大腦空間認(rèn)知：從神經(jīng)機制到哲學(xué)意義*

劉新玉 平燕娜

空間認(rèn)知與運動導(dǎo)航是大腦的基本功能，不僅與每個個體的生存密切相關(guān)，而且對于哲學(xué)的發(fā)展也具有積極的促進(jìn)作用。人類是怎么知道自己所處的位置？如何在已知空間中選擇從起點到終點的最佳路線？如何在大腦中存儲空間方位的相關(guān)信息，以便以后能夠利用這些信息找到相同的路徑？這些問題長久以來一直困擾著哲學(xué)家與科學(xué)家，而且人類對大腦空間定位和方位感知奧秘的探討從未停止過。

早在200多年前，德國哲學(xué)家Kant就曾提出，人類的空間概念是思想的一種內(nèi)建原理[1]，即意識中既有的、獨立于經(jīng)驗的先天知識，而人類就是利用這些原則來感知和認(rèn)識周圍世界的。然而，直到20世紀(jì)中葉，行為科學(xué)的發(fā)展才使得這類關(guān)于空間認(rèn)知的哲學(xué)思辨能夠通過實驗的手段得以驗證。1948年，美國心理學(xué)家Tolman[2]通過對迷宮中自由攝食大鼠行為的科學(xué)觀察和分析，首次提出了“認(rèn)知地圖”假說。這一假說認(rèn)為通過已有環(huán)境信息的記憶，在大鼠大腦中可能存在一種關(guān)于迷宮環(huán)境的整體信息，這些整體信息就類似于一張現(xiàn)場地圖，而大鼠就是利用這張地圖實現(xiàn)空間運動導(dǎo)航的。然而，當(dāng)時并不清楚究竟大腦中的哪些腦區(qū)參與了腦內(nèi)認(rèn)知地圖的構(gòu)建，也不了解腦內(nèi)神經(jīng)元是如何完成這些看似復(fù)雜的神經(jīng)計算過程的。我國的哲學(xué)家和思想家在很早以前，也曾對大腦空間方位認(rèn)知問題進(jìn)行了思索和探討。傳說15 000年前，先祖燧人弇茲氏就已經(jīng)知道使用北斗星來進(jìn)行方位的辨別[3]；而且據(jù)史料記載，我們祖先也是最早利用“北斗七星”的斗柄將時間(春夏秋冬)和空間(東西南北)進(jìn)行統(tǒng)一的；公元前279年，楚國詩人屈原也曾在《天問》中就發(fā)出了“遂古之初，誰傳道之？上下未形，何由考之？”的追問。

人類對外部世界認(rèn)識的提高往往得益于新技術(shù)和新方法的突破。在體神經(jīng)電信號采集技術(shù)的日趨成熟極大地促進(jìn)了大腦空間認(rèn)知的研究。1971年，英國神經(jīng)科學(xué)家O'Keefe等[4]利用微電極在體記錄技術(shù)首次在大鼠海馬CAI區(qū)發(fā)現(xiàn)了具有空間選擇性的椎體神經(jīng)元，并將其命名為“位置細(xì)胞”，這一發(fā)現(xiàn)為“認(rèn)知地圖”假說提供了物質(zhì)層面上最直接的證據(jù)，也使得人類對于大腦是如何實現(xiàn)空間方位認(rèn)知這一哲學(xué)問題有了越來越深入的認(rèn)識。本文基于大腦空間認(rèn)知研究的相關(guān)知識，首先簡要概述了與大腦空間認(rèn)知相關(guān)功能神經(jīng)元的響應(yīng)特性及其作用，然后從本體論、認(rèn)識論、方法論三個方面探討了大腦空間認(rèn)知研究的哲學(xué)意義，并在此基礎(chǔ)上探討了大腦空間認(rèn)知研究的哲學(xué)啟示。

1 大腦空間認(rèn)知的神經(jīng)機制

在過去的40年里，大腦海馬區(qū)位置細(xì)胞、內(nèi)嗅皮層網(wǎng)格細(xì)胞和邊界細(xì)胞與存在于多個腦區(qū)的頭朝向細(xì)胞等與空間方位認(rèn)知相關(guān)的功能神經(jīng)元相繼被發(fā)現(xiàn)，這一系列具有特定功能的神經(jīng)元通過相互協(xié)同作用，共同構(gòu)成了大腦空間認(rèn)知系統(tǒng)(圖1)。圖1中的圓弧線表示視覺標(biāo)志物位置。當(dāng)我們在一個特定環(huán)境空間中進(jìn)行運動時，位置細(xì)胞負(fù)責(zé)為大腦提供我們所處位置和我們要去位置的特征信息；而網(wǎng)格細(xì)胞則負(fù)責(zé)為大腦制定坐標(biāo)系，即當(dāng)我們從一個位置出發(fā)后網(wǎng)格細(xì)胞就通過不斷的整合距離和角度等信息，將環(huán)境中的其他位置與我們的當(dāng)前位置進(jìn)行聯(lián)系；邊界細(xì)胞則使我們能夠感知環(huán)境空間中的盡頭在哪里，以及其與環(huán)境空間的相對位置信息；頭部朝向細(xì)胞則負(fù)責(zé)為我們提供頭部運動的方向信息[5]。

