人腦之謎：待勘探的新大陸

腦研究的現(xiàn)狀及評估

人類已經(jīng)能夠打破原子，上天攬月，甚至發(fā)送航天器飛出太陽系，我們也能夠測定自己的基因序列，似乎無所不能，然而對于我們的腦是怎樣工作的，我們怎樣“看”？我們怎樣“聽”？我們怎樣“行動”？我們怎樣有喜怒哀樂？我們怎樣“想”？我們怎么會有意識？我們怎么知道自我……我們已經(jīng)知道了不少，但是不知道的比知道的還要多得多。

正如近世最偉大的生物學(xué)家、諾獎得主弗朗西斯·克里克（Francis Crick）所言：“如果我們要想正確地懂得我們在周圍這個極其廣袤和復(fù)雜的世界中的地位，我們就必須要比較細致地認識我們的腦?！?社會的快節(jié)奏和老齡化，使得如何防止和治療腦疾患成為當(dāng)務(wù)之急。為此認識腦的工作機制是必不可少的。盡管計算機在運算上遠超人腦，但是在其他許多方面依然遠遠不如人腦，如何從腦研究中尋求啟發(fā)，創(chuàng)造出更智能的機器也成了工程技術(shù)人員夢寐以求的夢想。所以盡管這些問題很難，但是由于它們的重要性和挑戰(zhàn)性，正在成為科學(xué)研究的熱點和前沿。那么對腦研究的現(xiàn)狀究竟應(yīng)該如何評估呢？

顧凡及復(fù)旦大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院教授

2006年參與《認知神經(jīng)動力學(xué)》雜志籌辦，美國神經(jīng)科學(xué)家沃爾特·弗里曼（Walter Freeman）教授在審閱和修改筆者為該雜志起草的發(fā)刊詞時加了下面一段話：

我們就像那些“發(fā)現(xiàn)”了美洲的地理學(xué)家一樣，他們在海岸上看到的并不只是一串小島，而是有待探險的整個大陸。使我們深為震驚的與其說是在腦如何思考的問題上我們做出的發(fā)現(xiàn)的深度，還不如說是我們所承擔(dān)的闡明和復(fù)制腦高級功能的任務(wù)是何等的艱巨。

弗里曼教授以非常生動和深刻的筆觸總結(jié)了腦研究的現(xiàn)狀。對揭開人腦之謎持謹(jǐn)慎態(tài)度的絕不止弗里曼一人。有的科學(xué)家甚至說得更為謹(jǐn)慎。哈佛大學(xué)神經(jīng)生物學(xué)家杰夫·李奇曼（Jeff Lichtman）每次在他課程的第一節(jié)課上都會問學(xué)生一個問題：“如果腦總共包含的知識是一英里，我們已經(jīng)在這個路程上走了多遠？”有的學(xué)生回答說走了三分之一，也有的說是一半或四分之一，但是這位教授給出的答案是“大約 3 英寸”！

下面我們就來舉例說明這個問題，由于這樣的問題太多，而本文篇幅有限，所以筆者就舉幾個許多人都認為似乎已有了定論的說法，說明即使是在這些非?；A(chǔ)、研究也最深入的問題上也依然有問題沒有解決，那么對于其他問題就更可想而知了。

似有定論，但還遠未接近真相的幾個問題

第一個問題是腦為了完成某個功能究竟需要全腦參與，還是只要局部就行了？

19世紀(jì)初，奧地利醫(yī)生弗朗茨·約瑟夫·加爾（Franz Joseph Gall）相信人不同的認知功能和性格特點是由不同腦區(qū)決定的，如果某種功能用得多，相應(yīng)的腦區(qū)就會增大，對應(yīng)于它的顱骨也會隆起，因此通過檢查顱骨的隆起情況就可以確定該人的性格，并把這個理論稱為顱相學(xué)。

加爾9歲時就注意到有同學(xué)對文字材料的記憶力超強，并且有一對像母牛一樣鼓起的眼睛。在他的印象中，有這樣眼睛的人往往都有很強的記憶力，于是他把這兩者聯(lián)系了起來。長大以后，他把這個想法推廣到其他特點。盡管加爾的理論缺乏科學(xué)根據(jù)，也沒有實驗支持，從總體上說是錯誤的，但是他最先提出了腦功能定位的思想。

加爾的理論受到了實驗生理學(xué)家瑪麗·讓·皮埃爾·弗盧朗（Marie Jean Pierre Flourens）的強烈反對，弗盧朗損壞鳥腦皮層的不同部位，并沒有發(fā)現(xiàn)鳥的行為有什么特異性缺陷，因此他認為動物的行為是由整個腦決定的。但他采用的實驗對象主要是低等動物，即使以高等動物作為實驗對象，用的也是非常幼小的動物。所以最終證明他的實驗結(jié)果并不能支持他的觀點。

