蒲慕明的貢獻(xiàn)
蒲慕明的貢獻(xiàn)
科研成果
蒲慕明早年接受了物理學(xué)的訓(xùn)練，在約翰霍普金大學(xué)攻讀生物物理博士期間, 開展了膜蛋白在膜上流動(dòng)性的研究。他首先對(duì)生物膜上膜蛋白的側(cè)向流動(dòng)性進(jìn)行了定量測(cè)量，并且計(jì)算出生物膜的粘度約為1泊，為當(dāng)時(shí)剛剛被提出的細(xì)胞膜流體鑲嵌理論模型提供了直接的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。他建立的“光漂白”技術(shù)至今仍是測(cè)量細(xì)胞內(nèi)蛋白運(yùn)動(dòng)速度的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)方法。在普渡大學(xué)進(jìn)行博士后研究及而后在加州大學(xué)歐文分校主持自己實(shí)驗(yàn)室期間，蒲慕明進(jìn)一步研究膜蛋白在膜內(nèi)的電泳和擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，建立了多種用來研究蛋白在細(xì)胞膜上的運(yùn)動(dòng)特征的生物物理以及電生理技術(shù)。 自上世紀(jì)八十年代初起，蒲慕明開始關(guān)注神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育的問題。在加州大學(xué)歐文分校，耶魯大學(xué)，哥倫比亞大學(xué)，加州大學(xué)圣地亞哥分校以及伯克利分校，他的實(shí)驗(yàn)室在神經(jīng)生長(zhǎng)和軸突導(dǎo)向、神經(jīng)元極性建立和神經(jīng)元遷移、突觸形成和可塑性等研究方向都做出了重要發(fā)現(xiàn)，推動(dòng)了發(fā)育神經(jīng)生物學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展。
大腦神經(jīng)環(huán)路的形成是由神經(jīng)細(xì)胞的軸突與它們的靶細(xì)胞之間在神經(jīng)發(fā)育期產(chǎn)生特定性的連接。軸突是如何在發(fā)育組織中找到它們的靶細(xì)胞是神經(jīng)科學(xué)的一個(gè)重要的問題。蒲慕明在神經(jīng)生長(zhǎng)和軸突導(dǎo)向的研究領(lǐng)域做出了多項(xiàng)重要發(fā)現(xiàn)，如發(fā)現(xiàn)胞外電場(chǎng)會(huì)影響神經(jīng)生長(zhǎng)的方向，神經(jīng)生長(zhǎng)錐可以在突觸形成之前會(huì)進(jìn)行神經(jīng)遞質(zhì)釋放。他還發(fā)現(xiàn)軸突在尋找靶細(xì)胞的過程中，神經(jīng)元中的環(huán)化核苷酸水平可以決定軸突生長(zhǎng)錐是被胞外導(dǎo)向分子梯度吸引還是排斥。傳統(tǒng)教科書中的概念是軸突導(dǎo)向是通過胞外環(huán)境內(nèi)的吸引性或排斥性分子所決定的。通過證明同一軸突內(nèi)環(huán)化核苷酸處于不同的水平時(shí)，很多神經(jīng)導(dǎo)向分子的作用都可以在吸引性和排斥性之間轉(zhuǎn)換，他提出了一個(gè)嶄新的概念: 軸突響應(yīng)神經(jīng)導(dǎo)向因子的反應(yīng)過程不是由導(dǎo)向分子本身特性所決定，而是依賴于反應(yīng)神經(jīng)元內(nèi)部狀態(tài)的第二信使水平而定。在這些工作中所創(chuàng)立的生長(zhǎng)錐轉(zhuǎn)向分析這一簡(jiǎn)潔的實(shí)驗(yàn)分析手段，也成為了體外單細(xì)胞水平上定量檢測(cè)導(dǎo)向分子對(duì)生長(zhǎng)錐導(dǎo)向作用的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)方法。此外，他還揭示了在軸突導(dǎo)向和神經(jīng)元遷移過程中鈣信號(hào)所發(fā)揮的重要功能。他的實(shí)驗(yàn)室并進(jìn)一步在神經(jīng)元極性的建立、軸突樹突分化的早期事件，以及維持神經(jīng)元極性的細(xì)胞機(jī)制等研究方向做出了一系列的重要發(fā)現(xiàn)。