圖1 大腦空間方位認(rèn)知細(xì)胞及其特征

1.1 位置細(xì)胞及其特性

位置細(xì)胞是在1971年由英國倫敦大學(xué)學(xué)院O'Kefee在大鼠海馬CA1區(qū)(cornu ammonis 1，CA1)首先發(fā)現(xiàn)的。首先將微電極陣列植入到大鼠海馬CA1區(qū)，然后讓其在一個陌生的房間自由走動，并記錄大鼠海馬CA1區(qū)神經(jīng)元活動信號。通過對神經(jīng)信號分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)大鼠在該環(huán)境空間中一些特定區(qū)域時，海馬CA1區(qū)一些神經(jīng)元的放電頻率會顯著增加，而在特定區(qū)域以外的地方，這些神經(jīng)元的放電頻率很低，甚至完全沒有放電活動。根據(jù)這一特性，將這類神經(jīng)元命名為位置細(xì)胞，其激活所對應(yīng)的特定空間區(qū)域被稱為位置細(xì)胞的位置野。

1.2 網(wǎng)格細(xì)胞及其特性

網(wǎng)格細(xì)胞是在2004年由Moser夫婦領(lǐng)導(dǎo)的研究組在大鼠內(nèi)側(cè)內(nèi)嗅皮層(medial entorhinal cortex，MEC)首先發(fā)現(xiàn)的[6]。讓大鼠在大空間中自由運動，記錄大鼠MEC區(qū)神經(jīng)元空間放電活動，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，這些MEC區(qū)神經(jīng)元的空間放電活動對空間中的多個特定空間位置產(chǎn)生了規(guī)律性的可重復(fù)放電，若將這些神經(jīng)元所有放電位置野中心互相連接，則相鄰位置野中心就構(gòu)成了一系列相連的正三角形，這些相鄰的正三角形就像網(wǎng)格一樣鋪滿了整個空間的二維平面。

1.3 頭朝向細(xì)胞及其特性

頭朝向細(xì)胞在1984年由美國紐約州立大學(xué)Brooklyn分校Ranck課題組[7]在大鼠前下托和旁下托腦區(qū)發(fā)現(xiàn)。頭朝向細(xì)胞是一類當(dāng)大鼠頭部朝向特定方向時，其鋒電位發(fā)放頻率會顯著增加的神經(jīng)元，與動物所處的空間位置沒有關(guān)系。

1.4 邊界細(xì)胞及其特性

邊界細(xì)胞最初是由O'Keefe等[4]和Hartley等[8]為了揭示位置細(xì)胞的形成機理而虛擬的一類空間認(rèn)知導(dǎo)航功能神經(jīng)元，并于2008年由Moser夫婦在實驗中得到證實[9]。邊界細(xì)胞是一類當(dāng)大鼠位于封閉環(huán)境的邊界旁時鋒電位放電頻率會顯著增加的細(xì)胞，其存在于內(nèi)嗅皮層、下托、前下托及旁下托等多個腦區(qū)中。

2 大腦空間認(rèn)知研究的哲學(xué)意義

當(dāng)前關(guān)于大腦的研究成果直接影響著哲學(xué)中許多問題的走向和進(jìn)一步的解決。盡管我們目前對于大腦的空間定位、方位感知等功能認(rèn)識已十分深入，但是如何對這些腦科學(xué)研究的成果進(jìn)行升華，進(jìn)行哲學(xué)解讀與轉(zhuǎn)化，并從中提取出對哲學(xué)理論研究和發(fā)展具有意義的理論和思想，還需要進(jìn)一步的探討。下面從本體論、認(rèn)識論和方法論三個角度論述大腦空間認(rèn)知研究的哲學(xué)意義。

2.1 大腦空間認(rèn)知研究的本體論意義

我在哪？我們怎么知道家在哪？是否來過這里？鳥類飛越千里為什么還能知道回家的路？……從古至今，哲學(xué)家和科學(xué)家一直在探索著人類和動物進(jìn)行空間方位認(rèn)知的奧秘。大腦的空間認(rèn)知系統(tǒng)的發(fā)現(xiàn)對于我們認(rèn)識自身、精神自我的研究以及駁斥超心理學(xué)等精神萬能論都有著十分重要的意義。

