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谈选题、解题和结题

中科院神经科学研究所2013年年会蒲慕明所长的讲话
2013年12月27日
(根据录音整理)

(开场白)今年一月份,美国总统奥巴马在国会的年度演讲(国情咨文)中宣布要启动一个脑计划,叫 “脑活动图谱计划”(Brain Activity Map Project),提出了很宏伟的目标,要记录大脑里每个神经元的每个电脉冲(“record every spike for every neuron”)。到了四月份,美国的脑计划修订为Brain Research through Advancing Innovative Neurotechnologies (BRAIN) Initiative,以发展研究大脑的新技术为目标。今年一月,欧盟也启动了一个“人类脑计划”(Human Brain Project),目标是要依据已经掌握的关于神经联结的资料,通过超级电脑模拟大脑的功能。这两个计划激发了全世界对脑科学的重视,日本通过一年来的酝酿,预计明年4月也将公布日本的脑科学计划。

今年四月份以来,脑科学的研究计划也引起了国内的高度关注,国务院层面也很重视。郭爱克老师和我参与了多次全国性的讨论会,目前看来中国的脑科学计划势在必行。美国的脑计划是用新技术来“理解脑”,欧盟的脑计划是用超级电脑来“模拟脑”,国内许多科学家的共识是中国脑计划应更重视“保护脑”,尤其是脑疾病的诊断和治疗。大家都知道在未来十年或二十年内完全理解脑是不可能的。而在没有能完全理解脑和模拟脑之前,基于现有的知识,我们应该已能够对脑疾病问题做出实质性的贡献。在全球范围内,脑疾病都是重大的医疗问题,约有19%的社会医疗负担来源于脑疾病,这已经超过了心血管病或癌症的社会负担。基于社会的紧迫需求,神经所作为全国目前主要的神经科学研究机构之一,必须为未来的中国脑计划中做出贡献。神经所经历了十四年的发展,现在拥有了更大的发展潜力。我们正在继续招聘新的研究组长,不断地有新的研究组长到位,申请人也越来越多。未来的七年内,神经所要扩展到50个研究组。实验室空间的问题基本上已经得到了中科院和生科院的保障。

今年神经所的一件大事就是四位研究组长离开神经所。这个现象反映出:虽然神经所的学术环境是很好的,但是我们还是有一些不尽如人意的地方。比如严格国际评审所带来的压力,科研人员的待遇,上海的高房价,子女选择好学校等等问题;有些条件我们也许不如国内的一些高校。中科院领导非常重视这些问题,也在努力改善一些状况。我们希望神经所不但能有好的科研环境,更能让所有人能安心地在神经所工作。我相信未来几年可以有所改善。今天的开场白就讲到这里,下面我要谈谈 “如何选题,如何解题,如何结题”的一些问题,供大家参考。

一、如何选题

我认为选题可以从重要性、独特性、新颖性和可行性四个方面来考虑。

1.重要性

首先,你认为重要的问题,同行是否有共识,都认为重要?虽然现在有很多大家公认的重要问题,但你也会发现有些科学家坚持认为他研究的问题很重要,而同行却并不尽认同。不可否认有个别科学家特别有远见,别人认为不重要的问题,但他能够发觉其重要性。比如英国生化学家Peter Mitchell,坚持他的chemiosmotic理论很重要,然而开始同行却不认可。但他坚持自己的观点,最后实验结果证实了他的理论,他也获得了诺贝尔化学奖。但是特别有远见的科学家毕竟凤毛麟角,只有极少数科学家能够看到我们常人所不能看到的重要问题,有时候这还夹杂着很大的冒险成分。对于我们大多数的科学家,我还是建议在选题时选择同行都认为重要的问题。这里就引申出与同行交流的重要性。我常常要求我们的同学和老师们重视与来所访问的科学家的交流,介绍自己的工作,看看他们是否觉得有意思。如果同行都认为是很重要的工作,你就会对自己的研究更有信心。问题重要性的另一方面在于是否有线索提示该问题有可能被解决?有很多大家公认很重要的问题,比如自我意识的问题,做梦的意义等等。这些公认重要的问题没有得到解决,很重要的原因在于没有足够的线索,目前解决它的可能性不大。但如果有胆识去专研有一点线索的重要问题,就有完成重大突破的机会,稍候我会举一些实例。

