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蒲慕明的贡献

科研成果

蒲慕明早年接受了物理学的训练,在约翰霍普金大学攻读生物物理博士期间, 开展了膜蛋白在膜上流动性的研究。他首先对生物膜上膜蛋白的侧向流动性进行了定量测量,并且计算出生物膜的粘度约为1泊,为当时刚刚被提出的细胞膜流体镶嵌理论模型提供了直接的实验证据。他建立的“光漂白”技术至今仍是测量细胞内蛋白运动速度的标准实验方法。在普渡大学进行博士后研究及而后在加州大学欧文分校主持自己实验室期间,蒲慕明进一步研究膜蛋白在膜内的电泳和扩散运动,建立了多种用来研究蛋白在细胞膜上的运动特征的生物物理以及电生理技术。 自上世纪八十年代初起,蒲慕明开始关注神经系统发育的问题。在加州大学欧文分校,耶鲁大学,哥伦比亚大学,加州大学圣地亚哥分校以及伯克利分校,他的实验室在神经生长和轴突导向、神经元极性建立和神经元迁移、突触形成和可塑性等研究方向都做出了重要发现,推动了发育神经生物学领域的发展。

大脑神经环路的形成是由神经细胞的轴突与它们的靶细胞之间在神经发育期产生特定性的连接。轴突是如何在发育组织中找到它们的靶细胞是神经科学的一个重要的问题。蒲慕明在神经生长和轴突导向的研究领域做出了多项重要发现,如发现胞外电场会影响神经生长的方向,神经生长锥可以在突触形成之前会进行神经递质释放。他还发现轴突在寻找靶细胞的过程中,神经元中的环化核苷酸水平可以决定轴突生长锥是被胞外导向分子梯度吸引还是排斥。传统教科书中的概念是轴突导向是通过胞外环境内的吸引性或排斥性分子所决定的。通过证明同一轴突内环化核苷酸处于不同的水平时,很多神经导向分子的作用都可以在吸引性和排斥性之间转换,他提出了一个崭新的概念: 轴突响应神经导向因子的反应过程不是由导向分子本身特性所决定,而是依赖于反应神经元内部状态的第二信使水平而定。在这些工作中所创立的生长锥转向分析这一简洁的实验分析手段,也成为了体外单细胞水平上定量检测导向分子对生长锥导向作用的标准实验方法。此外,他还揭示了在轴突导向和神经元迁移过程中钙信号所发挥的重要功能。他的实验室并进一步在神经元极性的建立、轴突树突分化的早期事件,以及维持神经元极性的细胞机制等研究方向做出了一系列的重要发现。

大脑的结构功能是受生物体的经验所塑造而成的,它可以学习、储存记忆。这些能力的细胞基础是基于神经细胞之间的连接(所谓突触)的可塑性。在突触可塑性领域,蒲慕明在哥伦比亚大学的实验室首先发现脑源性神经营养因子可以快速地强化突触传递功能。过去认为神经营养因子的主要功能是维持神经细胞的存活,蒲慕明的工作指出神经营养因子对突触的功能有重要的强化作用,这工作也促使了一个新的研究领域的出现。在此后的二十年中,他的实验室进一步阐明了神经电活动对营养因子分泌的调节,这些因子对轴突导向的功能和在突触的作用机理,以及在视觉系统发育过程中对突触可塑性的调节和对可卡因成瘾的作用。