從本體論的角度講，大腦空間認(rèn)知等腦科學(xué)的研究對于精神自我的研究具有極大促進(jìn)作用。人之所以為人，在于他有自己的精神生活和精神世界，他的知識、經(jīng)驗、個性、智慧就是其精神自我[10]。從對本體論的意義來看，大腦空間認(rèn)知等腦科學(xué)的研究成果從實證的角度闡述了精神自我的存在和相對獨立性。在對大腦進(jìn)行科學(xué)研究之前，我們對于精神自我及意識能動性的研究只是缺乏科學(xué)證明的形而上學(xué)的猜想和臆斷。此外，大腦方位認(rèn)知等現(xiàn)代腦科學(xué)的研究成果對精神自我的多樣性及復(fù)雜性也進(jìn)行了突出的強調(diào)，健全的精神自我應(yīng)該是理性與非理性、意識與非意識的對立統(tǒng)一體[10]。

此外，大腦空間認(rèn)知的研究對本體論的意義還在于其駁斥了所謂的超心理學(xué)和一切林林總總的精神萬能論學(xué)說。人之所以能夠感知方位等外部世界的信息，并能在復(fù)雜的環(huán)境中進(jìn)行方位認(rèn)知和行為導(dǎo)向，并不是超心理學(xué)派所宣稱的人類具有超感官知覺，而是在動物和人大腦中存在有能夠感知位置、方向、邊界等信息的特殊類型的神經(jīng)細(xì)胞，如能夠感知位置的位置細(xì)胞、感知方向的頭朝向細(xì)胞以及最近發(fā)現(xiàn)的感知速度信息的速度細(xì)胞等[11]。

2.2 大腦空間認(rèn)知研究的認(rèn)識論意義

認(rèn)識論是一種探討人類認(rèn)識相關(guān)問題的哲學(xué)學(xué)說，其包括認(rèn)識的本質(zhì)與結(jié)構(gòu)、前提與基礎(chǔ)、真理標(biāo)準(zhǔn)及認(rèn)識發(fā)生發(fā)展的過程及其規(guī)律等。從認(rèn)識論的角度來看，大腦空間認(rèn)知的研究不僅符合認(rèn)識論的規(guī)律，而且將會促進(jìn)腦認(rèn)知相關(guān)問題的哲學(xué)研究。無論是位置細(xì)胞還是邊界細(xì)胞，其位置野的形成都是通過對外界環(huán)境的不斷熟悉逐漸形成的，也是一個從無到有，通過不斷學(xué)習(xí)、修正、再學(xué)習(xí)的過程，隨著大腦對空間認(rèn)識的逐漸深入，最后形成一個穩(wěn)定的位置野。毛澤東曾在《實踐論》中指出：認(rèn)識是一個無止境的過程，隨著實踐活動的進(jìn)展，原先的認(rèn)識將不再適用，原來建立的結(jié)論也可能失真甚至變成謬誤。這就要求我們能夠在實踐中，不斷深化認(rèn)識，以實現(xiàn)對實踐活動的準(zhǔn)確把握。因此，通過研究大腦的空間認(rèn)知規(guī)律，將為人類解決長期以來的空間認(rèn)識困境，揭示心靈-大腦的關(guān)系提供良好的平臺。

無論是作為近代科學(xué)源泉的古希臘哲學(xué)，還是倫理色彩比較濃厚的中國古代哲學(xué)，有關(guān)認(rèn)知的問題就一直是哲學(xué)的重要課題。人如何認(rèn)識世界？人何以能夠認(rèn)識外界事物？換句話說就是，思維和存在有無同一性以及思維和存在如何達(dá)到同一的問題。這是一個重大的意識本性問題[10]。因此，大腦空間方位認(rèn)知的研究對于認(rèn)識論的意義還在于其極大地促進(jìn)了思維和存在同一性問題的解決。大腦空間認(rèn)知的研究成果已經(jīng)充分說明了人類之所以能夠認(rèn)識外部世界是因為人類具有異常發(fā)達(dá)的大腦以及數(shù)量眾多的分工明確并協(xié)同工作的功能性神經(jīng)元，同時還具有健全的精神自我。馬克思主義認(rèn)識論告訴我們，世界是可知的，任何客觀事物的運動都有其固有的規(guī)律性，人們可以在與客觀事物的接觸中，了解、掌握客觀規(guī)律，并予以掌握和利用[12]。因此，對于大腦空間認(rèn)知的研究將極大地促進(jìn)思維和存在同一性問題的解決。