大腦的結(jié)構(gòu)功能是受生物體的經(jīng)驗(yàn)所塑造而成的，它可以學(xué)習(xí)、儲(chǔ)存記憶。這些能力的細(xì)胞基礎(chǔ)是基于神經(jīng)細(xì)胞之間的連接（所謂突觸）的可塑性。在突觸可塑性領(lǐng)域，蒲慕明在哥倫比亞大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室首先發(fā)現(xiàn)腦源性神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子可以快速地強(qiáng)化突觸傳遞功能。過去認(rèn)為神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子的主要功能是維持神經(jīng)細(xì)胞的存活，蒲慕明的工作指出神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子對(duì)突觸的功能有重要的強(qiáng)化作用，這工作也促使了一個(gè)新的研究領(lǐng)域的出現(xiàn)。在此后的二十年中，他的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)一步闡明了神經(jīng)電活動(dòng)對(duì)營(yíng)養(yǎng)因子分泌的調(diào)節(jié)，這些因子對(duì)軸突導(dǎo)向的功能和在突觸的作用機(jī)理，以及在視覺系統(tǒng)發(fā)育過程中對(duì)突觸可塑性的調(diào)節(jié)和對(duì)可卡因成癮的作用。
突觸傳遞的效率也可以被神經(jīng)細(xì)胞電活動(dòng)所調(diào)節(jié)。德國(guó)海德堡馬普醫(yī)學(xué)研究所的Bert Sakmann實(shí)驗(yàn)室在 1997年報(bào)道了突觸傳遞效率能依賴于突觸前后神經(jīng)元放電的先后次序而被雙向調(diào)節(jié)。從1998年開始，蒲慕明在加州大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室開展了一系列的在體和離體實(shí)驗(yàn)，確定了能引起突觸效能長(zhǎng)時(shí)程增強(qiáng)（long-term potentiation , LTP）和長(zhǎng)時(shí)程減弱（long-term depression, LTD）所需要的突觸前、后神經(jīng)元放電的時(shí)間順序的具體時(shí)間窗，而這兩種突觸效能的長(zhǎng)時(shí)程變化則廣泛地被認(rèn)為是學(xué)習(xí)與記憶的神經(jīng)機(jī)制，即現(xiàn)在被廣泛稱作“放電時(shí)序依賴的可塑性”（STDP: Spike Timing-Dependent Plasticity）。這些工作推動(dòng)了一大批實(shí)驗(yàn)室對(duì)突觸可塑性、學(xué)習(xí)與記憶的神經(jīng)環(huán)路功能中放電時(shí)序的作用等進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究和計(jì)算模擬分析。經(jīng)過十余年研究，蒲慕明實(shí)驗(yàn)室進(jìn)一步深入分析了STDP的生物學(xué)意義：闡明了STDP機(jī)制具有將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中時(shí)間信息做記憶儲(chǔ)存的潛在能力，確定了在興奮性和抑制性神經(jīng)元中STDP各種具體時(shí)間窗，還發(fā)現(xiàn)了“突觸外的STDP”，即誘導(dǎo)LTP/LTD產(chǎn)生的相關(guān)放電也能雙向調(diào)節(jié)突觸后樹突以及突觸前神經(jīng)元細(xì)胞膜的內(nèi)在興奮性。此外蒲慕明實(shí)驗(yàn)室還證明了在視覺系統(tǒng)發(fā)育過程中神經(jīng)元感受野的修飾中，STDP發(fā)揮著重要的作用。
總之，蒲慕明為生物科學(xué)多個(gè)研究領(lǐng)域做出了具有開創(chuàng)性和深遠(yuǎn)影響的貢獻(xiàn)。他建立了生物物理學(xué)和細(xì)胞生物學(xué)中多種新穎實(shí)用的實(shí)驗(yàn)技術(shù)，他還在神經(jīng)軸突生長(zhǎng)的導(dǎo)向，以及神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子和神經(jīng)元電活動(dòng)對(duì)突觸效能的調(diào)節(jié)的研究中做出了一系列的重要發(fā)現(xiàn)。
對(duì)中國(guó)科學(xué)技術(shù)事業(yè)的貢獻(xiàn)
