[转帖]脑科学基础研究的四大困境：反思与评论

这是的一篇争议性很大的热点文章。作者huaeren.转载自生物谷论坛精华.由于它反映了西医内部对自己理论的反思，我们在研究中医时也要吸收别人的教训，不要重蹈覆辙，因而我把它转贴过来。

       脑科学的基础研究的现状应该怎样评价？
如果摆脱经费总量、论文总量、人员总量等硬尺度的统计表象；根据以下三个方面的事实总结，则不难做出一个结论。——脑科学基础研究这十年来正在走下坡路。
      （1） 美国十几年前提出“脑的十年”计划时正值神经科学此前近一个世纪空前活跃发展的收获峰顶。回顾历史，许多突破性的成果至今仍令人难以忘怀。但是，在此之后却走向低潮期。这十几年来，世界各国在此领域所投入的研究经费为由史以来最高，但真正具有重要突破意义的新的基础实验或理论成果几近空白。“脑的十年”计划的实施除了进行了一场大规模的公共宣传之外，实际上在基础研究方面没有什么显著收获。实际上是以失败和落空而告终。同时，诺贝尔生理学奖对神经生物学研究成果的一次次颁发也助长了这种公共宣传的热度，但实际上其所颁发的成果都是“脑的十年”计划出台以前的东西。
     （2） 几十年前，电频脉冲与脑电的解读是一个大热门；神经动力学模型和人工神经网络研究也曾是另一个大热门；这两个领域在当时都是极富有魅力的学术前沿和尖端课题，曾吸引了一批又一批才华横溢的优秀学者的参与，包括相当数量的非神经生理学专业人士。但现在两者都走到了困境中。原来的那些乐观主义冲动和预期已逐渐消失，代之以一些悲观性的看法在越来越多公开的论述中常见之。虽然还有一些后续研究项目在努力坚持原有的方向，但现在已经再也见不到当年那种雄心勃勃地争锋气势和志在必得的目标设定了。
（3） 分子神经生物学无疑是神经科学中最成功的领域。可是，几十年来分子神经生物学实验积累了巨量的关于神经细胞、亚细胞生物化学方面的知识和数据，但迄今却连神经元的信息工作机制也没有搞清。更不用说搞清神经元网络系统的信息工作机制了。微观实验研究所取得的重要的知识发展并未能为神经功能的整合机制研究带来突破。现在的微观研究在分辨率上正在走向极限；耐人寻味的是，如此细微数量级的结构解剖竟仍然不能捕捉到“灵魂”的踪影。困惑感日趋浓重，在大规模神经元细胞群的信息整合研究方面，一直缺乏新的突破性技术手段。
这些问题国内、外现实状况基本一样。从某种意义上讲，脑科学的基础研究目前实际上正处在低潮期。
是否客观地面对这一问题，不仅是为脑科学研究的真实现状的准确性的评价需要；更重要的是为脑科学研究的未来方向的准确性的反思需要。。
     本文将重点对脑科学基础研究中的四大困境问题做逐一讨论。谬误之处，敬请指正。
         
         
                  

