问题

现在神经生物学的发展更多的是工具推动还是 idea 推动的?或是某一时期是工具/idea 推动为主?

回答
这个问题问得很有意思,也触及了科学发展的核心动力。在我看来,神经生物学的发展就像一个精密的共生系统,工具和“想法”(我们称之为“概念”或“理论”)从来都不是孤立存在,而是相辅相成、相互促进的。 如果非要说哪个时期哪个更占主导,那也是根据当时的具体突破和技术瓶颈来决定的,而且往往是“想法”指引了对“工具”的需求,而新“工具”的出现又带来了新的“想法”。

让我来试着从更具人情味的角度,一层层剥开这个问题吧:

早期的“想法”先行,工具只是“辅助”

想象一下,在还没有显微镜的年代,人们如何理解大脑?那时候的神经科学,更像是哲学和解剖学的延伸。比如,古希腊人就对大脑的功能有所猜测,认为它是思考的中心。这些都是基于观察、推理和零星的解剖发现,是纯粹的“想法”驱动。他们会尝试用更简单的工具,比如外科手术刀去“解剖”动物大脑,但这些工具非常粗糙,得到的“想法”也相对模糊。

到了1718世纪,显微镜的发明,虽然本身是物理学上的进步,但对神经生物学来说,却是一场“想法”革命的催化剂。卡哈尔老先生用他的“银染色法”描绘神经元,第一次让我们看到大脑的“细胞”组成,这完全是“想法”驱动的。“想法”是:大脑是不是由很多小的单元构成的?有了这个想法,他才去寻找合适的工具和方法去验证。银染色法这个“工具”的出现,使得“神经元学说”这个颠覆性的“想法”得以确立。那一时期,可以说“想法”更像那个指引方向的星辰,而“工具”则是努力去追寻它的船。

技术瓶颈,呼唤“超级工具”的诞生

随着神经元学说的确立,科学家们开始思考:这些神经元之间是怎么交流的?信息的传递是什么机制?这里又出现了新的“想法”,但之前的工具不足以回答这些问题。比如,神经冲动的电信号非常微弱,如何捕捉?化学信号是什么?早期我们只能通过电生理记录,但信号的精细程度有限。

这时候,我们就会看到“想法”对“工具”的强烈需求。比如,科学家们猜测神经递质的存在,但如何找到和量化它们?这就催生了对更灵敏的化学分析技术和更精细的电生理记录技术的需求。

而当这些“超级工具”一旦出现,比如:

细胞外记录技术(Extracellular recording):虽然不如单细胞记录精细,但它能让我们同时记录大量神经元的活动,这让“网络活动”的“想法”开始浮现。
电压钳(Voltage clamp):这绝对是划时代的“工具”!它让我们可以精确控制细胞膜的电位,从而研究离子通道的电流。霍奇金和赫胥黎的动作电位模型,就是在这个“工具”的帮助下完成的,这不仅是技术的胜利,更是对“神经信号传递机制”这一核心“想法”的完美诠释。可以说,电压钳的出现,让“想法”得以在分子层面被验证和精细描绘。
染料示踪技术(Dye tracing):让我们能看到神经元纤维的投射,从而构建大脑的连接图谱,这同样是“想法”(大脑的连接结构决定功能)驱动了对“工具”的需求。

现代神经生物学:工具与想法的协同进化,更加“智能化”

到了近几十年来,神经生物学的发展更是进入了工具与想法“共舞”的阶段,而且是“智能协同”。为什么这么说?因为现在的“想法”往往是高度复杂的,而支撑这些想法的“工具”也同样是精密且多功能的。

光遗传学(Optogenetics)和化学遗传学(Chemogenetics):这可以说是“想法”驱动“工具”到极致的体现。当科学家们有了“想法”,认为我们可以用光或者特定的化学信号来精确控制特定类型的神经元的活动时,这就需要前所未有的“工具”。光遗传学通过基因工程将对光敏感的离子通道蛋白(如ChR2)导入到特定神经元,然后用激光照射,就能控制这些神经元的兴奋或抑制。这彻底改变了我们研究神经回路功能的方式。这种“想法” настолько 혁신적,以至于它推动了生物工程和光学技术的大融合,创造出了全新的“工具”。一旦有了这些“工具”,我们就能测试更复杂的“想法”,比如:当特定回路激活时,动物会表现出什么样的行为?这又反过来产生新的“想法”。
钙成像技术(Calcium imaging)和多通道电生理记录(Multichannel electrophysiology):这些技术让我们能够同时监测成百上千个神经元的活动,而不仅仅是单个神经元。这带来的“想法”是什么?不再局限于研究单个神经元的行为,而是要理解整个神经群体如何协同工作来产生行为或认知功能。大量的活动数据又需要强大的计算能力和新的“想法”来分析,比如机器学习算法,这又催生了计算神经科学的发展。这是一个非常典型的“想法”催生“工具”需求,而新“工具”又带来更深层次“想法”的循环。
基因编辑技术(如CRISPRCas9):这个“工具”的强大之处在于,它让我们能够以前所未有的精确度去修改基因,从而研究特定基因在神经功能中的作用。如果我们有一个“想法”,比如某个基因突变可能导致某种神经疾病,那么CRISPR就能帮助我们验证这个“想法”。同时,基因编辑也为光遗传学和化学遗传学等提供了基础,让“想法”得以在更广泛的范围内实现。

