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【走进实验室】用科学的大脑解读大脑的科学——走进化学生物学与生物技术学院深圳细胞生理学重点实验室
日期:2021-05-10 08:25:23 南燕新闻社 点击:

【编者按】

2021年,南国燕园已正式步入二十载。二十年间,北京大学深圳研究生院科研创新平台建设稳步推进,科研创新能力持续提升,目前已建和在建的各类实验室共计30多个。回顾过去,一项项亮眼的科研成绩充分彰显了北大深圳的办学质量和办学成果;立足当下,深研院紧贴时代脉络,深耕人才培养和科研创新;展望未来,深研院将依托科研平台持续发力,在深圳、在中国发出更加坚定的“北大声音”。不同学科方向、各具专业特色的实验室充分彰显了深研院“前沿领域、交叉学科、应用学术、国际标准”的办学方针,是深研院面向深圳、服务广东、辐射华南、为地方经济发展服务的强力助推器。

说起实验室,首先映入你脑海的,是庞大的设备、精密的仪器、刺鼻的药水,还是整齐划一的工位、屏息凝神的面容、伏案疾书的身影?

作为科研产出的依托平台和成果转化的连通媒介,实验室承载的不仅仅是一个个基金重点项目、一篇篇高影响因子论文和一项项重大科研成果,更是一位位奠基者的呕心沥血、一个个科研人员的精益求精和一份份深思熟虑后的精准抉择。

透过实验室,每个学院以自己独一无二的学科特色在南国燕园大放异彩;立足实验室,北京大学深圳研究生院坚定地踏出勇毅的步伐,在深圳速度的时代幕布上画下一笔笔浓墨重彩的奇迹。

现在,让我们跟随南燕新闻社记者的脚步,揭开实验室的神秘面纱,一窥他后面的人和事吧!

 

“冲动、兴奋、抑郁……”我们对这些词汇陌生也熟悉。我们支配着它们又被它们支配,和它们密不可分又若即若离。这些感受从哪里来?又如何影响着我们的行为?这些关乎大脑、神经网络与精神疾病的问题对于人们来说总是披着神秘的面纱,吸引着不同领域的研究者沉醉其中。在化学生物学与生物技术学院的深圳细胞生理学重点实验室,有这样一群游走在神经网络中的“探秘者”。从细胞到生命的意义,他们痴迷在分寸毫厘的微观世界,眺望精神疾病治疗的新出路。

图1 实验室一角

建立神经系统研究的创新平台

周强教授是深圳细胞生理学重点实验室的学术带头人,也是课题组组长。周强教授博士毕业于美国纽约州立大学石溪分校,曾先后在美国西奈山医学院任教,在Genentech/Roche(罗氏)从事神经系统药物的早期研发工作。留美学习工作生活了近10年后,他于2014年加入北大深研院化生学院。以神经退化性疾病和精神疾病为主要研究方向。带着资深的成品管线项目管理经验,周强教授及其团队将基本思路定为“新药研发 + 老药新用+中药重用”,聚焦重大神经系统疾病(包括老年痴呆症和精神疾病)。

与学院其他实验室不同,在癌症相关药物研究如火如荼进行的当下,精神疾病的研究看似小众但又不可或缺。促使周强教授回国的一大因素是新药研发工作需要综合性大团队的协同合作,包括基础研究、临床诊断、商业开发等诸多领域,目前在中国具有组织这种团队的可行机制和实际可能性。除此之外,周强教授还想在中医中药方面做些深入研究:“外国人对于中医中药一直不太相信,认为中医无法证明其‘科学性’。但作为一个中国人,我相信中医,尤其是中医在理念上的深刻内涵。”

从业界到学界,深研院化学生物学与生物技术学院为这次转型提供了一个平台。周强教授曾在他的实验室首页写道,“我认为现在正是我们将大脑的知识转化为对神经系统疾病治疗的好时机,而北大就是最佳的研究平台。”而化学生物学与生物技术学院正是致力于中国创新药物研究、交叉融合的现代化创新药物研究平台。化学生物学与生物技术学院院长杨震评价为:“北京大学是中国综合性大学的王者,深圳特区是改革创新的先锋。坐落在深圳的北京大学化学生物学与生物技术学院,犹如一棵叶茂根深的古树生出了未来的翅膀,为百年北大打开探索国际化创新之路。”