                  困境之一：基础研究的工程化体制困境
            
   
在笔者的印象中，美国曾有过三个著名的“十年”计划，登月计划，征癌计划，脑计划。只有前者成功，后两者均已流产。
谈及失败的原因，有学者以科学“复杂性”、“难以预测”总结之。作者对此的反思是：从性质上讲，登月计划是工程技术项目，因为它是建立在比较成熟和完善的运动力学、热力学、化学、电子学、天文物理学等基础科学的基础之上的。在登月计划实施之前，上述各学科就已经拥有了经过长期实验和实践锤炼的比较完整的理论与工程体系。
而后两个计划从性质上讲不是工程技术项目，而是基础科学研究项目。因为这两个计划均未有成熟可靠的核心理论为其支撑。许多重大的基础性疑难课题尚无解决。同样是“复杂性”，一个是技术研究之“复杂性”，一个是科学研究之“复杂性”。南辕北辙！
怎么敢为一个基础科学研究一而再的制定“征服时间表”呢？                 
深层的原因在于科学界虚火亢盛。征癌计划出台时正值登月成功和分子生物学取得巨大突破，脑计划出台时正值神经分子生物学大收获。在喧嚣的舆论和商业利益泛没下，科学研究则会失去原有的宁静和纯朴，沾染上虚浮和实利的气味。科学家们则可能会失去原有的超脱和谨慎，转而变得急功近利与浮燥虚夸。这才是两个流产计划产生的时代背景和深层原因。
    现在的国外、国内脑科学界实际上仍还是不同程度地处于这种工程化体制以及所营造的虚火亢盛的环境氛围之中。主要的表现有两个方面。
   （1）从项目的管理上看，脑神经科学的许多研究项目目标设定过于急功近利。
许多研究项目的目标和潜在动机实利性太强。有的基础研究目标指向药品开发，有的指向老年疾病，有的指向儿童教育与智力开发，有的指向戒毒，有的指向超级计算机，有的指向人工智能，有的指向军事用途等等。
     这种做法实际上还是征癌计划的翻版。本质上，在脑神经科学基础性理论体系尚未成熟的情况下，上述种种目标计划实质还是工程技术性质。以银杏叶药物为例，二十多年的研究仍然没有搞清真正的生物化学药理模型。
（2）从研究的成果管理上看，脑神经科学的成果发表浮躁虚夸。
脑科学做为当代自然科学中的一个大热门，引入了大量的，不同学科背景学人参与。短短几十年中，人数巨增，论文论著巨增，试验室与资金巨增，一派繁荣。
但在现有的学术竞争体制下，巨大的人员参与压力使学术成果发表短期行为加剧。表现为研究结果的公布常常急躁和匆忙，不少结论粗制滥造，甚至虚假浮夸。出现了许多“多产学者”和“多产试验室”。
在这种氛围下，真正的无功利性的，长远性的基础研究反而被冷落，不能“多产”的学者反而没有知名度和不被重视，不能“多产”的试验室反而缺乏资金。同时，巨量的论文论著也使得少量的优秀成果更容易被埋没。大量低水平论文像生产线那样“批量生产”。
这一切，总体构成了脑的基础研究的工程化体制困境。
自然科学基础研究的科学史已经证明：基础研究无法按照既定的方向、步骤和时间表运行前进。这是基础科学所内在的巨大的不确定性而决定的。因此，解决脑神经科学的基础研究的工程化体制困境的方法不能脱离基础科学的特点。工程化体制虽然具有尺度明确，目标操作性强，指标化管理简便易行等优势；但在对不确定性的计划管理方面却成为一大劣势。
解决这一困境的可能出路在于对脑科学基础研究重新设定三类不同的学术目标和衡量尺度，由此分出纯基础性研究项目、基础性研究项目、工程基础性研究项目；在此基础上对经费资助、计划管理、成果评价等机制进行相关的适应性调整。

[这个贴子最后由飞龙戏水在 2004/05/14 10:50am 第 2 次编辑]

