我的科学观｜大卫·林登：持续研究，直到科学生涯的最后时刻

·保持好奇心，拥抱科学固有的不确定性，享受和尊重你的同事（特别是你的学员），并记住我们的最终目标，了解自然世界，超越期刊、拨款和奖项，并尽量比所有人活得更久。


美国著名神经学家、约翰·霍普金斯大学医学院神经科学系教授大卫·林登。
17个月前，在手术切除了我心包囊内的一个大肿块后，病理报告出来了，结果并不好。我被诊断患有心脏滑膜肉瘤，估计只剩下6–18个月的寿命。因为肿瘤嵌在我的心壁上，外科医生不可能在不损害我心脏功能的情况下切除所有的癌细胞。我的肿瘤以前有一个汽水罐那么大，现在已经缩小到一个杏子那么大。手术后，我接受了放疗和化疗，期间充斥着各种各样的不愉快。最后一剂化疗是在9个月前进行的，现在副作用已经消失。最近的一次CT扫描发现，残留在我心脏上、无法进行手术的那部分肿瘤没有进一步生长，也没有转移。
活到60岁，我发现自己处于一种奇怪的、认知不协调的状态：患上了绝症，但感觉很好，因为它对我的健康没有直接的威胁。仅从外表，你看不出我有什么不对劲。上周，我和妻子去了一家爵士俱乐部，今天，我在实验室里和学生们聊他们的实验，下周，我将和家人在加拿大的一个湖上度假。现在，我的生活是美好的，我正在品味它的甜蜜，努力在家庭、朋友和工作等各个领域充分利用我剩余的生命。
我的同事也处在认知不协调的状态中。当我经过走廊时，我会看到奇怪的表情——每个人都彬彬有礼，但我可以告诉你，他们正在以最友好的方式思考，“他现在不是应该已经死了吗？”
在过去的30年里，我在约翰·霍普金斯大学（Johns Hopkins University School）医学院管理一个神经科学实验室。我们使用细胞电生理学和来揭示大脑对经验的持续反应背后的细胞过程。其中，经验的范围包括从感觉运动信号到脑损伤，再到药物或激素的长期影响。神经可塑性包括神经元（以及大脑中的其他细胞，如神经胶质细胞和血管内皮细胞）结构的细微变化，以及突触和离子通道的功能变化，这些变化使神经元具有电兴奋性。神经可塑性似乎是学习/记忆、成瘾和脑损伤后功能恢复等现象的基础。
这项工作一直是，也将继续是一个巨大的乐趣。我有这样的体会，主要是由于我周围那些聪明、具有创造性、善良的人——我的学生和博士后，还有同事和合作者。我非常感激能得到这样一份可以遵循自己好奇心的工作，并可以在这样一个充满激励和支持的环境中从事它。这样的智识自由是一份独一无二的礼物。事实上，这份工作也让我有了一个平行的职业——为普通读者写关于大脑功能的书，这让我更加开心。以任何合理的标准来衡量，我都已经在科学领域过得很好。同时，我也充分认识到，作为一个受过良好教育的白人，我在这条道路上比其他许多人走得更顺利。
这些天，我的实验室还在运转，但我们的工作规模正在逐渐减小。我们不再接受任何新的项目或人员，也不撰写任何新的拨款提案。我希望自己能活得足够长，以帮助目前这批出色的学员进入职业生涯的下一个阶段。我们有六个正在进行的项目，我们希望完成并发表它们，然后我们的实验室就将停止。在实验室工作了42年（从1980年我的第一份本科实验室工作开始算起），这是一件很难说出口的事。这里永远有令人兴奋的新实验可以做，而我将不得不停止，这个想法是对我最深的自我意识的挑战：如果我不是一个实验科学家的话，我到底是谁？
作为科学家，我们一直都在与一个基本矛盾作斗争。我们必须深入当下，才能真正与人、数据和想法互动。同时，我们必须又始终在心理上预测未来——如果我们得到结果X，会发生什么？将技术Y应用到我们的问题中可能会产生什么见解？另一个实验室报告的新发现如何改变我们的观点或实验设计？我们永远不能完全“在此时此地”。我们总是有义务考虑下一件事，但这没关系。
我希望我能告诉你，我即将到来的死亡给了我一些新的或令人惊讶的，关于如何最好地在科学领域拥有快乐、充实和富有成效的生活的启示，但事实并非如此。秘诀其实很简单，且众所周知：保持好奇心，拥抱科学固有的不确定性，享受和尊重你的同事（特别是你的学员），并记住我们的最终目标，了解自然世界，超越期刊、拨款和奖项，并尽量比所有人活得更久。
虽然这不是“一个神奇的技巧”，但我会提供一条小而具体的建议，或者更确切地说是重复一遍，因为在我之前，其他人已经说过了，那就是定期从日复一日的实验科学挑战中抽身，抬起你的头，环顾四周，深入思考你真正想回答的科学问题是什么。这是我每隔几年就尽力去尝试的一项练习，也已经取得了不同的成效。在我生命的最后时刻，我也正在做这件事，尽管我无法将这些想法转化为实验。
