进军“终极疆域”探索大脑科学

祝传海

有人将人体比喻成一部完整的机器，由大大小小各种零部件组合而成。九大系统各负其责，才构成了一个健康运转的人体。而大脑是我们神经系统的最高级中枢，控制着我们所有的诸如感知、运动、语言、思维、认知等高级神经活动。人类大脑里面拥有着上千亿个神经细胞，异常复杂与精贵。这些神经细胞是如何产生的？它们之间又是如何相互作用来支持这些高级的神经活动的？一直以来，这些都是人类面临的基础科学难题之一，也是21世纪最重要的前沿科学之一。

然而时至今日，对于人类而言，大脑仍是认知的“黑洞”。科学界甚至把脑科学视为是人类理解自然界现象和人类本身的“终极疆域”。不过也正是由于这一学科发展中的艰难挑战与未知，反而更加吸引来自全世界最优秀的科技工作者的目光与关注。

在2019年11月25日—26日，“2019细胞、环路和行为神经科学国际研讨会”在清华大学举办。会议召集了全球的专家来到中国，讨论神经细胞多样性、环路组装与运行、行为与认知以及神经科学新技术发展等领域的最新进展。会议上，23位国内外知名专家及诺贝尔奖获得者作了报告，为700多名来自全国各科研单位及高校神经领域的师生们奉献了一场丰富精彩的学术盛宴。作为组织者之一并且主持本次大会的，正是清华大学-IDG/麦戈文脑科学研究院院长时松海教授。

时松海这些年来一直攻坚于脑科学的前沿阵地，不久前（3月25日），他的课题组在Nature上在线发表了题为“中心体的锚定调控神经前体细胞特性和大脑皮层的形成”的研究论文，首次揭示了中心体调控哺乳动物大脑皮层神经前体细胞分裂能力，进而影响大脑皮层的大小和折叠的崭新机制。这一研究解决了长期以来关于放射状胶质细胞内中心体特殊定位原因和作用的谜题，为研究神经前体细胞行为和皮层发育调控提供了全新的角度，从而引起了极大的关注与轰动。

或许是多年海外留学与工作经历的浸染，让时松海具有了几分西方式的直率与坦诚，但在举手投足间，依然不难发现，留在他身上的那种属于中国传统知识分子的内敛与担当。20多年前，他踏上了大洋彼岸的土地，在异国他乡的学术土壤里扎下了根。先后在美国冷泉港实验室及纽约州立大学石溪分校、加州大学旧金山分校、美国纪念斯隆-凯特琳癌症研究中心及康奈尔大学医学院等高校和院所学习与工作，并一举拿下了Science生物科学全球青年科学家奖特等奖、美国纽约科学院布拉瓦特尼克（Blavatnik）青年科学家国家奖、美国维尔切克（Vilcek）基金会生物医学维尔切克创新入围奖以及霍华德·休斯医学研究所（Howard Hughes Medical Institute）学者奖等一系列重量级的奖项，成为蜚声海内外的神经生物学家。这一系列耀眼的成绩，即便是在人才济济的美国本土科学家中也不常见，足以证明他在国际最前沿的生物科学殿堂里取得的成功与影响力。

与此同时，一身赤子情怀的时松海时刻关注着国内生物科学技术的发展，一心想把在美国各大前端科研院所汲取的先进知识带回中国，助力祖国生物科学事业的发展与突破。所以，当国家需要他时，他没有丝毫犹豫，毅然决然地选择了放弃国外的优厚待遇回国从零开始，时松海说，这是因为一生都割舍不掉的“中国情结”。

探索“人类科学最后的前沿”

“我觉得努力和自信，是一个人成长过程中非常重要的两个因素。我也正是在日常不断地努力中逐步培养起科研的自信心。”

始于清华，回归清华。时松海用了23年的时间，画下了一个圆满的圈。1991年，他考入清华大学生物科学与技术系，据时松海回忆，他是清华生物系最后一届五年制的学生，“最后一年主要是用来做科研，所以我们那一届学生的科研能力得到了很强的锻炼”。

也正是在那个时候，时松海认识了清华大学生物系复系之后的首位系主任蒲慕明先生。“蒲先生经常到清华来访问作报告，我每次都去听，受他的影响，对神经科学产生了浓厚的兴趣，尤其是对大脑‘学习和记忆背后的奥秘，所以下定了决心希望自己将来能够从事神经科学方面的一些研究。”

