专访郭爱克:果蝇身上全是宝,获5次诺贝尔奖也并不意外

  出品:中国科普博览 SELF格致论道讲坛

 

  

  1. 问:中学的时候学生物,首先学遗传定义就是从果蝇开始学。所以学生对于果蝇都有一种特别的感情,印象中果蝇好像可以用来研究各种遗传现象,那您怎么就想起来就把它用来研究这种神经方面的科学?

  答:这个问题相当专业,非常好。果蝇是个模式动物,就是拿它作为一个模型来研究复杂系统。果蝇作为模式动物已经有一百零几年的历史,它一直是非常优秀的模式动物,所以研究它的科学家已经有好几位是获得诺贝尔奖。

  它为什么是这个样子就是果蝇虽然很小,但是有些原理是有启发性,比如关于对学习,记忆什么的还有它的遗传控制那我们为什么拿果蝇做这个模式动物来研究认知活动。特别我主要研究学习记忆抉择,别人看起来这怎么可以,这么小的东西。所以这刚好涉及到一个重要的思考,就是从简约的系统中去挖掘这种核心本质的东西。当时这也是由于我的专业背景决定的。

  1977年到1979年德国进修过,那个时候主要是研究比如感知觉,但没有研究学习记忆。后来学习记忆是在1994年才开始接触到后来到德国去专门进修过一段,拿果蝇做模式动物研究学习记忆。当时觉得很有趣人家说果蝇能学习也能记忆。这个当时在研究上来讲挺有兴趣的,因为学习记忆高等动物来讲是不奇怪的,所以当时就非常的想了解果蝇为什么可以学习和记忆。

  1993年,刚好我跟德国一个实验室约好,到他们那儿去用果蝇做模式动物的研究学习记忆。这很有趣,当时德国的实验室有一套系统,这套系统会让果蝇飞起来,果蝇会喜欢一个目标。假设让它不喜欢这个目标需要惩罚它,需要在背后用一个光烫它一下,它就躲这个目标。它躲以后把另外一个目标,这个放到自己的前方去。惩罚就关断了。

  这样一个往复的过程就知道了,这个目标是危险的那个目标友好,它就可以把这件事情记住。这样就可以研究它学习记忆的一些更内在的脑力过程,所以是非常好的模式动物。

  果蝇可以有很多基因操作。对果蝇的神经原也好对果蝇的这些化学物质也好对脑的脑距也好它也可以通过遗传加以调控,要么让它失去作用要么让它暂时被关断,所以这样可以研究这个复杂学习过程中很多精细的机制微观机制所以在我们叫做微观的层面上,可以把问题说的比较清楚。

  为什么我们研这个抉择这是很有趣的问题。我在2001年和另外一个北航毕业的高材生一起研究果蝇抉择当时这个抉择问题就国际上都不,觉得这么小的动物怎么可能还有抉择,还有两难抉择,都不相信的。那我们的试验证明之后,大家才明白,就是这种抉择在低等动物高等动物都有选择的问题,而且这种抉择叫做赢者通吃的抉择。

  什么叫做赢者通吃,英文叫做winner-takes-all,WTA。这就是抉择中胜利者全部占有,不给失败者一点。这个抉择问题比较有趣,在高等动物也是这样做的。所以这样我们就是等于说用简单的模式动物开创了一个先河——如何来研究抉择。

  实际这个工作很有趣,后来陆续的人们才都转过来发现可以研究。最初我们谈果蝇的抉择,人家觉得怪怪的,果蝇还能做抉择,怎么做这个试验。其实试验是非常严格的,系统也是非常复杂的。德国人设计的这种叫做飞行模拟器系统,非常准确精准可以做这个事情。所以在这领域上我们一直在国际上做的比较前卫一直就利用果蝇这个模式动物。它有30万个神经原,30万个神经原是个小数我们人类的神经原数一百亿。但是在进化当中尺度上它有些原理保守。这样有益于我们对高级动物的认知活动有一个最精准的了解。

 

  2.问:对于学物理的来说,一些复杂的原子分子太复杂,先从单原子开始把一些基本点概念和基本的物理过程先弄清楚,才有助于理解复杂系统。

  答:你说的太对了,就是简约。哲学家叔本华有一句非常精辟的言论叫简约永远是真理和天才的共有特征”,所以物理学家特别善于搞一个非常简约的系统来研究这个基本原理。这物理学的很多定律都是在这样一个层面上发现的。