圖1 顱相學(xué)模型

支持腦功能定位假設(shè)的突破性證據(jù)來自1861年法國神經(jīng)解剖學(xué)家皮埃爾·保爾·布羅卡（Pierre Paul Broca）對一位名叫萊沃爾涅（Leborgne）的病人的研究。萊沃爾涅是巴黎的一名鞋匠，21年前中過風(fēng)，從此不能講完整的句子，而只會發(fā)“他（tan）”這個音。問他叫什么名字，他的回答是“他”；問他別的問題，他回答的依然是“他”，于是后來人們就把他稱為“他”先生。布羅卡對其進行了檢查，但僅僅6天之后“他”就去世了。隔天上午進行了尸檢，結(jié)果發(fā)現(xiàn)他左側(cè)腦的前部有損傷，左額葉大范圍軟化，并向后延伸到頂葉，向下延伸到顳葉，但是可清楚地看出軟化的原發(fā)部位在左額葉的中部。布羅卡在當(dāng)天下午舉行的人類學(xué)學(xué)會的學(xué)術(shù)會議上報告了這一病例，他堅定地宣稱：“所有一切都使我們相信，在這一病例中，額葉損傷是造成失語的原因?！焙髞?，他又對8名類似的病人進行尸檢，發(fā)現(xiàn)他們的左側(cè)額葉都有類似的損傷。根據(jù)這些發(fā)現(xiàn)，1864年，布羅卡總結(jié)了一句有關(guān)腦功能的名言：“我們用左腦說話！”他特別強調(diào)他所發(fā)現(xiàn)的這個區(qū)域與顱相學(xué)所說的語言區(qū)域是不同的。此后，腦的這一部分就被命名為布羅卡區(qū)。而布羅卡的研究也成為定位論再次崛起的契機。

以后科學(xué)家又發(fā)現(xiàn)以非常微弱的電流刺激狗的大腦皮層，發(fā)現(xiàn)刺激狗腦的不同部位可引起對側(cè)軀體上不同部位的運動。成為支持功能定位學(xué)說的有力證據(jù)。但是關(guān)于整體論與功能定位論之間的爭論并未平息。

大腦高級功能是由腦的特定部位還是整個大腦皮層決定的？

圖2 萊沃爾涅的腦

到了20世紀(jì)初，幾乎所有的學(xué)者都承認大腦皮層有某種程度的功能定位，但還是有人堅持大腦皮層的高級功能（如思維與記憶）需要整個大腦皮層的工作，對此不存在功能定位。其中影響最大的首推美國心理學(xué)家卡爾·拉什利（Karl Lashley）關(guān)于記憶的研究。他讓大鼠學(xué)習(xí)在迷宮中找到食物，然后研究大腦皮層損傷對完成此任務(wù)的影響。拉什利發(fā)現(xiàn)，如果在學(xué)習(xí)前就損傷大鼠的大腦皮層，它需要通過更多次的學(xué)習(xí)才能避開盲端取到食物。在另一組實驗中，拉什利先讓大鼠學(xué)會避開盲端直接取到食物，然后再損傷它的大腦皮層，結(jié)果發(fā)現(xiàn)此后大鼠經(jīng)常要出錯。在最關(guān)鍵的一個實驗中，拉什利發(fā)現(xiàn)大鼠學(xué)習(xí)和記憶損害的程度與大腦皮層損傷的面積正相關(guān)，而與損傷的部位無關(guān)。他的工作對整體論是極大的支持。但是，后來人們發(fā)現(xiàn)他的結(jié)論有問題，因為他損傷的大鼠大腦皮層的區(qū)域面積很大，影響到許多不同的感覺模態(tài)，而迷宮學(xué)習(xí)恰恰牽涉到多種感覺模態(tài)。因此，單獨損傷某一模態(tài)并不足以阻止大鼠完成任務(wù)，因為別的模態(tài)可起到補償作用，只有當(dāng)損傷面積很大而牽涉到許多模態(tài)時，問題才明顯地表現(xiàn)出來。拉什利對實驗事實做出的解釋不正確！但是，有一點他是對的，即學(xué)習(xí)和記憶并不只局限于皮層的某個局部小區(qū)域。20世紀(jì)50年代，記憶研究的先驅(qū)——加拿大英裔神經(jīng)科學(xué)家布倫達·米爾納（Brenda Milner）對著名的失憶癥病人的研究表明腦深部的海馬體是把短期記憶轉(zhuǎn)化為長期記憶的關(guān)鍵部位，但是這只牽涉到像對經(jīng)歷和知識這樣的“陳述性記憶”，而與經(jīng)過訓(xùn)練獲得技巧的“程序性記憶”無關(guān)。這就徹底推翻了拉什利的觀點。