                  困境之二：系统仿真研究的实证困境
     记不清是哪一位科学大家说过的名言：哲学是无果之花。但记得另一位大家牛顿的一句警告：别理它，形 而 上学（在牛顿时代即哲学）。
     无意探讨哲学。只是要将哲学的一个致命天性引入到我们对脑研究的反思中去。
     哲学与科学一样，也建立理论。但却有一致命天性：即：解释一切，概括天地万物。而科学却只能在其可实证的有限基础上建立有限的解释模型。因此，哲学的学说是泛式理论的典型样板。泛式理论之所以不能为科学，原因在于其原始概念从一开始就因其概括无限而置自己的实证基础于虚空之中。这好比是“黑洞”一样。把一切物质都纳入进去了，却无能于向外放出一点光芒。
     在脑研究的几种较强势的阵营中，系统仿真派是后起之秀。基本方法：一是做数学计算模型；二是模拟实物模型（例如神经计算机）。这一阵营所宣传的理论方法和其气势磅礴的战略目标对传统神经学界的震撼强烈，冲击很大。大有未来夺取领军阵旗之声势。
     但笔者却有自己的忧虑和怀疑。虽不从事系统仿真，但已十几年留心注意之，一些思考的结论令我警觉。做为一种争论，我无所保留或暧昧。
     系统仿真的前身是物理学或工程学的计算方法和计算理论。50年代前后发源于美国。在解决以物理科学为基础的工程应用中成就显著而逐步形成。
之后，在一批雄心勃勃的学者的推动下，开始向广泛的领域引伸，并力图形成一种超级理论形态。变种很多：控制论，信息论，系统论，协同论，自组织论，突变论，混沌学，耗散结构论，广义进化论，非线性动力学，等等。先后出现过许多著名人物。
而引伸进入的领域空前绝后：经济学，社会学，历史学，政治学，文化学，管理科学，生态学，思维与心理，宇宙进化，生物进化，医学，环境科学，城市研究；以及军事，科研，教育，人口，等等。
当然，当仁不让的一个重点进军领域就是生物学，特别是神经学与脑研究，这方面的引入已经很多，时间已有几十年，这里不再详列。现在有一个公开口号，称这种超级理论是解决复杂现象（或复杂巨系统）的最前沿和最有前途的科学。
    这是科学吗？
    笔者有两个警觉！
    首先，这种打破传统学科分类界限的泛领域理论的可实证有限性问题怎么解决？举个实例：怎么能够把建立在细胞生理基础之上的神经网络现象与建立在硅原子物理基础之上的逻辑运算现象统一在一个理论体系中呢？这种彻底抛开发生基础及其发生实证条件的理论无疑又是一种哲学再现。只不过它比传统哲学在形式上更新异。我们不妨称之为：解析哲学——即以计算解析工具为表达方式的新哲学理论。
    之二，在原工程物理领域的成功，只能证明它附合那一领域研究对象的原型发生。但并不能证明它就附合其它领域研究对象的原型发生。脑的原型与一部机器的原形，或一蚁群的原型相比，其各自的发生为天壤之别。因此，以某种原型总结出的东西变成符号，公式，方程之后，千万不能神秘化和玄迷化。一旦越出工程学，物理学的界限，它就变成谬论。原型科学是根！数学仿真永远是末。本末倒置，其理何在？
    回到神经科学的脑模型研究上去，看看这种“本末倒置”的结果。仅神经元模型据说就有几千种之多。但从一些典型的，知名的模型来看，普遍的处理方法是不顾生理与生化的本来原型，通过各各种修改技术（例如：平均公差，简化元素，放弃化学影响因子，简化结构复杂性，忽略各种干扰信号等。）来使生理“原型”附合“模型”的需要和特点。
不断地开“花”，却结不下一个“果”来。大家之言正在应验。几十年的脑模型研究花费金钱无数，却迄今没有取得任何被神经生物学界公认的有价值的实证成果。脑模型仿真研究已经陷入到自身的实证困境中去了。而同时，这种研究也长期不能被主流神经学派所接纳；致脑模型仿真学派在某种意义上成为孤芳自赏的隔离圈子。经常地、反复地、长期地强调“复杂性”，已经成为这一圈子自觉或不自觉地掩饰自身成果缺陷的公共流行语。
解决这一困境的可能出路是：作为一种学派，不能由学派之外来提供有效的帮助。科学史证明，任何一个学派的实证困境都将以这个学派最终自身的觉醒和自觉地退出而解脱。