2.独特性与新颖性

独特性和新颖性密不可分。独特性的一方面体现在问题的选择,是否是很多人已在研究的问题。现在科学家为数众多,竞争本来就很激烈,如果你研究的课题已经有很多人在做了,那么竞争压力就会非常大。当然,如果你选择的问题既是重要的,又没别人在做,那肯定有独特性。但是除了一些公认的特别困难的问题外,这种可能性是很小的。独特性的另一方面是体现在假说、手段和方法的独特性。研究同样的问题,如果你有别人没有的假说、手段和方法,可能抢先一步解决这个问题。如果你和你的合作者有不同专长的独特组合,这也是有了独特性。常常这种多实验室有独特性的合作是成功的关键。我国目前普遍的生物科研单位的结构以是小实验室为主,一个组长带一批学生和少数的博士后。只靠单一实验室去和国际上许多同领域有多年积累经验、拥有一大群一流的博士后的实验室去竞争,我们能靠的是找到有独特性的专研途径,尤其是有独特性的合作,才有竞争力。

3.可行性

可行性是指你是否拥有解决重要问题所需要的专长和能力。有时候,你选择的问题很重要,想法也很新颖、有独特性,但是你没有解决这个问题的能力,依然做不成。另外,你的环境是否允许也是重要的因素。很多重要的问题之所以没有解决,是因为难度很高,如果你想要解决问题,是需要冒风险的。我们现在往往不敢冒风险,常说能在科学界生存是最重要的,因为要申请经费,要发表论文,要毕业,所以环境不允许我冒风险。其实我们现在的研究环境已经得到了大大的改善,近年来国家科研资助结构为鼓励创新性的研究,已经“允许”创新项目失败,允许项目结题时没有做出预期的结果,只要你做的是真正创新的研究。我们研究所的环境也是如此,组长的终身职评审年限是8年。而在美国同样的年轻组长,第5年就开始进行终身职的评审。我们的环境更允许科研人员冒风险。而且我们也不统计论文数量,假设你做了8年,实验工作有进展,研究的问题很重要,国际评审委员会认为值得继续做下去,即使你没有发表很多论文,依然可以在神经所获得终身职。总之,现在国内的科研环境越来越允许你冒风险。

其实一个科学家的终身成就与他是否有勇气冒风险是成正比的。只有那些愿意冒风险的科学家才有可能解决重大的科学问题,取得较大的科学成就。多年来我观察了很多有重大成就科学家的个性、做研究的风格和选题的方式,发现都与他是否愿意冒风险直接相关。英文有个词叫“audacity”(中文可翻译为“胆识”),这个词经出现在推荐信中,说某科学家有胆识,是很高的评价。类似的词语还有“killer spirit”,是指一个科学家抓住一个问题以后,有一种一定要把问题解决的精神。这种愿意冒风险的胆识是一个科学家能否解决重大问题的关键。

4.选题的举例

1)Rodney MacKinnon:第一个做出离子通道的三维晶体结构的科学家。他在1998年首先解析出一种钾通道的三维结构。1995年,他完成了博士后工作,先在哈佛大学担任助理教授,随后到了洛克菲勒大学。那时许多钾通道的一维氨基酸序列已通过克隆技术定出了,就是缺少三维结构。由于膜蛋白很难形成晶体,所以无法解析三维结构。而MacKinnon就决定他要解决做离子通道晶体的困难问题。MacKinnon在Brandeis大学时的博士后指导老师Chris Miller教授,也是一位离子通道领域的著名生物物理学家,当时也是HHMI的研究员,拥有充沛的研究资源,也知道这个问题很重要,但是Miller就没有这个胆识去解决离子通道三维结构的困难问题。MacKinnon在洛克菲勒大学成立了实验室,雇了少数人,整天把自己关在实验室带着几个学生和博士后做实验。终于摸索出离子通道在纯化时形成晶体的特殊环境条件。有了好晶体,高分辨度的三维结构的解决就不远了。1998年解析出第一个钾通道的三维晶体结构,2003年就获得了诺贝尔化学奖。正是因为Rod MacKinnon有这种killer spirit,所以他能够解决重大问题。