突触传递的效率也可以被神经细胞电活动所调节。德国海德堡马普医学研究所的Bert Sakmann实验室在 1997年报道了突触传递效率能依赖于突触前后神经元放电的先后次序而被双向调节。从1998年开始,蒲慕明在加州大学的实验室开展了一系列的在体和离体实验,确定了能引起突触效能长时程增强(long-term potentiation , LTP)和长时程减弱(long-term depression, LTD)所需要的突触前、后神经元放电的时间顺序的具体时间窗,而这两种突触效能的长时程变化则广泛地被认为是学习与记忆的神经机制,即现在被广泛称作“放电时序依赖的可塑性”(STDP: Spike Timing-Dependent Plasticity)。这些工作推动了一大批实验室对突触可塑性、学习与记忆的神经环路功能中放电时序的作用等进行实验研究和计算模拟分析。经过十余年研究,蒲慕明实验室进一步深入分析了STDP的生物学意义:阐明了STDP机制具有将神经网络中时间信息做记忆储存的潜在能力,确定了在兴奋性和抑制性神经元中STDP各种具体时间窗,还发现了“突触外的STDP”,即诱导LTP/LTD产生的相关放电也能双向调节突触后树突以及突触前神经元细胞膜的内在兴奋性。此外蒲慕明实验室还证明了在视觉系统发育过程中神经元感受野的修饰中,STDP发挥着重要的作用。

总之,蒲慕明为生物科学多个研究领域做出了具有开创性和深远影响的贡献。他建立了生物物理学和细胞生物学中多种新颖实用的实验技术,他还在神经轴突生长的导向,以及神经营养因子和神经元电活动对突触效能的调节的研究中做出了一系列的重要发现。

对中国科学技术事业的贡献

蒲慕明对中华民族有着执着的深厚感情。上世纪70年代初他积极参与台港留美学生“保钓”活动;我国改革开放后他投身到恢复和建设中国生物学研究的工作中,81-84年间先后在北京医学院、南开大学、清华大学主持神经生理、细胞膜生物学、生物物理学等系列培训班,介绍国际最新进展;1984-86年主持清华大学生物科学与技术系的筹建,并担任首届系主任;1989-91年参与香港科技大学的建校委员会,负责生物科系的筹建。1998年蒲慕明应科学院路甬祥院长的邀请在中科院筹建神经科学研究所,1999年11月神经所成立以来一直担任所长。他制定了研究所的“路标”,旨在建立一个学术水平被国际同行充分肯定的、运行模式在中国是可以被借鉴的一流科研机构。他在神经所取得的成效显示出他领导的改革的必要性、可操作性与可复制性。他积极推动建立了一个适应现代化研究所要求的、能够提供严谨科学追求和富有成效的互动环境、提供重大发现的支撑和管理系统、提供基于贡献的激励和资助的评估体系、以及为中国下一代神经科学工作者提供高质量的教育和训练的科研机构。在他领导下神经所多年来取得了显著成绩。在我国生命科学基础研究整体水平还比较薄弱的背景下,他带领神经所在国际一流学术刊物上不断发表高水平的论文,为我国生命科学在2000年代初期迈上国际科学研究舞台发挥了引领的作用。蒲慕明所长充分利用其自身及神经科学研究所取得的国内外声誉和较优越的科研环境,广纳良才。从建所至2016年,神经所共招聘了近50位研究组长,组成了较强的研究梯队。蒲慕明坚持人才引进与国内培养并进,提倡优良学风。他尽力为研究所提供相对“纯”的科研环境,让研究人员能心无旁骛地从事研究工作。在蒲慕明创建的科研氛围和体制机制下,研究员能够更全面更系统地得到各种熏陶和培养,并快速成长。2000年后中科院神经科学领域选出的三位院士都是在神经所完成了他们入选的主要工作。神经所也有10多位研究组长被其他一些科研机构和学校挖掘过去,他们在其他单位的科研发展也发挥了重要的贡献。

2014年,中科院成立了脑科学卓越创新中心,聘请蒲慕明为主任;2015年,为促进脑科学与类脑人工智能技术的交叉融合,脑科学卓越中心联合了中科院自动化所等二十多家单位,成立了中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心。为促进不同学科之间的深度交流,推动中心的融合发展,作为中心主任的蒲慕明率先“蹲点”自动化所,成功开启卓越中心学科交流工作,使交叉学科专题学术报告和实验室间的交流成为中心内频繁的活动;建立了双导师制研究生培养计划,开启了交叉学科研究生的深度培养工作。


 
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