在“暗箱”里看清精神疾病的本质

精神疾病一方面切实联系到我们的社交、情感等正常生活,一方面又不能单纯的用好与坏来进行评判。比如一些自闭症患者虽然与外界沟通能力欠缺,但数学能力非常强;有一些患者在艺术、文学领域又展现出超乎常人的天赋。这样的结果让研究者们有了更多的思考:能不能在治疗的同时开发大脑更好的功能?如何在治疗的基础上让患者本身的潜能得到更好的发展而不被磨灭?千人千面的世界,我们又该如何保持人的多姿多彩?他们的任务是打开封闭在患者心内的门,更要打开他们认知世界的窗。在这科学问题的背后,还有人文伦理、道德、国际化等各领域学科的交叉。“大海捞针更让人充满了迷茫与紧迫感。”对于工作在这个实验室的每一个研究者来说,他们更加明白精神疾病的研究在这个强调个性化又兼备融合力的世界中的重要性。

浩瀚大海中他们负责的任务是水滴石穿,一切从“头”开始。摆在他们面前的有两条航道:其一是“释疑”,通过对大脑功能机理的更深了解,弄清楚精神疾病的产生到底是什么原因;其二是“对症下药”,找到调节的方法,最好在早期诊断中发现蛛丝马迹。人的大脑里有一千亿神经细胞,神经细胞之间的突触约有100万亿个,这相当于整个银河系恒星的1000倍。要复制大脑的特异性,这是天方夜谭。“就像做环线的车,找不到起点终点,”周强教授这样形容我们大脑里这些四通八达的“道路”。无法让单个细胞单打独斗,那就直接在动物模型上做,“因为很多情感方面的东西,人和动物都是相通的。”

走进实验室一侧的小房间,里面有三台庞大的仪器,外行人笑称“大暗箱”。博士生马晓燕告诉我们这是膜片钳系统,用来记录活体小鼠脑切片中的情况。做什么?——解析机制找靶点。药物研究失败绝大部分原因就好像扔飞镖脱靶,靶点没找对,对应的药物研究也就失去了意义。怎么做?——中西结合。与西方的西药研究思路不同,实验室正在着力推进中医药的现代化进程,这是目前解决精神疾病的“中国特色”。

粗略地估计,大脑中每一个神经细胞周围几乎都遍布着毛细血管,人体用氧量的20%都是来自仅重约7磅的大脑。面对如此巨大的耗氧量,如果脑血流量低,或者任何地方出现堵塞、坏死,都会对大脑的正常生理功能产生影响,现有的研究已经证实很多疾病都是由于人的脑血管发生了变化。这一发现恰恰对应了中医的治疗理念。中医讲求人体动态的平衡,整体的变化,中药能够活血化瘀,如果可以中西结合,利用中药疏通血管经络,用西药瞄准靶点,就有了整体性治疗动态疾病的新思路。

图2 实验室的“主角”

“让实验室研究与治疗接轨”

对于化学生物学与生物技术学院来说,学科融合、多领域交叉已是研究常态,也成为了这所学院的名片。从靶点研究出发,通过创造性地将现代有机合成化学、药物化学、生物学、计算和生物信息学、转化医学等集成整合,多领域科学家协同攻关,开辟了原创技术集成创新的新路径,搭建了一个现代化的药物研发平台。在这一平台背景下,深圳细胞生理学重点实验室通过与医院、研究所、实验室展开深入的交流,从病人的特点与症状入手,做到产学研密切结合。周强教授也曾谈起在学校与公司工作的不同:“学校的研究环境是自由宽松的,这样更容易激发我们的创造力,也让我们有精力和动力去探索新的东西,思考新的问题,不要单纯地做‘会做实验的机器’。”下一步,周强教授将带领实验室在产出、修饰与应用小分子化合物之余,争取推进到临床试验,让实验室研究与治疗接轨;同时,在一个个科研项目的磨练中有的放矢地培养学生的思维能力、沟通能力与合作能力,“对于我们研究者来说,这都是未来走入社会所需要的技能。”

不仅如此,在科研的过程中,让科学走近大众,让实验室研究成为科普内容,也是周强教授致力所作的工作。2018年4月,周强教授在深圳的“市民大讲堂”上为公众带来了“记忆,精神健康和神经科学的未来”的专题讲座,介绍了该领域最新研究成果,同时也深入浅出地解释了在科学层面可以证明“增强自信有助于应对负面事件”、“亲情可以舒缓压力倍增现状”。

3 美国科学院院报上曾刊登该实验室关于条件性抑制学习在动物学习/记忆中的研究

图4 曾刊登于自然-通讯科学杂志上有关兴奋性与抑制性神经细胞在神经突触上的差别研究

“找到纯粹的热爱”