蒲慕明對(duì)中華民族有著執(zhí)著的深厚感情。上世紀(jì)70年代初他積極參與臺(tái)港留美學(xué)生“保釣”活動(dòng)；我國(guó)改革開放后他投身到恢復(fù)和建設(shè)中國(guó)生物學(xué)研究的工作中，81-84年間先后在北京醫(yī)學(xué)院、南開大學(xué)、清華大學(xué)主持神經(jīng)生理、細(xì)胞膜生物學(xué)、生物物理學(xué)等系列培訓(xùn)班，介紹國(guó)際最新進(jìn)展；1984-86年主持清華大學(xué)生物科學(xué)與技術(shù)系的籌建，并擔(dān)任首屆系主任；1989-91年參與香港科技大學(xué)的建校委員會(huì)，負(fù)責(zé)生物科系的籌建。1998年蒲慕明應(yīng)科學(xué)院路甬祥院長(zhǎng)的邀請(qǐng)?jiān)谥锌圃夯I建神經(jīng)科學(xué)研究所，1999年11月神經(jīng)所成立以來一直擔(dān)任所長(zhǎng)。他制定了研究所的“路標(biāo)”，旨在建立一個(gè)學(xué)術(shù)水平被國(guó)際同行充分肯定的、運(yùn)行模式在中國(guó)是可以被借鑒的一流科研機(jī)構(gòu)。他在神經(jīng)所取得的成效顯示出他領(lǐng)導(dǎo)的改革的必要性、可操作性與可復(fù)制性。他積極推動(dòng)建立了一個(gè)適應(yīng)現(xiàn)代化研究所要求的、能夠提供嚴(yán)謹(jǐn)科學(xué)追求和富有成效的互動(dòng)環(huán)境、提供重大發(fā)現(xiàn)的支撐和管理系統(tǒng)、提供基于貢獻(xiàn)的激勵(lì)和資助的評(píng)估體系、以及為中國(guó)下一代神經(jīng)科學(xué)工作者提供高質(zhì)量的教育和訓(xùn)練的科研機(jī)構(gòu)。在他領(lǐng)導(dǎo)下神經(jīng)所多年來取得了顯著成績(jī)。在我國(guó)生命科學(xué)基礎(chǔ)研究整體水平還比較薄弱的背景下，他帶領(lǐng)神經(jīng)所在國(guó)際一流學(xué)術(shù)刊物上不斷發(fā)表高水平的論文，為我國(guó)生命科學(xué)在2000年代初期邁上國(guó)際科學(xué)研究舞臺(tái)發(fā)揮了引領(lǐng)的作用。蒲慕明所長(zhǎng)充分利用其自身及神經(jīng)科學(xué)研究所取得的國(guó)內(nèi)外聲譽(yù)和較優(yōu)越的科研環(huán)境，廣納良才。從建所至2016年，神經(jīng)所共招聘了近50位研究組長(zhǎng)，組成了較強(qiáng)的研究梯隊(duì)。蒲慕明堅(jiān)持人才引進(jìn)與國(guó)內(nèi)培養(yǎng)并進(jìn)，提倡優(yōu)良學(xué)風(fēng)。他盡力為研究所提供相對(duì)“純”的科研環(huán)境，讓研究人員能心無旁騖地從事研究工作。在蒲慕明創(chuàng)建的科研氛圍和體制機(jī)制下，研究員能夠更全面更系統(tǒng)地得到各種熏陶和培養(yǎng)，并快速成長(zhǎng)。2000年后中科院神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域選出的三位院士都是在神經(jīng)所完成了他們?nèi)脒x的主要工作。神經(jīng)所也有10多位研究組長(zhǎng)被其他一些科研機(jī)構(gòu)和學(xué)校挖掘過去，他們?cè)谄渌麊挝坏目蒲邪l(fā)展也發(fā)揮了重要的貢獻(xiàn)。
2014年，中科院成立了腦科學(xué)卓越創(chuàng)新中心，聘請(qǐng)蒲慕明為主任；2015年，為促進(jìn)腦科學(xué)與類腦人工智能技術(shù)的交叉融合，腦科學(xué)卓越中心聯(lián)合了中科院自動(dòng)化所等二十多家單位，成立了中國(guó)科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心。為促進(jìn)不同學(xué)科之間的深度交流，推動(dòng)中心的融合發(fā)展，作為中心主任的蒲慕明率先“蹲點(diǎn)”自動(dòng)化所，成功開啟卓越中心學(xué)科交流工作，使交叉學(xué)科專題學(xué)術(shù)報(bào)告和實(shí)驗(yàn)室間的交流成為中心內(nèi)頻繁的活動(dòng)；建立了雙導(dǎo)師制研究生培養(yǎng)計(jì)劃，開啟了交叉學(xué)科研究生的深度培養(yǎng)工作。
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