                困境之三：原型理论研究的还原解释困境
     
    曾读到一篇学术评论文章，题为：还原主义的胜利。文中对还原方法在生命科学中的成功，表达了胜利的欢呼。
    二十世纪是生命科学取得辉煌成就的时代。这其中自然也包括神经科学所取得的巨大的知识增长。任何一位学术新人在初进神经科学之门时，也会为这一新异、博大的科学成果赞叹和兴奋。但是，随着时光流逝，了解欲深，一种困惑的感觉也会欲发显现出来。
    “还原主义的胜利”是神经科学的胜利吗？在许多有关神经科学的评论中，都将物理学与化学（特别是化学）在神经科学研究中的成功运用和研究成果自然地视为神经科学本身的重要突破和发展。二十世纪十几次相关诺贝尔生理学奖的颁发强化了这一学术定位。这是一个美梦成真的年代，神经学界洋溢着欢快与憧憬的氛围。
    可是，在这个欢庆筵席上，我们是否还记得一位曾经的主人？一位已经被遗弃的神经科学的原型先驱？
    让我们一起追忆一下这段尘封的历史。
    我们先做个回顾准备。从严格意义上的“还原方法”应该怎样确定谈起。
    以化学为例，化学是以分子理论为原型理论的，是以分子类型及其相互间的转化关系做为物质性质变化的普适性、可实证性的解释体系的。对分子类型及其相互间的转化原因，则用电子键、原子结构等更基础级的理论来阐明。严格意义上讲，一个完整的科学学科，都应该有两部分还原解释层次构成。一个是原型层，一个是基础层。化学的分子理论是对化学研究对象——物质性质变化现象的还原，而原子理论则是对分子转化原因的还原。前者是原型层，后者是基础层。
    再来看神经科学。化学和物理学对其研究的成功运用，主要是对细胞、亚细胞水平运动现象的可实证性解释。严格地说，这只是神经科学的基础层。那么神经科学的原型层是什么？
重新回阅神经学教科书的现有内容，只有细胞学说和反射理论符合原型层定义。这两个理论都是近百年前的产物，且在教科书内容中只占较小的比例。而分子神经学和电生理学的微观研究和知识内容则占据教科书中绝大比例，体现为百年来神经科学研究的主流地位。直观的印象仿佛是，一方面地基层浇铸已进行了百年之久，另一方面地基之上的建筑层一直尚未施工。原型层的还原研究工作好象从没有真正规模性地展开过。
历史真相是这样的吗？
    一段重要的学术历史在教课书中被回避了。19世纪末，神经生理学研究同时有两项伟大发现。神经元与条件反射。之后科学界就拉开了跨越半个多世纪的两个同时性的、不同方向的主流研究。一个是我们在教课书中所熟知的微观神经生理研究。它的形成条件包括：光学显微技术，电物理学的巨大影响，化学方法和化学理论的成熟和准备。
另一个方向的形成条件则有很大不同，1872年达尔文所发表的著名的《人与动物的情绪表达》一书，开创了动物高等行为比较研究之先河。之后巴甫洛夫的条件反射试验又为动物高等行为的还原解释提供了可能。
巴甫洛夫的试验点燃了科学界另一场想像之火。这方面的三个代表人物是：沃森、桑代克、斯金纳。他们雄心勃勃，信念坚定。决心在条件反射原理的基础上，构筑一个可实证的、以动物高等行为为对象的还原解释体系。
在半个多世纪时间里，先后有许多人加入这一工作，进行了大量的、多种动物的试验性研究。发表了大量的论文论著，将这一方向最终推向“行为主义”的历史巅峰。在脑的研究历史上，这曾经是另一个“黄金时代”。
同时，这也是一个科学史上典型的失败史例。具体内容不再详述。至二十世纪80年代，整个研究领域已严重衰退，由于论文量太少，甚至连学术刊物都难以生存。而现在，这一研究已经几乎从我们的视野中消失了。
    不去探讨失败的原因。只对这一方向的学科定位做一正名，并纠正教课书给学术后人造成的错觉。
    传统的看法，将这一研究方向归类为心理学。这是有历史原因的，在20世纪初期，心理学是一个强势学科领域，而同时在生物学中，尚未出现单独的神经科学门类，神经研究还处于生理解剖学的门户之下。因此，高等行为的还原研究向一个强势性的相关学科靠拢是一个很自然的现象。
今天，回头研究行为主义的解释原型起源和解释对象的还原层级，应当给予其科学的正名。这一研究就是神经科学原型层的先驱。这一学派的代表人物就是神经科学原型层还原研究的先驱者们。
反思与回顾这段历史，可使我们更全面、更历史性地评价神经科学的现状与预测未来。首先，“还原主义”在神经科学中的胜利并不准确，原型还原的失败与基础还原的成功黑白分明。其次，原型还原的未竟事业又一次摆在神经学界的面前，基础还原的成功意味着神经学的主战场将要发生重大转移，原型还原将可能是未来脑科学的主攻方向。