2.3 大腦空間認(rèn)知研究的方法論意義

方法論是普遍適用于各門具體社會科學(xué)并起指導(dǎo)作用的范疇、原則、理論、方法和手段的總和[13]。任何偉大的發(fā)現(xiàn)都得益于科學(xué)技術(shù)的突破，大腦空間方位研究也不例外，在體電生理神經(jīng)信號采集技術(shù)的日益成熟極大地促進(jìn)了大腦神經(jīng)科學(xué)的研究。在20世紀(jì)中葉，諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎獲得者Hubel和Wiesel[14]通過利用微電極陣列成功記錄到了貓初級視覺皮層神經(jīng)元的放電模式，為大腦其他區(qū)域的神經(jīng)元放電模式的研究奠定了基礎(chǔ)。利用這一技術(shù)，O'Keefe在自由活動的大鼠海馬區(qū)首次發(fā)現(xiàn)了對特定位置敏感的位置細(xì)胞，開啟了人類對大腦空間方位認(rèn)知的研究，也為人類認(rèn)識自身和揭示心靈-大腦的關(guān)系提供新的理論和方法。

法國哲學(xué)家Descartes在《正確思維和發(fā)現(xiàn)科學(xué)真理的方法論》一書中曾經(jīng)提出：“把復(fù)雜的東西化為最簡單的東西，例如把精神實體簡化為思維，把物質(zhì)實體簡化為廣延?！盵15]自1971年位置細(xì)胞被發(fā)現(xiàn)之后，人類對于大腦空間認(rèn)知的研究進(jìn)展十分緩慢，直到34年后網(wǎng)格細(xì)胞的發(fā)現(xiàn)，才使大腦空間認(rèn)知的研究進(jìn)入新的時代。其實，在更早的時候Moser夫婦就已經(jīng)記錄到了網(wǎng)格細(xì)胞，但是由于實驗過程中記錄的場地太小，獲得網(wǎng)格細(xì)胞的活動規(guī)律顯得十分雜亂，難以有效辨別。后來，當(dāng)把大鼠放置在一個相對較大空間中時，網(wǎng)格細(xì)胞的位置野才呈現(xiàn)出清晰的具有六邊形形狀的連接規(guī)律。因此，腦空間認(rèn)知研究的歷程從神經(jīng)生物基礎(chǔ)方面強有力地佐證了馬克思主義方法論的正確性。在腦科學(xué)研究中也應(yīng)利用科學(xué)的方法，自覺運用客觀世界發(fā)展的辯證規(guī)律，一切從實際出發(fā)，方能洞悉世界萬物的本質(zhì)。

3 大腦空間認(rèn)知研究的哲學(xué)啟示

黑格爾在《小邏輯》一書中曾提出：哲學(xué)是一種特殊的思維運動。因此，從辯證的角度看，空間認(rèn)知等關(guān)于大腦思維機制研究本身也是哲學(xué)研究的具體體現(xiàn)，也必將對哲學(xué)的研究起到重要的啟示作用。揭示大腦空間認(rèn)知研究對于哲學(xué)研究的啟示是多元的，我們認(rèn)為具體可以概括為以下兩個方面：其一，哲學(xué)研究應(yīng)該從傳統(tǒng)思辨模式向科學(xué)思維方式轉(zhuǎn)變。盡管黑格爾等先哲們認(rèn)為哲學(xué)是思維的運動，但是從古至今，對于哲學(xué)的研究大都是基于思辨的方式進(jìn)行的，這種方式容易受到大腦思維的局限，使得哲學(xué)在神學(xué)和科學(xué)之間左右搖擺，局限了哲學(xué)的發(fā)展。因此，空間認(rèn)知等腦科學(xué)發(fā)展會促使哲學(xué)向科學(xué)靠攏，也將極大弱化哲學(xué)家自身個性對哲學(xué)研究的影響。其二，哲學(xué)研究應(yīng)該借助現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)進(jìn)一步武裝自己。任何偉大的發(fā)現(xiàn)都得益于新技術(shù)和新方法的突破，作為科學(xué)之母的哲學(xué)也不應(yīng)例外。腦科學(xué)作為最接近哲學(xué)研究的現(xiàn)代科學(xué)，在哲學(xué)研究中應(yīng)該充分利用腦科學(xué)的研究成果，總結(jié)和發(fā)展出適用于哲學(xué)研究的科學(xué)技術(shù)與方法，對于哲學(xué)的研究將會頗有益處。

毋庸置疑，只有在認(rèn)識和實踐活動中自覺地運用客觀世界發(fā)展的辯證規(guī)律，并結(jié)合現(xiàn)代先進(jìn)的科學(xué)方法，人類才能對外界事物有深刻的認(rèn)識。腦科學(xué)的研究成果對于哲學(xué)的啟示遠(yuǎn)不止文中所論及的這些方面，上述的論述也只是本人在大腦空間認(rèn)知與導(dǎo)航研究過程中的一些拙見。不過，可以肯定的是，大腦空間認(rèn)知的研究對于人類認(rèn)識自身和認(rèn)識世界都有著十分重要的意義，而且空間認(rèn)知之謎的破解對于哲學(xué)、自然科學(xué)甚至社會科學(xué)都將產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。