現(xiàn)在一般認為只有非常簡單的功能才定位在腦的單個特定部位，絕大多數(shù)腦功能并不需要全腦的參與，但是需要多個腦區(qū)的協(xié)同工作。雖然如此，這兩種觀點之間的爭論至今也還沒有完全平息，這主要反映在意識問題上。目前一個重要的爭論問題是意識的神經(jīng)基質(zhì)是什么？許多人認為是特定的腦區(qū)及其上特定的活動，這被稱為意識的神經(jīng)相關(guān)機制。但是也有科學(xué)家認為意識需要全腦參與，參與量的多少反映了意識的程度。究竟孰是孰非，還需要進一步研究。

腦僅僅是一個信息處理機構(gòu)，還是能從外界刺激中提取“意義”的系統(tǒng)？

圖3 拉馬錢德蘭錯覺

圖4 庭院還是樓臺？

再舉一個例子，視覺是神經(jīng)科學(xué)中研究得最多也最深入的一個領(lǐng)域。目前人們通常把視覺系統(tǒng)看成某種信息處理系統(tǒng)，由簡單到復(fù)雜逐層抽提不同特征。但是大家都熟知的視錯覺卻說明情況并不完全是這個樣子。圖3是所謂的拉馬錢德蘭錯覺。在圖（a）中有許多小圓，在中心部分有6個小圓的上部比較光亮，而底部比較陰暗，其他則相反。結(jié)果使人感到中心的那6個圓是凸起的，而其他的圓則是凹陷的。圖（b）是把圖（a）旋轉(zhuǎn)了180度后得到的結(jié)果，結(jié)果使人在感覺上似乎中間的6個圓是凹陷的，而其他的圓則是凸起的。要知道這兩個圖除了把位置上下顛倒了一下之外完全是一樣的，為什么會產(chǎn)生完全相反的感覺。美國神經(jīng)科學(xué)家拉馬錢德蘭認為這是由于人腦所處的自然環(huán)境中光源（太陽、月亮）都是從上面照射下來的，所以凸起的東西上部亮、下部暗，而凹陷的東西則正好相反。這在腦的內(nèi)部世界中就成為一條規(guī)律。因此對于這種十分人為的圖形，我們的腦不僅對其輸入進行自下而上的分析，也根據(jù)其內(nèi)部模型自上而下地進行判斷。

圖4顯示另一種視錯覺，這就是當(dāng)把三維對象畫在二維平面上時，利用不同的線索暗示其局部所在的空間位置，由于不同的三維對象可以映射成同樣的二維投影，把這些投影連接起來，盡管在局部都能得到合理的解釋，但是從整體上來說可能自相矛盾。例如圖的下半部，根據(jù)小柵欄的朝向可以判定這是一個庭院，觀察者認為這個庭院是在他腳下；而圖的上半部，則根據(jù)小柵欄的朝向可以判定這是一個樓臺，而那架梯子和那條繩子，以及上半部的天和下半部的草地更加強了對樓臺和庭院的認識。但是這就帶來了個矛盾，就是中間的那個正方形從下半部看是庭院的路面，而從上半部看則是樓臺的底面，這似乎是矛盾的。要解決這個矛盾就只能認為它是翹起來的，所以下半部是路面而上半部是樓臺底所構(gòu)成的頂。如果你這樣認識，那么再去看它，就真的似乎有翹的感覺。所以“看”就不只是對輸入圖像抽提特征的問題，而如克里克所講的：“看是一個主動的構(gòu)建過程。你的大腦可根據(jù)先前的經(jīng)驗和眼睛提供的有限而模糊的信息做出最好的解釋。進化可以確保大腦在通常的情況下非常成功地完成此類任務(wù)。但情況并非總是如此。心理學(xué)家之所以熱衷于研究視錯覺，就是因為視覺系統(tǒng)的部分功能缺陷恰恰能為揭示該系統(tǒng)的組織方式提供某些有用線索?！?/p>

弗里曼正是基于這些現(xiàn)象，以及他自己長期對嗅覺系統(tǒng)的研究得出腦不僅僅進行信息處理，而且還要根據(jù)其內(nèi)在模型從外界刺激中提取“意義”的觀點。這是一個現(xiàn)在許多人都還沒有領(lǐng)會的嶄新觀點。