  但是人脑太复杂了,刚才我跟你说的一百亿的神经原是银河系的十倍,银河系星星的十倍而且建立广泛的连接这个连接数是十兆级的连接,那怎么研究最后有些问题说不清楚,如果你拿果蝇做一些事情知道它的基本原则,然后再外推复杂系统做了。所以这个跟物理学家思路类似,就是首先从简单系统开始。

  果蝇随小但五脏俱全像我们不光是果蝇的抉择学习记忆,我们还关心果蝇的群体行为。比如说我们可以把几百只果蝇放在一个箱子里头然后我可以用三个摄像机把每一只果蝇的飞行轨迹再现出来,然后看果蝇在这样一个非常复杂的活动环境中,它们两个撞不撞车,或者它们怎么样的躲避,这也是物理的问题。从这样一个复杂系统中看看它们自组织类似的原则有没有随机性有的它们这些随机性有没有关联所以我们这一方面也在做,会很有趣的。

  

   3.问:我们在一些科幻片里看到,比如说研究人脑,用各种物理手段检测人的各种神经信号。但是果蝇那么的小,你怎么去探测它微观的东西呢?  

  答:这也能做到。电生理手段在这个对小鼠上可以做,在果蝇可以完好的用。比如光遗传学,或者其他的这个细胞内记录。细胞类记录还差一点,因为它细胞太小,更重要的是果蝇可以做很多遗传操作可以操作以这种现在说叫出神入化对它进行控制而且它的行为都是多样性的,它不像一个小虫子,可以学习可以记忆可以睡眠果蝇甚至有特别求偶行有同性恋行为,它非常复杂的一个行为拆分,这真的可以挖掘很多很多问题。比如说它也有醉酒,它酒精成瘾,尼古丁也成瘾,这方面我们都有工作。所以这些机制你要做了以后觉得这个机制跟人类的东西大同小异。

  由于一个是系统比较简约,另外它有相当多的附加性行为。比如说我曾经研究过多巴胺对果蝇的影响,多巴胺在人是成瘾,或者有人说多巴胺叫做爱情的分子多巴胺是两面,它可以是女神也可以是恶魔,成瘾了就是恶魔。这是正负两个方面果蝇上也都有,机制上都很类似。但区别就在于果蝇在这种多巴胺使用源比如说它是个600个,比如人就非常之多,小鼠就是几十万,然后你可以研究几只,所以是可以做的。但我不是说果蝇可以解决一切问题,比如果蝇不能研究高级的认知活动,比如语言或者意识这些东西都不能够拿这种简单生物来做,那就要去复杂系统,就看你做什么科学问题。

  

   4.问:那像您的实验室里是不是养着各种各样的果蝇? 

  答:果蝇多的很,各式各样的。往往会跟国外实验室要一些果蝇,比如哪一些果蝇里头的神经原特定调控,各种各样的果蝇。比如哪个果蝇脑子当中感受运动的神经原对它处理了。各式各样的果蝇。

  

    5.问:那是不是咱们现在特别流行的这种基因编辑的方式,也可以用到?

  答:全都可以。基因敲除基因编辑转基因等等都可以做。再加上果蝇有这么多的多样性行为就可以设计比较多的一些试验。所以可以从分子细胞神经环路行为做到我们叫做因果关系的解释。

 

  6.问:这个果蝇对于人类会有一些什么样的帮助?比如我们总在科幻大片里看到有什么换人脑、换心脏,是不是人的意识也会跟着这个变?会产生一些什么样的奇怪的效果?您在这方面的看法是什么?

  答:那都是想象的故事。拿果蝇来讲比如说也有人做这个动物的模型,比如说以前有人做帕金森氏病的模型,也有人拿它做老年痴呆的模型果蝇有衰老,有拿果蝇做老年学的研究。更直接的来讲果蝇还具有这种仿生研究的前途。因为它结构简单,可以对人工智能有所借鉴,这样来讲还是全方位的。但是看科学家的背景目标兴趣,比如就不能拿果蝇去研究语言,这绝对是荒谬的。也不能拿果蝇说研究意志本质是什么,用不着。研究我们人类或者灵长类就可以了。但是你要拿一些个比较原始的这种,在进化上保守的这些现象的话果蝇可以做。

 

  7.问:传说心脏跟人的意识好像也有关系,如果换了人脑,到底意识算谁的?有各种各样关于意识到底属于谁的猜测,在这方面您觉得呢?