兴趣是一个人积极探究事物的原动力，它能使一个人的观察更加敏锐，记忆得到加强，想象力更加丰富，克服困难的意志力无比坚韧，只有浓厚的兴趣才是人们不惧艰难坚持下去的源泉，也只有这样才最终会走向成功。时松海正是如此。在清华求学期间，他对于科学研究的兴趣越来越强烈，节假日几乎都是在实验室度过的，1996年毕业之后便前往美国开始博士学位的求学生涯。

“当时的想法特别简单，脑科学不是被称为‘人类科学最后的前沿吗，我就是希望能夠做出比较重要的、有影响力的大发现”。然而，到了纽约之后，时松海才发现现实与理想之间还存在着较大的距离。“遇到了各种各样的困难，当时做博士科研的实验室只有我一个中国人，所以首当其冲的是，我必须得去适应环境先过了语言交流这一关。”时松海选择的解决办法就是大胆去说，不怕说错而被笑话，很快，他便“通关”了。

时松海把勤奋和谦逊带到了大洋彼岸，一头扎进了团队的实验室内，争分夺秒地努力着，基本上每天大部分时间都泡在里面做研究或者读文献。冷泉港实验室这一世界生命科学圣地的经历让时松海获益匪浅，如同为他打开了一扇窗，让他感知了别样的风景。据时松海回忆，那段学习生涯对他的科研人生产生了极其深远和重要的影响，在这样国际化的一个平台，无论是从学科认识上还是从眼界的开阔上，都算得上他人生中一个里程碑似的阶段。

时松海的导师马林洛博士（Roberto Malinow）在生物科研领域是做得非常前沿的一位大家，从他的身上，时松海看到了一位自信科学家的气质，“他能够把他自己的聪明才智精巧地用到科研上，做出非常重要的发现，从而影响整个科研领域，所以给了我非常大的触动，也对后期我自己的科研生涯带来非常深刻的影响”。

在导师的指导下，时松海结合当时新开发的双光子激光扫描成像、分子生物学和电生理等先进技术，首次揭示了神经突触后谷氨酸受体动态运输是突触可塑性的根本机制。突触可塑性是学习和记忆的神经基础，这一系列的研究发现为深入理解学习记忆原理提供了根本性实验依据，对于整个领域的推动性非常大，具有突破性的意义。相关发现在Science评选的“1999年度十大科学进展”中排名第二。也正是由于时松海一系列的研究工作极大地推动了对神经突触可塑性及学习记忆机制的根本理解，两年后，他荣获了Science2001年度生物科学全球青年科学家奖特等奖（2001 Amersham Biosciences and Science Prize for Young Scientists， Grand Prize）的殊荣，并应邀到瑞典斯德哥尔摩参加了百年诺贝尔奖颁奖仪式。时松海成为第一位也是迄今为止唯一一位获得该奖项特等奖的中国人，不仅跻身于国际研究的前沿行列，同时也用他的表现赢得了世界对于中国出生的科研工作者的尊重。

我们都知道，机会总是留给有准备的人的。在脑科学的探索领域里，时松海正是这样一位时刻准备着的人。他在研究上一直保持着活跃，了解大脑神经系统如何控制人的感觉、行为及认知一直是他从事神经科学研究的重点和终极目标之一。为此，这些年来，时松海源源不断做出了一系列杰出的原创性工作。

哺乳类大脑新皮层是脑内最复杂又精密的结构，它的神经环路网络参与了几乎所有的高级神经功能，比如，感觉信号的接收和处理、语言、思想、推理以及学习记忆等。“我们的大脑之所以强大，因为里面有约1000亿个神经元，这些神经元必须非常精确地组装成一个个神经环路。我们可以简单地理解为大脑是一台超级计算机，超级计算机里面有很多CPU，我们一系列的研究工作就是解释了每个CPU在发育过程中是如何一步步精准组装起来的。”时松海用了这样一个深入浅出的比喻来讲解相关研究。而他的另一个工作方向是跟大脑发育过程中神经干细胞的行为调控有关系。“因为我们人的大脑神经干细胞有非常强大的分裂增殖能力，能够产生数目庞大以及形态特性各异的神经细胞。这其中，中心体起到非常重要的作用，有很多大脑发育和功能的疾病是跟中心体的异常有关系的，过去因为中心体非常小，研究非常困难，所以我们设计了一系列比较先进的方法，第一次对大脑神经干细胞的中心体进行了直接的研究，发现了它是怎么调控的，它能起到什么样的作用。所以这一系列的研究对整个大脑的发育和大脑发育相关的疾病，比如说大脑的体积和折叠程度以及小脑症的起源都起到了非常重大的啟发和推动作用。”他的这一研究方向的最新发现刚刚以长文文章的形式在国际顶级学术期刊Nature上发表。