2)山中伸弥(Shinya Yamanaka): 2012年获得诺贝尔生理医学奖的Yamanaka在开始研究诱导多能干细胞时是有点线索的。在细胞分化的过程中,大家都知道转录因子起主要作用,一系列转录因子的有序表达和功能造成细胞的正向分化。Yamanaka设想为什么不能有一些转录因子的组合,使这个过程反向,将体细胞变为多能干细胞。这个想法是合理的,它并不违反任何物理化学的规律。在没有太大资助的情况下,Yamanaka坚持不懈地研究了几年,把可能参与分化的转录因子排列组合,最终选出了4个转录因子,2006年成功地把成纤维细胞诱导成多能干细胞。其实大家都知道诱导反向分化是可能的,但是只有Yamanaka肯冒险并坚持不懈地去尝试,所以最终他做成了。

3)Douglas Melton:两年以后(2008年),哈佛大学的Doug Melton发现胰腺里面的α细胞可以用表达外源的转录因子,直接转换为b细胞,证实了分化后的细胞之间可以直接转换,不需要先把它先回复到干细胞,再分化成另一种细胞,直接用转录因子来重编程就可以转换过去。这个假说原理上是可行的,开始也有些线索,与β细胞本身分化过程相关的转录因子可能在转分化时也会有作用,关键看你如何选出合适的转录因子组合,能把α细胞直接转换成β细胞。Doug Melton实验室有一位叫Zhou Qiao的博士后负责找出转录因子的组合,做了三年。刚开始候选的转录因子清单蛮长的,慢慢地筛选,最后找到三个转录因子,可以直接转换α细胞。这也是一个需要冒险的例子,看准了重要问题,不懈的努力把它做成。

4)未来的某位科学家:我想到了另外一个问题,既然外源的转录因子可以造成转分化,为什么生物体不能有机制自己产生转录因子造成内源性转分化呢?比如脑损伤某类细胞缺失,为什么生物体不能把他类细胞转化成所需的细胞,比如将胶质细胞转变成神经元?生物体应该会演化出这个机制。大脑皮层内有很多NG2细胞,功能还很不清楚。已知道NG2细胞可以与神经元形成突触。它们能不能通过内源性因子的作用转变成神经元呢?我觉得这是一个有用的机制,生物体应该在某种条件下利用这个机制。我不知道未来那一位科学家有胆识去专研这个问题,它的意义是不言而喻的。

二、如何解题

下面我再谈谈解题的几个要点(步骤)。

1.确认方法的可信度(positive control的重要性)

首先我们要确认解题方法的可信度,这一点至关重要。很多同学往往很心急,在没有能确认实验方法和手段是否可靠的情况下,就大量收集数据,导致最后结果不可信。为了检验方法的可信度,一定要做正对照(“positive control”)。正对照就是你要把别人使用该方法已做出的结果重复出来,如果你能重复,又有同样的精确度,那么你就建立了一个可靠的方法。不仅如此,最好你的精确度比别人发表的还更好,这样你可能有更好的结果。所以我认为用正对照来确认自己的技术是解题时第一步要做的工作。

2.优化实验参数(optimize experimental parameters)

第二步就要优化实验参数。许多同学一旦得到预期的结果,就开始大量收集数据,到最后才发现由于当时没有选到最佳的实验参数,得到的结果的不显著。论文写完后送审,评委可能会说你看到的现象太小,不够robost,或者噪音太大。我们做实验往往需要做很多操控(manipulation),可能由于现象不强,在做各种方式操控时,所得结果的噪音太大,需要做大量的实验才能获得有统计学意义。因此,一定要把各类实验参数选到最优,然后再继续下一步的研究工作,千万不能心急。在大量数据收集完以后,发现也许没有选到最优参数,数据又舍不得丢弃;但最后还是要使用新的参数条件重新收集数据,又需要花费很多时间。

3.结果的可重复性(在你手中或别人手中)

结果的可重复性也很重要。可重复性有两重含义,首先是你的结果在自己的手中能否重复?你三个月或者一年前得到的结果,今天是否还是能够重复?会不会因为那时有些未知因素,导致了你的结果,现在情况变了,你的结果就不能重复?一旦出现这种情况,你一定要弄清楚不能重复的原因。另一种可重复性是指你的结果,不仅你自己能够重复,还要能够在别人手中被重复。科学研究中往往有很多结果是由研究人员个人的偏见(bias)或不自觉的因素造成的。比如实验后你感觉今天实验不好,数据我不要了,这就是偏见,而且这种偏见到最后会误导你的研究结论。所以我建议大家有结果后,请你的同学重复一下关键实验。实验室的老师最好安排不同的人做相同的关键实验,盲实验(blind experiment)也就是这个目的。在没有任何偏见下,如果大家都做出了相同的结果,这就是可重复性。结果能够在自己实验室里能重复,发表以后,你也更有信心别人可以重复你的结果。

