起作用，其作用的专一性较差。因此，对于神经肽作用的研究，不论从配基还是受体看，都存在着困难。只有克服困难，才能沿着精确细胞生物学的方向前进。

我们希望神经元的细胞周围调制能够朝着精确细胞生物学的方向前进，这是因为只有把大分子在细胞内的定量、定位问题准确地搞清楚以后，我们才可能有一个真实、客观的神经调质和神经肽作用的图像。问题是要做到这一点很不容易，例如各种受体、离子通道在突触外区的分布及密度，对这些都仍然不够清楚。弄清楚了以后还要在电学基本原理下加以阐明。

突触区、突触外区的离子通道和受体的定位与定量问题是一个基本而又非常重要的问题。由于神经细胞的独特形态特点，按照功能的不同，可能需要在突触后神经元质膜上区分出3种不同的区隔。①突触区（synaptic area）或突触下区（subsynaptic area），这是突触前分泌的递质立即可以到达的区，神经传递就在这里发生。②突触交换区（synaptic exchange area），这是比较靠近突触下区的突触后膜区，这里的受体可以很快地与突触下区的受体互相交换。因为突触可塑性变化与突触下区的受体交换有很大的关系，所以此区可能与可塑性有着重要的关系。③突触外区（extrasynaptic area），这是离开突触下区较远的突触后质膜区，这里所分布的受体以及受体所起的作用可能与突触区的有很大不同，神经活性物质作用于此区的受体，其所起的作用主要是神经调制［36］。

从整合的角度看问题，为了真正弄清楚神经回路功能和脑功能，还原论应该提供精确数据，至少应当包括以下两个方面——精确的神经回路连接学和分布系统内的局部定位脑功能。

近数十年来，关于脑的分布系统的看法，得到了大多数学者认同。当然，分布系统与神经回路两者是有区别的。近年来，有关杏仁核参与恐惧情绪神经回路的研究、下丘脑ARCAgRP神经元与摄食行为的神经回路研究，提供了很好的范例，但离开分布系统的要求还有距离。例如在有关杏仁核的研究中，已经提出了分布系统的LTP。这就是说，实施恐惧反应的分子变化属于“分布的可塑性”（distributed plasticity）（见第16、17章）。

对于脑分布系统功能的阐明，又必然要与“同步化”、“捆绑”问题联系起来。实际上这就是一个多细胞协调运作的问题。在分布系统上实现脑功能，重要的是如何实现有生理意义的同步化，例如：①在一个小的局部范围内的一些神经元如何同步起来；②两个以上有一定距离的脑部位，如何按时间先后同步起来。对应于某一种神经功能、对应于某一种脑分布系统，还需要了解其具体的同步机制（见第1、13章）［36］。由脑电的振荡活性提出了同步化可能的途径，但是要把“捆绑”、“同步化”匹配到分布系统，还有许多事情要做。

对神经回路和脑分布系统的研究也应该是精确的。我们要有精确的神经回路与精确的脑分布系统，任何一项科学的分析都必须是具体而精确的。

以脑内调制系统为例，脑内调制系统的研究需要按照精确的要求进行。就上面所提到的多巴胺系统而言，脑内有17个多巴胺神经元核，它们的分布、投射各有特点，接受多巴胺投射的不同脑区的多巴胺受体又各有特点。因此，必须按照具体的神经核进行具体的分析。迄今为止，多巴胺投射和受体比较清楚的神经核也只有前额叶皮层（PFC）和纹状体而已。在每个脑区或神经核，都需要区分不同性质的神经元是投射神经元还是中间神经元，神经元的不同区隔是突触前区隔还是突触后区隔，是何种类型的多巴胺受体等［27］。这说明，按照精确要求进行神经调制的研究，既是一种苛求，也是客观的需要。

上面提了那么多精确的要求，乍看起来似乎接近苛求，但仔细想想也许能够心平气和下来，因为科学的本质就是要探索客观的未知，而客观事物本身就有那么复杂，任何人想要简单化，很难达到目的。