总结一下,哪个更占主导,其实很难一概而论,因为它们是相互依存的:

“想法”是方向盘,没有“想法”,再好的“工具”也只是闲置的机器。 比如,大脑如何产生意识?记忆是如何储存的?恐惧是怎么形成的?这些宏大的“想法”一直在驱动着我们去探索。
“工具”是引擎和车轮,没有“工具”,再好的“想法”也只能是空中楼阁。 过去很多“想法”因为缺乏观测手段而无法验证,只能停留在猜测阶段。

可以说,在不同的历史时期,主导的动力会有侧重:

早期: “想法”和哲学思辨是主导,技术相对落后。
中期(例如20世纪中后期): 关键技术的突破(如电压钳)极大地加速了对神经信号传递机制的理解,可以说“工具”的出现带来了许多重要的“想法”。
近期至今: 这是一个“想法”与“工具”高度协同进化的时期。我们有了更精密的“想法”(例如关于大规模神经网络如何工作),这又直接推动了更复杂、更精密的“工具”的开发(如大规模钙成像、AI辅助分析),而这些新“工具”的出现又不断刷新我们对大脑的认知,产生更深刻的“想法”。

所以,与其说哪个更“推动”,不如说它们是一种动态的、螺旋上升的“互动”。“想法”提出问题,指引方向;“工具”解决问题,验证“想法”;新“想法”随之产生,继续推动“工具”的革新。这是一个永不停歇的科学探索的“双螺旋”。

网友意见

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Progress in science depends on new techniques, new discoveries and new ideas, probably in that order.

-- Sydney Brenner (2002年诺贝尔生理学或医学奖获得者)

不仅仅是神经科学,生命科学,甚至整个科学,从历史进程的时间尺度来看,都是技术推动的。但对于处在同一历史时期的每一个科学家来说,idea、执行力、运气决定了是他还是别的科学家做出更伟大的发现。

现代科学,更加残酷/现实了,是钱推动的,经费投入在哪里,哪里就能/才能飞速发展,比如人类基因组计划,比如现在的脑连接组计划(10亿欧元啊)。而经费的投向,一方面与简单的idea相关,比如上述两个计划就是很朴素的idea:测定所有的基因或者大脑细胞和突触的连接。同时也与技术的推动有关,熟悉人类基因组计划的同学应该都知道Craig Venter对HGP经费投入的“推动”。而脑连接组计划的启动以及今后的跟进投入,与近期技术手段的进展也有很大关系:显微术的发展,比如电子显微镜、亚衍射极限光学显微术(如STED、PALM、STORM)使得精细的神经突触连接能被观察测定;光遗传学(optogenetics)使得神经元的功能环路更容易被发掘;今年4月份发表的CLARITY技术,让整个大脑组织变得透明,可以让光学显微镜能看得很深,无疑会大大加快连接组的测定。

基因组计划的最初的宏伟目的(之一)-- 通过测得所有基因序列,来预测疾病,并未得到实现。而可以预见(个人观点),脑连接计划的终极目标,如同Sebastian Seung在TED舞台上宣传的“I am my connectome”,通过神经元的连接来预测和解释智能、脑疾病等也未必能实现。但是正如基因组计划一样,在这些计划的推动下,我们的工具会突飞猛进,只要对比一下20年前与现在的测序成本就知道了。

在同一时代竞争的科学家之间,idea是重要的。最经典的例子是Golgi和Cajal,Golgi发明了银染法,通过染色能观察到神经细胞的形态,却坚持细胞之间是之间相连形成网状结构;Cajal利用银染法,却能发现神经细胞之间有间隙,通过后来被命名为突触的结构联系。在当时的技术水平下,这个发现不是很显然的,以至于1905年两人同领诺贝尔奖时仍在就此争吵。

总的来说,我的观点是,朴素的idea引导了技术发展的方向,而技术的发展决定了整个领域的发展速度及外延,科学家个人对技术的掌握及其idea,决定了他和同时代其他科学家的差距。

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