精神疾病的研究相对于其他疾病来说更加复杂多元。除了要具备专业的知识和基本的素养,还要有一腔热血才可以体会过程的满足与快乐。特有的硕博连读培养方案,使实验室里的研究生们更早地开始了与自己内心的对话,也让他们在自己研究领域有了更多的思考。

提及为什么选择这个方向攻读,四年级的博士生马晓燕表示“是真的很有意思”。第一次见到她,她正在那个黑箱子似的膜片钳系统上准备一系列实验。因为要经常做活体实验,所以对小鼠头部进行解剖已经习以为常,也就不会觉得害怕或者不适应。目前她正在从事有关抗抑郁小分子药物机制的研究。“因为它和我们的生活息息相关,常常听到身边亲戚朋友被精神问题困扰,如果真的能有一种药物有哪怕一点的作用,我都觉得是一件特别有意义的事儿。”

2016年就来到实验室的王天宇主要进行情绪记忆学习领域的研究。他的主要研究内容是在经典的巴甫洛夫条件性学习的行为学基础上,利用多种记忆手段,研究神经元及神经环路的生物机制,通过探索动物规避潜在风险的能力来研究精神疾病后的应激障碍。马上毕业的他很快要开始一段新的人生旅程。谈到未来工作的方向,他还是希望继续从事神经领域相关的研究,但目前的研究只是停留在实验室阶段。“未来或许会做一些临床相关的工作,将理论与实践结合起来,我或许会更有成就感。”

图5 光影交错中的坚定

在和他们的交谈中,大家都不自觉地谈到了“热爱”。几年前下定决心来到这里的他们,或许每个人都怀有一份“赤子之心”。他们的每一小步,在未来就也许就能为精神疾病患者打开美好生活的大门;而无数像他们这样的学生和研究者,就能推动我国精神疾病治疗领域不断向前探索。身处其中的他们是幸运的——找到一份热爱,承担一份责任,从而全力以赴。对创新药物研发和对精神疾病疗法的无限憧憬让实验室中的每个人在如今纷繁变换的世界中找到了时光流逝间让内心安宁的力量。回望实验室的大家,细听仪器的轰鸣声,定格各自忙碌而有条不紊的身影,好像下一秒有个声音就会打破这个下午的平凡——“我又有了多么奇妙地发现!”

图6 镜头下的世界

“从研究到领悟”

实验的节奏快,压力大,从事精神研究的大家如何充当系铃人的角色?他们对生活与工作有着自己的理解。什么样的精神世界是完美的?这是一个永恒的话题。对精神世界的科学探究,让他们更加学会调节自己的情绪,理性地看待人的思考与行为。大脑是可塑的,人最关键的要知道自己想得到什么,知道自己的能力在哪里,然后不断缩小差距。在这里有零距离的沟通——实验室的办公区域并不是平常意义上的工位,而是一张宽大的方形长桌,方便组内人员随时交流。周强教授说:“人要有自己的感觉,和自己谈话,和别人谈话,不断学习。”这里也有彼此间的帮助与温暖——在科研中,要百分百地投入精力。刚来到实验室的荣伊就被这种拼劲的氛围带动着不断突破自己的上限。课余时间,他们会一块运动,一块出门扫街。“今天晚上还约了球”,博士后张玉洁在采访中还笑着说起下班后大家的打算。

图7 办公室一角

图8 全家福

因为理解,所以珍惜。他们探索着基础科学和精神世界的本质,也在亲身感受着它们带来的一切变化。数以万计的神经细胞影响着他们,更在指引着他们。因为明白这不是孤身一人的战斗,所以更加豁达坦荡地面对。

当下,实验室的主攻方向仍然是了解神经退行性疾病(例如阿尔茨海默氏病)和精神疾病(例如抑郁症、精神分裂症和自闭症)的生物学基础,并以此确定新的药物靶标,推动中西治疗结合,从而对大脑的基本功能、大脑病理学的起源以及如何治疗脑部疾病的突破有更深入的了解。对于未来,实验室上下有着更大的期待,也在不断探索更好的模式。要完善合理的育人机制,要有更纯粹的好奇心与热情,要冒险,更要耐得住寂寞。精神疾病的研究道阻且长,但这里的传统与美好的愿景一定会驱使整个团队奔赴更广袤的星辰大海。

图9 时间的答案

南燕新闻社“走进实验室”专题报道组出品

策划:邬紫荆

记者:王雪

摄影:刘倩含

实验室联络:王赟

指导老师:王可佳

部分来源:独创深圳、科技日报