由此可见，时松海的研究不仅从根本上推动了对大脑的理解认识，也对诊断治疗与神经发育相关疾病有着非常重要的意义。他开拓了一个全新的研究方向，提供了诸多原创性的见解，成为大脑皮层发育领域名副其实的世界级科研领军人物。

施展才华的舞台

“清华对我的成长给予了很多，所以我希望能够把我的一些经验带回清华。如果能够帮助清华，甚至帮助中国的神经科学的发展做出一些贡献，我觉得是一件非常有意义的事情！”

脑科学的研究意义深远，因为不仅关乎着人类的健康和福祉，也关乎着未来大国竞争中的生产力和科技制高点。近几年来，随着脑成像、生物传感、人机交互以及大数据等新技术不断涌现，脑科学与类脑研究成为国际科技前沿的热点领域，世界各国相继启动脑科学研究计划。

2013年1月，欧盟率先宣布“人脑工程”，称“人脑工程”为欧盟未来10年的“新兴旗舰技术项目”，获得10亿欧元的科研经费；2013年4月，美国政府公布“脑计划”，启动资金逾1亿美元，后经调整，在未来12年间预计总共将投入45亿美元；日本于2014年也正式发起“大脑研究计划”，试图从狨猴大脑入手，来加快人类大脑研究。脑科学和类脑研究成了世界主要发达国家必争的重大战略领域。

2016年8月，“脑科学和类脑研究”被我国列入国家重大科技创新和工程项目。《“十三五”国家科技创新规划》中，脑科学与类脑研究成了重点方向之一，重点围绕脑认知、脑医学、类脑研究开展研究，搭建关键技术平台，吹响了抢占脑科学前沿研究制高点的号角。

尤其是在2018年中国科学院第十九次院士大会、中国工程院第十四次院士大会上，习近平总书记在讲话中就特别点名提到“进入21世纪以来，合成生物学、基因编辑、脑科学、再生医学等为代表的生命科学领域孕育新的变革”。聚焦攻克脑重大疾病成为未来医学和生命科学领域最重要的前沿领域，我国的脑科学计划面向国家重大需求，以研究脑认知功能的网络结构和工作原理，围绕高发病率脑重大疾病的机理研究，揭示相关的遗传基础和治疗新靶点，实现脑重大疾病的早期诊治和干预。中国的脑科学计划拉开序幕，神经生物科学发展也迎来了新机遇与挑战。

时松海目睹了这些年来中国科技界对于人才的渴求和招募，越来越多重量级的海外人才纷纷回国发展，这些战斗在科研第一线的人才在归国的同时也把国际标准和国际前沿思想带回了国内。尽管他身在国外多年，但是和国内一直保持着联系与合作，也一直深切关注着国内的脑科学领域的发展。

“施一公、钟毅，他们是我的学长，也是我的榜样。他们都回到了国内，回到了清华，帮助推动中国的科学研究发展。”时松海也多次收到清华大学校领导的邀请，希望他能够回来发挥更大的能量，带领清华在神经科学领域的发展上更上一层楼。

23年的美国生涯，从博士研究生到教授，一步一个脚印。无论是从语言表达，还是生活方式以及思维观念上，时松海都已经完全步入了美国节奏——除了胸腔里那一颗跳跃的中国心。“尽管在美国这么多年，我依然保持着中国国籍，可能我潜意识里一直觉得总有一天我还是会回来发展吧。”

时松海的潜意识这一次得到了验证。随着经济实力的提升和国家对于科技事业的重视，中国的科技发展迎来了黄金时期。时松海对于中国科研的光明前景也充满了憧憬。“因为有了人、有了投入，必定会产生效果。我觉得我们中国不能总跟在别人后面做科研，一定要发展一些前沿的理论和创新，我们有这个能力去领跑！”时松海的话掷地有声。

“能参与到这样一场宏大的国家快速发展的事业洪流中，还能贡献出自己微薄的力量。这是人生可遇而不可求的机遇。”时松海感慨，“我想做些更大的事情，为清华、也为国家发挥更大的作用”。为此，刚刚回到国内的他，马不停蹄地就参与到了清华大学-IDG/麦戈文脑科学研究院的发展建设当中。

清華大学-IDG/麦戈文脑科学研究院（以下简称“清华麦戈文研究院”）受麻省理工学院（MIT）麦戈文脑科学研究所创始人麦戈文（Patrick McGovern）先生及夫人劳拉·麦戈文（Lore Harp McGovern）的资助，成立于2011年，目标是凝聚神经科学与神经工程学科的优秀学者与研究生，支持中国神经科学研究人才的成长，并帮助建立更加国际化的研究氛围和人才环境，建成世界一流的脑科学研究机构。