  答:我一般不大特别关注这些。因为我觉得这些东西都是很浪漫的一些故事,它目前不成为一个科学的严谨的科学问题。甚至不可以证明的比如换人脑,没有人这样做。有人也尝试,也是极少数极少数人的这个动机。因为人脑的问题我们知道,就是我下午会讲这个问题,每个人的脑都是有历史的,从出生一直到长大,不断在进步不断在进化不断在学习,包括从认知自己开始。把脑子换了那是个什么样子,能不能存活都不知道。另外这个记忆本身来讲整个是大脑的一个结构功能。所以我觉得我个人不是特别倾向赞成这样的一个举动。

 

  8.问:无论从科学和伦理上,您都不赞同?

  答:关于心脏跟脑的关系人们有很多假设,说这个心脏有问题的,脑子有问题,或者是会影响脑子的东西。科学需要证据,特别需要对照,所以这个东西不能够证明这个事情。我们做科学的人都希望有多少个样本数证明你是对的所以这个东西说某某人怎么怎么着,或者某某人这个心脏了以后怎么样的,这没有办法证明它是对还是不对。

 

  9. 问:科学家的思维和公众的思维确实是不一样,公众特别信这种孤立的事情。   

  答:所以这个问题就是比较多的。像有的时候我们说科学本身,这个在西方概念的科学本身是严格做对照的。要有大批的样本量,能够确定是这个才敢说什么东西。我们有的时候在网上人们可以这样,可以怎么说都没关系。他不是科学

 

  10. 问:您生活中有遇到过这种关于生命科学的谣言吗?就是您从专家的角度来看,一看就是不太那么可信的事。

  答:对,他们一般也很少问我。

 

  11. 问:那您自己会有自己的一个判断?

  答:对呀,因为我们是做科学这么多年,我们对科学有一个把握。就是哪些问题具有科学性,哪些问题目前是可以探讨。哪些问题是未来的问题,我们一般的都会有一个判断。

 

  12.问:那您接下来,在未来还有什么想做的,觉得想再攻克一下的?

  答:问题挺有深度的我未来的一个是揭示一些基本原则,另外我就想就是把我们认识到这些原则,看能不能启发人工智能类脑智能。特别是群体智慧作为一种新的探讨。

 

  13.问:又涉及交叉。

  答:对,是。涉及到群体智能的问题,学习的问题,这方面我们也在做。

 

  14问:可以简单介绍一下目前的进展吗?

  答:有些进展都是很初步的我们可以探讨比如群体学习的问题,因为学习本身是社会性质的,我们不能说一个人很孤独的就学多了什么它一定放在一个社会里这一方面我们有兴趣。假如说论文没有发表,结果也没有特别完备,但初步印象有,譬如在一个管子里面放很多果蝇,训练它们学习这可以做到。

  然后把这些学好的果蝇放在另一个管子里头,那些果蝇都没有学习过。你就会问,那些没有学过的来了一些学习好的,它们会教给它们吗,它们会受到影响吗,比如这样的问题我们就可以做。比如我们有个试验结果,这儿不便于特别发表,没发表。实际上意思就是假设我有低班同学,学习的成绩不是很好。我在这个低班里边加几位高班的学生进来然后他们会对低班学生的学习成绩会有改善吗?我们倾向于是有改善,这就类似于群体的学习问题社会智能问题,这个问题我们有兴趣也在做,但现在没有做成文章还没有发表。

 

  15.问:有一个人工智能的报告,类似这也是一个他们需要考虑的模块,比如说群体性的学习。

  答:对,是的。像物理系统我们可以把果蝇看成一个粒子一个多粒子系统然后有物理学理论可以往上套,但是因为果蝇是生命的,也不完全这样,你就会看到生物系统与非生物系统之间的区别在哪儿,也是很有趣的问题。所以就是我们在拿果蝇做,当然我们目标是要深刻理解这个脑怎么工作。如果我们能够把这些基本原理搞清楚了,我们先就会帮助人工智能。

  我们现在倾向就是做一些仿生的研究,但首先我们要知道果蝇的原理,而这个原理一定要能用。泛泛地笼统说这些都没有用的。这个原理必须专业化,必须是非常清晰的原理,然后你可以把它形式化数学化,转嫁给物理系统中实施构造

  原理很重要,比如说我们知道坐大飞机,蓝天白云飞起来了。但是最早期人们可以模拟鸟,但是模拟鸟的那个行为不解决问题。最终人们还是研究空中动力学去研究飞行原理这样的话大飞机可以飞起来,这就是原理。所以我的想法就是在今后的时间里头揭示必要的原理,这原理本身来讲才能够用的长期。