所以，如果你允许的话，我想告诉你一个我想知道的问题，如果能让我的实验室再运行几年的话，它将是我想研究的清单上的首要问题。
当我们看到神经元的示意图时，我们通常会发现一个细胞体，其中出现多个分支树突，这是神经元的主要信息接收结构，也是形成突触的地方，以及一个单一的直轴突，这是主要的信息发送结构，动作电位沿着它传递。轴突通常被画成一条不分支的线，末端有一个单独的膨大部分，即“终扣”，神经递质从这里释放出来。
然而，自神经解剖学家先驱卡米洛·高尔基（Camillo Golgi）和圣地亚哥·拉莫尼·卡哈尔（Santiago Ramony Cajal）的时代以来，人们就知道轴突可以分支，有时会反复分支，从而支配许多不同的目标。最近，现代遗传学和成像技术的融合使神经解剖学家能够重建成年小鼠大脑中许多神经元的整个轴突和树突（Winnubst等，2019)。对我来说，这些努力中最有趣的发现之一是，大脑中的单个神经元非常普遍地拥有大量广泛分布于大脑不同区域的分支轴突。在许多情况下，单个轴突的多个目标不仅在解剖学上相差甚远，而且在功能上也截然不同，至少在我们目前的理解水平上是如此。
对于某些神经元，你可能会抱有期待。例如，蓝斑的单个神经元拥有在大脑中广泛投射的轴突，这些轴突主要释放神经递质去甲肾上腺素，由于其对慢G蛋白偶联受体的作用，具有相应的慢神经调节效应，反映了觉醒、警觉和情绪等状态。这些信号广泛分布于大脑区域中并不令人惊讶，因为它们似乎传达了变化更为缓慢的信息，对于在大脑的大范围内设定计算的总体基调是有用的。相比之下，传递感觉或运动信号的单个神经元更经常通过与离子通道直接耦合的快速受体（如神经递质谷氨酸、GABA和甘氨酸的某些受体）工作，并传递快速变化的信息（在毫秒到几十毫秒的范围内）。人们不一定会期望这种快速变化的信息在大脑中广泛分布是有用的。然而，现代神经解剖学表明它确实有用。
多年来，关于轴突的主流观点一直是，它们具有像慢速电线一样的功能——把电信号放在一端，过一会儿，它就会从另一端出来，基本上没有变化。如果导线是分支的，则信号将通过分支点传播，从而将分布在整个轴突主干中。
近年来，科学家付出了巨大的努力来绘制各种生物的大脑轴突连接图谱。这项工作的基本假设是，电信号通过这些神经元线路可靠地传播，因此，就像电路示意图一样，大脑接线图将告诉我们神经信息流向何处。但这个假设总是正确的吗？
有一个问题：在发育成熟的、完整的、未麻醉的大脑中，动作电位是否可靠地通过高度分支的轴突传播神经信号，或者说，分支点的动作电位失效是否常见？
当然，你会想，这是我们已经知道的事情，但我们其实真的还没有破解它。
轴突可以以多种形式出现，它们具有与其传导速度相关的不同直径，被来自特殊神经胶质细胞——少突胶质细胞的的髓鞘蛋白包裹的轴突能更快地传导动作电位。通常，单个轴突从神经元的细胞体中出现，并且其起始段以多种方式特殊化（最明显的是质膜中的高密度电压敏感性钠通道），以产生一个短暂的、定型的电信号，叫做动作电位（或尖峰）。一旦在轴突小丘产生，动作电位就会从细胞体向轴突末端传播（它也会通过不同的机制反向传播到胞体和树突，但这是以后的事情了）。当动作电位传播时，它们的振幅不会像石头掉在静止池塘里的涟漪那样减小，而是会在移动时重新产生峰值振幅。这是因为，在一个聪明的正反馈回路中，去极化开放的钠通道允许钠离子流入，从而产生更多的去极化，并将这种去极化扩散到轴突膜的相邻部分。当动作电位到达特定区域——活性区时，它们会触发一系列生化事件，最终导致充满神经递质的囊泡与质膜的概率融合，从而将神经递质分子释放到细胞外空间，将信号传递给其他神经元（以及一些其他非神经元细胞类型）。这些活性区既可以位于轴突的最顶端，也可以位于“终扣”的结构中，或者位于沿轴突长度分布的被称为轴突膨体的充满囊泡的肿胀处。单个轴突可以有数百个这样的活动区。
那么，关于真正的分支轴突中的动作电位，实验向我们展示了什么呢？在无脊椎动物制剂中，如水蛭（ Yau，1976）或小龙虾（Smith，1980），答案是复杂的。轴突分支点失效有时会出现，有时则不会。它更可能发生在动作电位的高频爆发期间，而这是被研究的神经元中常见的放电模式。