               困境之四：神经生物学研究的非生物学范式困境
         
   1895年，一位年青的奥地利学子撰写了他的第一篇学术论文，文中雄心勃勃地提出了一种关于记忆与学习的理论。特别的是，这一理论的基础被解释为一团编织联络和传递能量的神经细胞。
   只是，这篇闪烁着天才火花的论文当时并未发表，而是在半个世纪之后，当他做为一位伟大的学者与世长辞后才以一种纪念的方式发表出来。         
   这并不是此位学者的疏忽或遗忘，而是他的悟性与聪明。他果断地放弃了这一探索，从此转向了精神动力学研究。这位学者就是精神分析与无意识理论的奠基人，20世纪最重要的思想大家之一——西格蒙.弗洛伊德。
   回顾这段历史，有助于我们理解今天的脑理论研究历史脚步。一百多年前，在神经细胞还是一个新概念时，年青的弗洛伊德就已经敏锐地将它与对人的行为解释联系在一起。如果当时的细胞神经学具备更多的基础实证知识，也许弗洛伊德会为我们留下一个像精神动力学说那样才华横溢的神经学原型理论。
   今天，分子与细胞神经学研究已经积累了巨量的实验知识，但脑原型理论的理想仍然在天空中游荡。弗洛伊德理智放弃的课题仍然在困扰着当代脑科学研究前沿的学者们。今天的脑科学家们还能像弗洛伊德那样“聪明”地回避这一世纪性难题吗？
   这就是一次登天运动，问题是人们不知道登顶的天梯在哪里？
   实际上，近三十年来神经学界一些前沿人物已经发表过一些论著或论文，试图从不同的角度寻找登顶的突破口，只是效果不理想。问题的关键应在方法论基础上去寻找，笔者以下将就物理科学与生命科学的传统精神问题对脑神经科学的方法基础做一反思。
    自然科学的研究对象本质只有两类：生命性、非生命性。由此造就了生命科学与物理科学这两大学科群。两类科学所拥有的不同的成功经验与不同的认识论方法造就了各自的传统精神。但是,这个重要的问题却被一个关于“整体论与还原论”的论战所混淆了。
   在当代生命科学研究中，存在着一场迄今仍然还在争论不休的“整体论与还原论”长期论战。在神经科学的殿堂大厅中也时常可闻这一争论的声音。物理科学（特别是化学）在神经学基础层还原研究的胜利，使其成为当代脑科学研究中的主流派。顺势而行，他们则试图对行为与精神现象进行更大范围的基础还原解释。而同时，当代脑科学研究中的"整体论"代表——系统学派，则做为主流派的挑战方，试图用自已建立的所谓“复杂理论”来对行为与精神现象进行全新的解析。
   在这场热烈的争论中，做为旁观者，更有助于头脑的清醒。
   首先，无论是主流派，还是挑战派；其代表人物的学科背景多为物理科学（也包括化学、数学、工程科学在内）。其次，两派的技术与方法论基础都是从物理科学演化而来。第三，两派的语言模式和概念传统也多从物理科学中借鉴而来。所以，两个学派的传统精神本质就是物理科学的传统精神。
   两位客人在别人家的大厅中大论其道，兴致勃勃；焉然主人一般。而做为真正的主人，生物科学的传统精神在这场辨论中却没有发出他强有力的声音。这真是一幕奇特、有趣的景象。
   生命科学的传统精神为什么声音微弱？
   像牛顿对物理学所奠定的认识论传统精神那样，生物学的认识论传统精神也有自己的奠基人。这就是达尔文及其自然选择理论。这是两种完全不同的认识论范式。正是达尔文理论的建立，才使生物学摆脱了如“生命力理论”这样的对物理学的模仿范式。从而走向了稳定发展的成熟科学时期。