在时松海看来，这是一个充满了蓬勃朝气和希望的集体。在过去的9年间，研究院从2个果蝇实验室，到13个小鼠实验室，再到2个雪貂及灵长类实验室，目前已拥有了20个独立实验室，300多名在读研究生与博士后。大家专注于将最先进的分子、细胞、发育、遗传和工程科学技术的进展应用到脑科学的研究中去，从而对如何理解大脑、重造大脑、保护大脑，进行最为前沿的探索。

“这是一个可以将个人抱负与国家发展、社会需求紧密结合起来施展才华的用武之地。”时松海设想在未来五到十年之内，在这里，以神经发育和环路行为为基础，以新兴技术发展为驱动，使研究院能够发展成一个世界一流的脑科学的研究院，拥有世界一流的科研成果，培养出世界一流的科研人才。

目前，时松海已经履新半年有余，他对于清华麦戈文研究院良好的、开放的学术交流环境印象非常深刻，“这里有一大批非常有朝气的奋斗者，每周有固定的跨实验室的学生大组会实验交流；每周都有清华麦戈文研究院研究员们以及校内与神经科学研究相关研究员固定参与午餐会进行学术交流；隔周邀请国内外专家学者来清华麦戈文研究院作报告；每年固定有全球四所麦戈文研究院之间的学术论坛，以及1～2次的大型国际会议论坛”。

时松海对于研究院的学术氛围十分欣然，他强调说：“我们绝不能故步自封，要勇于创新，敢于突破。聚焦攻克脑科学最前沿的领域，在做好眼前工作的同时，还应该有远见，用发展的眼光和超前的意识来思考学科的发展。”显而易见，脑科学涉及认知神经科学、神经生理学、解剖学、发育生物学、细胞和分子生物学、认知心理学，是一门高度交叉融合的新型学科，甚至计算机科学、数学等领域也都融合其中。要想取得成功，光靠生物学研究者的努力是不够的，必须多学科相互交叉融合，组成大团队，才能使我们对脑的本质有进一步了解。

时松海介绍说，清华麦戈文研究院正不断加强内外部合作。2019年，研究院开始筹建神经科学平台，目前已与清华动物实验中心合作，共同搭建动物行为实验平台，未来还计划搭建起高清脑成像平台、单细胞神经技术平台以及大数据分析处理平台。目前研究院已经落实全校范围内脑神经科学交叉研究“Brain+X”基金，每年共280万元资助，支持研究院年轻研究员、学生和博士后与校内其他院系或医院的脑神经科学相关合作创新研究。

“目前研究院已有20名核心研究员，他们分别来自生命学院、医学院和药学院；有9名兼聘研究员，他们分别来自工科院系的计算机系、航空航天学院、精密仪器系、材料学院、自动化系以及心理系。未来，我们将继续引进8～13名神经发育、认知、技术开发以及疾病方向的优秀研究员，以便进一步推进研究院深入发展。”一个人走得快，一群人走得远。在时松海的计划中，既有“经验丰富的前辈”，又有“并肩作战的战友”，更有“充满朝气的年轻一代”，这样老中青相结合的团队构成，尽管面对的目标任重道远，路阻且长，但是对于保障研究院又快又远地前进，时松海还是充满了信心。

人才是脑科学发展的生命线

“我希望未来十年能够做出一批有国际影响力的科研成果，同时也能培养一批真正有实力的科研人才，因为我觉得作为一家学校和科研院所，一个很重要的目的就是培养引领将来的科研人才。”

身为国际生物科学领域的知名学者，除了前沿的科学研究之外，时松海也并没有忘记自己作为一院之长身上所担负的人才培养的重任。

从美国到中国，在时松海看来，硬件上，国内和西方发达国家已经几乎没有差别，唯一的差距在于“软件”，即科研人员的学术思想和创新性，而这恰恰才是最关键的所在。在时松海的头脑中，国家要成为一流的科技强国必须靠人，创新人才才是一个国家科研界最珍贵的资源。一流的仪器设备可以购买，一流的平台可以打造，但离开一流的创新型人才，这一切都是空中楼阁和无源之水。

一年之计，莫如树谷；十年之计，莫如树木；终身之计，莫如树人。脑科学研究上升到国家战略，显然不是一两位出色的科学家能够实现的事，这需要一代甚至几代科学工作者的共同努力和求索，向着同一个目标进行一场接力赛。面对全球的竞争，谁拥有更多更好的人才，谁就能在竞争中取得主动，赢得未来。行业如此，国家也是如此。