在哺乳动物的大脑中，有一些实验是在幼年啮齿动物新皮层的脑片（Cox等，2000 ；Koester和Sakmann，2000）或小脑（Foust等，2010）或使用分散培养的年轻神经元（Mackenzie 和Murphy，1998）中进行的，显示了动作电位通过轴突分支点的可靠传播。其他使用哺乳动物海马器官型培养的研究，已经使用成对的体细胞记录来推断轴突分支点失效，尽管轴突没有被直接记录（Debanne等人，1997 )。但据我所知，我们真正需要解决这个问题的实验，关于对成熟的，未麻醉的哺乳动物的大脑，在其解剖学和神经调节完整的情况下进行测量，还没有完成。
幸运的是，当代的工具允许这种类型的研究，至少在那些位于大脑表面500微米内的部分是可以的（Broussard和Petreanu，2021)。解决这一问题的实验涉及一种用于将完整哺乳动物大脑中的神经元结构和功能可视化的技术，称为体内双光子显微镜，并涉及移除颅骨的一部分以植入玻璃窗口，从而提供对大脑的光学访问。现在有可能使用基因工具来稀疏地表达在基因定型的神经元轴突中动态地报告跨膜电压或内部游离钙浓度的荧光团（作为跨膜电压的较慢代理，具有某些重要的注意事项），然后在携带这些报告者的小鼠的清醒、完整的大脑中制作快速延时电影。当动作电位通过轴突分支点传播时，以500到2000 赫兹的速度扫描双光子成像足以分辨动作电位，以确定它们是否在分支点熄灭，还是进入一个子分支，或进入两个子分支。然而，另一种有趣的可能性是，动作电位的形状在分支点处发生了改变（已知在高频爆发期间，轴突末梢中的动作电位也发生了改变[ Geiger和Jonas，2000]，并对某些神经递质作出反应）。
在我看来，这是理解信息如何在神经回路中流动的一个至关重要的实验。当我们观察到A区的神经元与B区的神经元接触时，我们是否可以假设信息可靠地流向A和B之间突触连接的突触前侧？我强烈怀疑，就像生物学中的大多数事情一样，答案是“视情况而定”。也许动作电位只能通过直径较大或有髓鞘的轴突的分支点可靠地传播，而在较小的无髓鞘轴突中则不能传播。也许分支点故障的概率或模式取决于所传递信息的动力。人们可以想象，例如，在高频爆发期间，只有最初的几个动作电位会通过分支点传播，而后面的动作电位会以各种方式失败。假设轴突的近期活动历史（例如，在最后200毫秒内）可能影响分支点失效并非不合理。最后，如果轴突分支点失效被动物内部的整体状态（困倦、饥饿、焦虑、怀孕等）以及精神药物、大脑温度或麻醉所改变，同样一点也不令人惊讶。
所以，你知道了，这并不是一个完全新奇的想法，我相信一些实验室已经在研究它的某些方面了。当然，它建立在许多其他人的实验和理论工作之上。我认为这是理解神经回路的一个基本问题，我希望你也同意。如果我有时间，我肯定会沿着这条调查之路走下去，我希望你也这样做。
【作者大卫·林登（David J. Linden），系美国著名神经学家，约翰·霍普金斯大学医学院神经科学系教授，《神经生理学杂志》总编，畅销书《进化的大脑》《寻找爽点》作者。2021年底，他曾撰文描述自己最初被确诊心脏滑膜肉瘤时的复杂感受，以及直面死亡时对自己处境的体认。确诊17个月后，他对于绝症和自己的生活又有了新的感悟：“癌症晚期的诊断让我开始思考我的科学生涯，思考它带给我的喜悦和惊喜，以及如果我有更多的时间，我将从事的实验。”本文首发于2022年9月21日细胞出版社（Cell Press）旗下神经科学顶级期刊《神经元》（Neuron），原标题为“A life in science, ending soon”。澎湃科技获细胞出版社授权刊发此文。本文由曹年润编译。】
参考文献：
1. Broussard, G.J., and Petreanu, L. (2021). Eavesdropping wires: recording activity in axons using genetically encoded calcium indicators. J. Neurosci. Methods 360, 109251. https://doi.org/10.1016/j.jneumeth.2021.109251.
2. Cox, C.L., Denk, W., Tank, D.W., and Svoboda, K. (2000). Action potentials reliably invade axonal arbors of rat neocortical neurons. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 97, 9724–9728. https://doi.org/10.1073/pnas.170278697.
