蒲慕明的貢獻
蒲慕明的貢獻
科研成果
蒲慕明早年接受了物理學的訓練，在約翰霍普金大學攻讀生物物理博士期間, 開展了膜蛋白在膜上流動性的研究。他首先對生物膜上膜蛋白的側向流動性進行了定量測量，并且計算出生物膜的粘度約為1泊，為當時剛剛被提出的細胞膜流體鑲嵌理論模型提供了直接的實驗證據。他建立的“光漂白”技術至今仍是測量細胞內蛋白運動速度的標準實驗方法。在普渡大學進行博士后研究及而后在加州大學歐文分校主持自己實驗室期間，蒲慕明進一步研究膜蛋白在膜內的電泳和擴散運動，建立了多種用來研究蛋白在細胞膜上的運動特征的生物物理以及電生理技術。 自上世紀八十年代初起，蒲慕明開始關注神經系統發育的問題。在加州大學歐文分校，耶魯大學，哥倫比亞大學，加州大學圣地亞哥分校以及伯克利分校，他的實驗室在神經生長和軸突導向、神經元極性建立和神經元遷移、突觸形成和可塑性等研究方向都做出了重要發現，推動了發育神經生物學領域的發展。
大腦神經環路的形成是由神經細胞的軸突與它們的靶細胞之間在神經發育期產生特定性的連接。軸突是如何在發育組織中找到它們的靶細胞是神經科學的一個重要的問題。蒲慕明在神經生長和軸突導向的研究領域做出了多項重要發現，如發現胞外電場會影響神經生長的方向，神經生長錐可以在突觸形成之前會進行神經遞質釋放。他還發現軸突在尋找靶細胞的過程中，神經元中的環化核苷酸水平可以決定軸突生長錐是被胞外導向分子梯度吸引還是排斥。傳統教科書中的概念是軸突導向是通過胞外環境內的吸引性或排斥性分子所決定的。通過證明同一軸突內環化核苷酸處于不同的水平時，很多神經導向分子的作用都可以在吸引性和排斥性之間轉換，他提出了一個嶄新的概念: 軸突響應神經導向因子的反應過程不是由導向分子本身特性所決定，而是依賴于反應神經元內部狀態的第二信使水平而定。在這些工作中所創立的生長錐轉向分析這一簡潔的實驗分析手段，也成為了體外單細胞水平上定量檢測導向分子對生長錐導向作用的標準實驗方法。此外，他還揭示了在軸突導向和神經元遷移過程中鈣信號所發揮的重要功能。他的實驗室并進一步在神經元極性的建立、軸突樹突分化的早期事件，以及維持神經元極性的細胞機制等研究方向做出了一系列的重要發現。
大腦的結構功能是受生物體的經驗所塑造而成的，它可以學習、儲存記憶。這些能力的細胞基礎是基于神經細胞之間的連接（所謂突觸）的可塑性。在突觸可塑性領域，蒲慕明在哥倫比亞大學的實驗室首先發現腦源性神經營養因子可以快速地強化突觸傳遞功能。過去認為神經營養因子的主要功能是維持神經細胞的存活，蒲慕明的工作指出神經營養因子對突觸的功能有重要的強化作用，這工作也促使了一個新的研究領域的出現。在此后的二十年中，他的實驗室進一步闡明了神經電活動對營養因子分泌的調節，這些因子對軸突導向的功能和在突觸的作用機理，以及在視覺系統發育過程中對突觸可塑性的調節和對可卡因成癮的作用。
突觸傳遞的效率也可以被神經細胞電活動所調節。德國海德堡馬普醫學研究所的Bert Sakmann實驗室在 1997年報道了突觸傳遞效率能依賴于突觸前后神經元放電的先后次序而被雙向調節。從1998年開始，蒲慕明在加州大學的實驗室開展了一系列的在體和離體實驗，確定了能引起突觸效能長時程增強（long-term potentiation , LTP）和長時程減弱（long-term depression, LTD）所需要的突觸前、后神經元放電的時間順序的具體時間窗，而這兩種突觸效能的長時程變化則廣泛地被認為是學習與記憶的神經機制，即現在被廣泛稱作“放電時序依賴的可塑性”（STDP: Spike Timing-Dependent Plasticity）。