清华麦戈文研究院自然责无旁贷地担负起为我国脑科学事业培养具有世界一流学术水平以及严格遵守社会、科学和职业道德的科学家的使命。在时松海看来，我国是一个人才资源大国，有充足的优秀生源，但如何培养他们是一个关键问题。他打算利用从国外带回来的新思想去组成一支具有国际水准的团队。“我希望能激发出年轻人们兴趣，培养他们的独立创新精神，鼓励他们发现新现象、新规律、使他们能建立起正确的科学态度和对科学的敬畏之心。我们的人才既要有过人的才华，也要有朴实的内在，‘文‘质兼备。”

目前研究院已建立年轻研究员导师制，每个年轻研究员有两名资深研究员给予指导，研究院每年5月还会召开科学顾问委员会会议，来评估和指导年轻研究员研究以及长远科研发展规划，以培养适应未来需求的一流人才。

时松海对于学生的要求也是十分严格。他遴选学生有两个最基本的条件，首先是对自己的科研领域有兴趣，研究内容对他有足够的吸引力，能够使学生屏蔽掉很多外在的纷扰深入到研究里面，對新的知识和新的发现有一种期许，能够从中得到最纯粹的喜悦或者满足，而不仅仅是把科研当成一份养家糊口的工作而已。其次是踏实，这是很重要的一种科研态度，因为从某种意义上来讲，科研的构成是一个相对不可控的过程，大多数情况下是漫长而未知的，所以需要科研工作者有很强的定力，有把冷板凳坐热的决心和恒心。

“所以我很看重年轻人的兴趣和踏实，其他的诸如科研的逻辑思维能力、发现问题解决问题的技巧以及科研的自信心等，都可以通过训练去培养和加强，但是这两点很难培养。”时松海解释。

国际化是时松海对于团队尤其是团队里的年轻人走向未来道路指明的另一个方向。“我会鼓励他们去国外深造和交流，吸收和学习国外先进知识才能有助于理论应用的突破。”时松海坚持年轻人要到国际平台上接受锤炼，因为在全球一体化的今天，闭门造车只会穷途末路，所以要主动不断突破自己，做出高水平的具有创造性的成果，不仅仅在国内，还要在国际领域造成影响。

时光荏苒，从大学到工作，从国内到国外，再到落叶归根报效祖国，20多年过去了，时松海从未停止和改变过对于生物科学领域的钻研探索，充分展现了他作为一名科学家的创新执着与家国情怀。同时，走在探索脑科学这条人类理解自然界现象和人类本身的“终极疆域”的路上，常常令人左右为难。一方面，科研需要摒弃浮躁，静下心来，步步为营。另一方面，又时不我待，我们对于脑科学的认知还远远不如对于浩瀚海洋和深远太空的多。时松海的科学偶像，诺贝尔奖得主弗朗西斯·克里克博士在20多年前就感叹过“我们无法忍受人类仍旧对大脑如何工作的知之甚少”，而多年后，我们仍然在这条探索路径上艰难前行。

对此，时松海表示，在科研的舞台上，从没有写好的剧本，都要靠我们勇敢地去探索未知的世界，不断地突破和大胆创新。“挺进‘终极疆域，需要我们脑科学人去付出更多的努力和辛苦。作为一支生力军，我们清华麦戈文研究院正在快速地成长，我们团队中的年轻人也在快速地成长。”一个成功团队的发展史，必然是一群志同道合者的奋斗史。既然大家选择了这条航线，就要乘风破浪排除万难地坚持下去。只有经历了风雨兼程，彩虹才更彰显美丽，只有禁得起失败的磨砺，成功才更为弥足珍贵。认准方向，路在脚下，砥砺前行，虽远必达，这应该也正是时松海选择回国来打造清华大学-IDG/麦戈文脑科学研究院时的一片初心。

专家简介

时松海，1973年出生于江苏省东台市。1991年考入清华大学生物科学与技术系，本科毕业后前往美国冷泉港实验室及纽约州立大学石溪分校、加州大学旧金山分校、美国纪念斯隆-凯特琳癌症研究中心及康奈尔大学医学院等高校和院所学习与工作，并在2001年荣获美国《科学》杂志和阿默舍姆生物科学公司联合设立的“全球青年科学家奖特等奖”。时松海长期致力于运用神经生物学、遗传学、细胞和发育生物学等方法研究大脑的发育形成和运行机制，聚焦于活体神经干细胞的调控，神经细胞的产生迁移，神经环路的精准组装和运行，以及动物行为的神经基础研究；同时致力于与神经发育相关的重大疾病如小脑症和自闭症的病理生理学研究。2019年9月，回国担任清华大学-IDG/麦戈文脑科学研究院院长。