3. Debanne, D., Guerineau, N.C., Gahwiler, B.H., and Thompson, S.M. (1997). Action potential propagation gated by an axonal IA-like K+ conductance in hippocampus. Nature 389, 286–289. https://doi.org/10.1038/38502.
4. Foust, A., Popovic, M., Zecevic, D., and McCormick, D.A. (2010). Action potentials initiate in the axon initial segment and propagate through axon collaterals reliably in cerebellar Purkinje neurons. J. Neurosci. 30, 6891–6902. https://doi.org/10.1523/jneurosci.0552-10.2010.
5. Geiger, J.R.P., and Jonas, P. (2000). Dynamic control of presynaptic Ca2+ inflow by fast-inactivating K+ channels in hippocampal mossy fiber boutons. Neuron 28, 927–939. https://doi.org/10.1016/s0896-6273(00)00164-1.
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7. Mackenzie, P.J., and Murphy, T.H. (1998). High Safety Factor for Action Potential Conduction Along Axons But Not Dendrites of Cultured Hippocampal and Cortical Neurons. J. Neurophysiol. 80, 2089–2101. https://doi.org/10.1152/jn.1998.80.4.2089.
8. Smith, D.O. (1980). Mechanisms of action potential propagation failure at sites of axon branching in the crayfish. J. Physiol. 301, 243–259. https://doi.org/10.1113/jphysiol.1980.sp013202.
9. Winnubst, J., Bas, E., Ferreira, T.A., Wu, Z., Economo, M.N., Edson, P., Arthur, B.J., Bruns, C., Rokicki, K., Schauder, D., et al. (2019). Reconstruction of 1, 000 projection neurons reveals new cell types and organization of long-range connectivity in the mouse brain. Cell 179, 268–281.e13. https://doi.org/10.1016/j.cell.2019.07.042.
10. Yau, K.W. (1976). Receptive fields, geometry and conduction block of sensory neurons in the central nervous system of the leech. J. Physiol. 263, 513–538. https://doi.org/10.1113/jphysiol.1976.sp011643.