4.解题时的专注度是突破的关键

解题时的专注度是突破的关键。你在解题时会面临各种各样的问题,比如找到最好的方法,选择最优参数,实验仪器或技术出了问题等等,这时候最重要的就是要专注,要不断地思考解决途径。大脑是很奇妙的,解决问题的想法,往往是在你极端地紧张、不断地思索之后突然的闪现出来的。有人问牛顿,你这么想出万有引力定律的,他的回答很简单:“不停地想这个问题”(“By thinking on it continually”)

刚才李丹同学关于谷胺酸受体的工作让我想起了自己的一个经历,分享给大家。现在都知道插入细胞膜后AMPA受体可以在膜上横向扩散(diffuse)到突触,三十年前我的一项研究工作就是在研究这种现象的可能性。突触上受体聚集(clustering)的机制是什么?在发育过程中,膜上的各种受体是否可通过扩散运动到突触,利用在突触将形成处有特异结合分子,可以与受体结合,造成受体聚集的陷阱(trap)。也许刚才李丹讲到的CDKL-5就是这样一个trap。我当时需要解决的一个问题是:受体分子在膜上的横向扩散运动是否足够快,使得我们能够解释受体聚集(clustering)的时间过程。在神经终端接触到肌肉细胞膜后,在接触点几个小时之内就可以产生大量聚集乙酰胆碱(神经转导递质)受体,产生新的突触。diffusion-mediated trapping如果是产生受体聚集的一种机制, 受体分子在膜上的横向扩散速率应该足够快。当时研究分子扩散都是使用FRAP(fluorescence recovery after photobleaching)方法,将荧光分子标记在可以与乙酰胆碱受体紧密结合的蛇毒蛋白上,局部漂白(local bleaching)荧光以后观察局部荧光恢复的过程,进而测定受体分子的扩散速率(diffusion rate),但是这种方法测出来的速率太低,不足以解释受体聚集的过程。我那时猜测主要的原因是因为被观察的受体上加了一个探测物,降低了扩散速率。当时我需要解决的问题就是要准确地测量出没有配体的自然态下,乙酰胆碱受体的扩散速率。那时我是助理教授,我自己也做实验。我想找出一种不需要外加蛋白标记的观察方法,日思夜想,终于想出了一个方法(记得是我晚上躺在床上想出来的)。就是不用生物毒素标记失活的受体,而是用电生理方法去观测在肌肉细胞膜局部施加毒素,造成局部乙酰胆碱受体失活后,用乙酰胆碱微电泳来观测在局部诱导出的电流的恢复过程。这种电流恢复的速率就可以用来测量有功能的自然态受体的扩散速率。想出这个办法以后,第二天立刻做实验,当天就取得了成功。一个月内就完成了所有的实验数据搜集分析,证实了扩散的速率确实足够快,可以解释观察到的受体聚集过程。论文投稿后很快就被接受 (M. Poo,Nature, 295:332-4,1982) 。虽然这不是一个大问题,但是一个对于膜蛋白定位机制的基本细胞生物学问题。所以我认为要解决一个科学问题,一定要专注,遇到困难问题时长时间集中心思,将有助于找到解决途径。

三、如何结题

1.什么时候结题?

我回国以后才知道“结题”这个词,因为每个项目都要“结题”。事实上重要的问题常不是几年就可以结题的。一个重要问题常不会完全解决,你的工作可能只解决问题的一部分。什么时候算是结题呢?一旦你得到了解决该问题的重要证据,可以出一篇论文了,我们就可以算是暂时结题了。一篇好的论文并不需要所有的细节,但必要的关键证据要有。重要证据的完整性可以决定这篇论文的影响。现在有人在评审论文时会抱怨,我以前就有同样结论的论文发表,你为什么不引用我的论文。其实问题在于以前的工作虽然有类似的结论,但是证据很可能不完整,难以令人信服,即使已发表的论文,在领域中没有影响力,不被认为已有结论。这就是有些所谓前驱工作被忽视的原因。