到目前為止我們還沒有任何有關(guān)腦如何產(chǎn)生心智的科學(xué)理論框架，對此目標(biāo)也還缺乏實際可行的技術(shù)路線，在解開這一科學(xué)的終極之謎中還有大量未知的領(lǐng)域，期望完全通過搞清楚每一個離子通道或是每一個神經(jīng)元的每一個發(fā)放，由此逐層往上，最后揭開心智之謎。對于腦這樣一個有著極多層次的超巨系統(tǒng)，這種方法是否能完全奏效大有疑問。

揭開人腦之謎的希望能全部寄托在有關(guān)腦研究的各種大計劃上嗎？

現(xiàn)在世界上各科技大國都有自己的耗資巨大的腦計劃。許多人把揭開人腦之謎的希望全部寄托在這些大計劃上。對此筆者持保留態(tài)度，其原因已如上述。雖然筆者并不否認這些腦計劃對推動腦研究的重大作用。

技術(shù)的進步往往打開新發(fā)現(xiàn)的大門，20世紀(jì)二三十年代放大器和示波器等電子技術(shù)的進步，開創(chuàng)了研究神經(jīng)系統(tǒng)電活動的新時代；20世紀(jì)末正電子發(fā)射斷層掃描（PET）和功能性磁共振成像（fMRI）等功能腦成像技術(shù)則開辟了認知神經(jīng)科學(xué)的新時代。雖然這并不是說，任何新技術(shù)都必定會引起科學(xué)的革命性變革，但是任何重大的科學(xué)突破往往都以新技術(shù)的出現(xiàn)為前奏。諾獎得主大衛(wèi)·休伯爾（David Hubel）在其自傳中講到他發(fā)明的鎢絲電極對他研究所起的作用后感嘆地說道：“我總是為很少有人努力發(fā)明新方法而驚詫不已，這或許是因為一般說來獎勵總是給予應(yīng)用新方法而得到研究成果的人，而不是那些發(fā)明新方法的人。”看來情況正在發(fā)生改變。美國和歐盟的腦計劃都把重點放到了研究腦的新技術(shù)的開發(fā)上。當(dāng)然，這并不等于說新技術(shù)就必然帶來科學(xué)的突破，關(guān)鍵還是要科學(xué)家對面臨的科學(xué)問題有清醒的認識和知道如何把這些新技術(shù)應(yīng)用到這些問題的研究上去。

大計劃對腦研究的另一大作用是可以大規(guī)模規(guī)范化地搜集基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，例如，人腦中神經(jīng)細胞的分類、腦區(qū)分劃圖譜以至腦中神經(jīng)元與神經(jīng)元之間的聯(lián)結(jié)圖譜等，這些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)可能為將來的突破打下基礎(chǔ)，但是其本身還不是認識腦機制的根本性突破。

神經(jīng)科學(xué)研究需要多樣性，需要梳理神經(jīng)科學(xué)所面臨的重大而又有望在不久的將來能取得突破的問題。開發(fā)新技術(shù)，通過多學(xué)科的合作研究，把自下而上的方法和自上而下的方法緊密地結(jié)合起來，把還原論方法和整體論方法結(jié)合起來，把實驗和理論建模結(jié)合起來，從各個方面和各個層次以及跨層次地對腦和心智進行研究，這才有可能逐步解開人腦之謎。

以筆者的管見，當(dāng)前需要對腦研究所面臨的重大問題做一番梳理，尤其是那些對社會有重大意義而又有望在可預(yù)見的將來能得到解決的問題。正如數(shù)學(xué)大師希爾伯特在1900年國際數(shù)學(xué)大會上提出了當(dāng)時數(shù)學(xué)界所面臨的23個重大問題，這推動了以后很長一段時間里的數(shù)學(xué)研究。2013年諾獎得主埃里克·坎德爾（Eric Kandel）在為《神經(jīng)元》雜志所寫的一篇展望中，也提到了希爾伯特的范例，雖然他謙虛地不敢自比希爾伯特，但還是就他最擅長的記憶研究提出了一系列當(dāng)前面臨的重大問題。美國的腦計劃在立項之初，也建立起專家委員會，召集了一批腦研究各個領(lǐng)域的領(lǐng)軍人物開會，專家委員會要求每位專家都就他認為的重要課題做報告，并寫出兩頁紙的提要，在報告完后與專家委員會閉門面談。這似乎是這方面的一個有益的嘗試。

如果能把全球頂級專家對腦研究重大課題的真知灼見匯集起來進行深入的討論并達成某些共識，投入巨資，鼓勵和支持科學(xué)家，特別是對腦癡迷的年輕科學(xué)家，在這些重大問題上進行不懈的探索，那么也許可望在腦和心智研究上取得突破。讓我們歡呼和迎接這一腦和心智研究的新時代吧！也期望有志的讀者能把自己武裝起來，參與這一宏偉的事業(yè)。