   但是，达尔文范式与牛顿范式相比，其公理性成份太大；因而，它必然在其后的科学实证史上要面临更多的质疑与考验。这种宿命导致自然选择理论自出生之后，就一直在经受着各种狱炼与磨难。在《物种起源》发表后的150多年的时间里，对自然选择模型的反对之声从未休止过。甚至在某些时期曾经陷入到四面受敌的困境之中，这也包括在生物科学界内部的许多不同时期的反对派。
   在生物科学的多数学科研究史上，真实的事实是：由于达尔文理论不能够立杆见影地推进和形成实验性知识发现，而致自然选择模型常常被学者们搁置一旁。或被忽视，或被雪藏；甚至被摒弃和完全排斥。不幸地是，神经学也不例外。
   但是，自然选择理论经受住了对它的考验。
   本世纪，生命科学出现了两个最有活力的新研究领域：遗传学，生态学。它们的出现同时也正是对自然选择模型的两个最新、最具挑战性的实证考验。正是这两个学科的挑战及其结果使许多学者重新认识了达尔文范式的深层价值。
   20世纪初，新兴的遗传学派兴高采烈地欢呼自己对达尔文范式的证伪。其“不连续突变”研究使自然选择模式一度名誉扫地，并发生了长期的学术论战。之后的结局却耐人寻味。当争论双方放弃各自的固执与激进，转而依据新的实验结果对原有范式进行认真和必要的解释性调整与局部的概念修改之后，人们惊奇的发现：遗传学与自然选择理论是兼容的。达尔文范式反而为自己找到了遗传学基础。
达尔文范式在新兴的生态学中的命运则要好的多，但仍然遇到种种艰难的实证考验。“动物利他行为”研究就是一个典型性实证考验。起初，对于这一现象的解释与争论对自然选择理论形成了长期的困扰。之后的发展却富有戏剧性。20世纪60年代始，一群年青的学者在达尔文范式的基础上，创造性地提出了一系列新的概念与解释。例如“亲选择”、“自私基因”、“进化稳定对策”等。成功地将“利他行为”与自然选择理论结合在一起。自然选择理论由此反而与生态学建立了强有力的理论结合。这一变化导致人们对自然选择原则的生命力与兼容性有了更深的理解和思考。
   回顾这段历史，有助于对目前神经生物学的非生物学范式困境的解脱出路提供参考。可使我们对神经学原型理论与生物学传统精神的潜在兼容关系有更准确的预见。参考如下：
   （1）。达尔文范式实质上是关于生命界的总体理论。
   （2）。一切生物科学的具体学科，其局部实证解释理论都应与总体理论相兼容。
   （3）。达尔文范式只是一个基本框架，它的精确性有赖于各专门学科实证理论发展中的兼容调整与修改。
   （4）。达尔文范式同时为各具体学科原型理论提供认识论基础。
   （5）。神经科学的原型理论不可能建立在物理科学传统范式基础之上。
   （6）。神经科学的原型理论只能建立在自然选择理论基础之上。
   （7）。脑原型理论的萌芽可能存在于神经学与自然选择边缘性研究地带之中。
   （8）。脑原型理论的建筑起点可能是神经起源比较分析。
   脑科学的基础研究是否能够从生物学传统精神的回归中得到新的突破？历史证明之。
[原文于2003年11月—12月以分篇的形式在bioon神经科学论坛上刊发，本文已经作者huaeren整理修订。]