這些工作推動了一大批實驗室對突觸可塑性、學習與記憶的神經環路功能中放電時序的作用等進行實驗研究和計算模擬分析。經過十余年研究，蒲慕明實驗室進一步深入分析了STDP的生物學意義：闡明了STDP機制具有將神經網絡中時間信息做記憶儲存的潛在能力，確定了在興奮性和抑制性神經元中STDP各種具體時間窗，還發現了“突觸外的STDP”，即誘導LTP/LTD產生的相關放電也能雙向調節突觸后樹突以及突觸前神經元細胞膜的內在興奮性。此外蒲慕明實驗室還證明了在視覺系統發育過程中神經元感受野的修飾中，STDP發揮著重要的作用。
總之，蒲慕明為生物科學多個研究領域做出了具有開創性和深遠影響的貢獻。他建立了生物物理學和細胞生物學中多種新穎實用的實驗技術，他還在神經軸突生長的導向，以及神經營養因子和神經元電活動對突觸效能的調節的研究中做出了一系列的重要發現。
對中國科學技術事業的貢獻
蒲慕明對中華民族有著執著的深厚感情。上世紀70年代初他積極參與臺港留美學生“保釣”活動；我國改革開放后他投身到恢復和建設中國生物學研究的工作中，81-84年間先后在北京醫學院、南開大學、清華大學主持神經生理、細胞膜生物學、生物物理學等系列培訓班，介紹國際最新進展；1984-86年主持清華大學生物科學與技術系的籌建，并擔任首屆系主任；1989-91年參與香港科技大學的建校委員會，負責生物科系的籌建。1998年蒲慕明應科學院路甬祥院長的邀請在中科院籌建神經科學研究所，1999年11月神經所成立以來一直擔任所長。他制定了研究所的“路標”，旨在建立一個學術水平被國際同行充分肯定的、運行模式在中國是可以被借鑒的一流科研機構。他在神經所取得的成效顯示出他領導的改革的必要性、可操作性與可復制性。他積極推動建立了一個適應現代化研究所要求的、能夠提供嚴謹科學追求和富有成效的互動環境、提供重大發現的支撐和管理系統、提供基于貢獻的激勵和資助的評估體系、以及為中國下一代神經科學工作者提供高質量的教育和訓練的科研機構。在他領導下神經所多年來取得了顯著成績。在我國生命科學基礎研究整體水平還比較薄弱的背景下，他帶領神經所在國際一流學術刊物上不斷發表高水平的論文，為我國生命科學在2000年代初期邁上國際科學研究舞臺發揮了引領的作用。蒲慕明所長充分利用其自身及神經科學研究所取得的國內外聲譽和較優越的科研環境，廣納良才。從建所至2016年，神經所共招聘了近50位研究組長，組成了較強的研究梯隊。蒲慕明堅持人才引進與國內培養并進，提倡優良學風。他盡力為研究所提供相對“純”的科研環境，讓研究人員能心無旁騖地從事研究工作。在蒲慕明創建的科研氛圍和體制機制下，研究員能夠更全面更系統地得到各種熏陶和培養，并快速成長。2000年后中科院神經科學領域選出的三位院士都是在神經所完成了他們入選的主要工作。神經所也有10多位研究組長被其他一些科研機構和學校挖掘過去，他們在其他單位的科研發展也發揮了重要的貢獻。
2014年，中科院成立了腦科學卓越創新中心，聘請蒲慕明為主任；2015年，為促進腦科學與類腦人工智能技術的交叉融合，腦科學卓越中心聯合了中科院自動化所等二十多家單位，成立了中國科學院腦科學與智能技術卓越創新中心。為促進不同學科之間的深度交流，推動中心的融合發展，作為中心主任的蒲慕明率先“蹲點”自動化所，成功開啟卓越中心學科交流工作，使交叉學科專題學術報告和實驗室間的交流成為中心內頻繁的活動；建立了雙導師制研究生培養計劃，開啟了交叉學科研究生的深度培養工作。
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