证据的完整性也体现在你是否排除了其他可能的解释?现在论文被拒稿时常见理由之一就是有他种解释(alternative explanations),论文评审者往往能够对你提供的证据给出不同的解释,所以你的结论不被接受。为避免这种情况,就需要与人交流未发表的工作,让同行有机会向你提出他种解释。有人担心别人会抢先发表你的研究工作,不愿意与人交流。但是交流过程中,别人观点的碰撞对你的工作完整性是有很大帮助的。美国神经科学学会今年在圣地亚哥的年会有一万五千份墙报(没有发表的研究结果),不同参观者对墙报的解读和与墙报作者的交流,能够帮助作者进一步完善他的研究工作。这是交流未发表工作的主要目的。另外一个附带的目的是告诉别人我已经在开展这方面工作了,结果不错,其他人就不要再做相同的工作了。由于这个因素,很多墙报在实验数据和结论上都有“过度宣告“(overclaim)的现象。所以,如果你相信所有的墙报内容,你就不用再做任何实验了,因为所有你想探索的问题都有结论了。这一万五千份墙报,我估计能够真正发表的只是少数,多数经过讨论交流或更多的实验后,发现有问题而最终被遗弃。

2.抢先发表的问题(scoop)

在科学界常有这样一句话:“我的工作再不发表,别人先出了文章,我就被scoop(抢先发表)了!”。“scoop”原意为铲子,新闻媒体最先把这个词用于描述新闻被别人抢先发布的情况。现在科学界也常用这个词表示论文被抢先发表。论文被scoop的原因有多种。不可否认,不公平的竞争是存在的,有时候别人看到了你的结果,回去赶紧做,抢在你之前发表。但更多的情况是大家看到的问题类似,想法相似,在竞争中,别人比你做的更好更快,所以先发表了。因此要在被scoop的可能性和追求更完整证据的必要性之间寻找合适的平衡点。我认为追求较完整的证据从长远来说是更有意义的。

3.科学发现(论文)是否有独特性?

即使你的工作发表比别人的晚,是否就没有意义了呢?这就引申出科学发现(论文)是否具有独特性的关键问题。我认为每一篇科学论文都具有独特性,不同的途径可以得到相同的结论,不只是结论才有价值,达到结论的途径一样有价值。研究方法不同、实验种类不同,得到结论的证据可靠性不同,即使别人发表论文的结论与你一样,你也不用灰心,继续探索更好的实验证据,再发表你的论文。也许别人发表的是Nature,Science论文,你发表的是Journal of Neuroscience论文,但是你的论文依然具有独特性,有其价值。对一个科学生涯来说,领域内的评价是长期的,不要过分在意一时的得失。我过去发表了许多Nature,Science和Cell的论文,但是引用最高、影响最大的是1998年一篇神经科学学报(Journal of Neuroscience)论文,是毕国强在我实验室做博士后期间的工作,关于“依赖于脉冲时序的可塑性”(Spike Timing-Dependent Plasticity, STDP)的工作。虽然Henry Markram 和Bert Sakmann 1997年已在Science上报导了这种现象,但是我们1998年发表的论文更完整,内容更丰富,对脉冲时序的时间窗口有了定量的描述,因此它对后来神经网络计算领域有了更大的贡献。这个月初伦敦皇家协会为庆祝长期突触强化现象(LTP)发现四十年的会议,只邀请了我对STDP作报告。领域内对科学家的贡献是有共识的。

即使得到的结论是一样的,每一篇论文不同的表述证据、论点和结论的方式,不同的书写论文风格都为科学论文带来了独特性。科学创作和艺术创作一样有独特性,所以不用太担心你的论文被scoop。Watson和Crick在1953年解析出DNA双螺旋结构后,在撰写论文时决定要说说双螺旋结构的意义,就在投送Nature的论文最后加了一句话,也就是二十世纪生物学最重要的一句话:“It has not escaped our notice that the specific pairing we have postulated immediately suggest a possible copying mechanism for genetic material.”。他们的论文一共只有一页,完美地阐述了DNA双螺旋结构和它的意义。假设当年James Watson和Francis Crick没有解析出双螺旋结构,其他人也会做出来。Linus Pauling那时已先提出三螺旋结构,然后肯定会发现不合晶体衍射结果,修改成双螺旋,后人再发现这是遗传复制的基础等等。然而这就不可能有Watson和Crick这篇宛如艺术珍品的一篇一页纸论文,完整地描述了DNA的结构和功能。这就是科学发现(论文)的独特性。

最后,祝大家新年快乐!

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