人腦之謎：待勘探的新大陸

□文/顧凡及

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，人類還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“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。

似有定論但遠(yuǎn)未接近真相的幾個問題

第一個問題：為了完成某個功能，究竟需要全腦參與，還是只要局部就行？

19世紀(jì)初，奧地利醫(yī)生弗朗茨· 加爾相信人不同的認(rèn)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，他認(rèn)為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，加爾把這個想法推廣到其他特點。盡管他的理論缺乏科學(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)家皮埃爾·弗盧朗的強烈反對。弗盧朗曾損壞了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(rèn)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，他的實驗結(jié)果并不能最終支持他的觀點。

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·布羅卡對一位名叫萊沃爾涅患者的研究。

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”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”，人們就把他稱為“他”先生。

布羅卡對萊沃爾涅進(jìn)行了檢查，但僅僅6天之后，萊沃爾涅就去世了。隔天上午進(jìn)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。”

后來，他又對8名類似的病人進(jìn)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)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，也成為腦功能定位論再次崛起的契機。

但是，關(guān)于整體論與功能定位論之間的爭論并未平息。

第二個問題：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？

到了20世紀(jì)初，幾乎所有的學(xué)者都承認(rèn)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·拉什利關(guān)于記憶的研究。他讓大鼠學(xué)習(xí)在迷宮中尋找食物，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)常會出錯。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(dá)·米爾納對著名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(rèn)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，兩種觀點之間的爭論至今還沒有完全平息，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(rèn)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(rèn)為意識需要全腦參與，參與量的多少反映了意識的程度。孰是孰非，還需要進(jìn)一步研究。

第三個問題：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)？

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。

《庭院還是樓臺》這張圖片顯示的就是一種視錯覺，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，看圖的下半部，根據(jù)小柵欄的朝向可以判定這是一個庭院；看圖的上半部，根據(jù)小柵欄的朝向則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(rèn)識。

但是這就帶來了一個矛盾，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(rèn)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(rèn)為，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。

《庭院還是樓臺》顯示的就是一種視錯覺

科學(xué)家正是基于這些現(xiàn)象，得出腦不僅僅進(jìn)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。

耗資巨大的腦計劃真的有用嗎

現(xiàn)在，世界科技大國都有自己耗資巨大的腦計劃，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，因為到目前為止，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)也缺乏實際可行的技術(shù)路線。對于腦這樣一個有著極多層次的超級系統(tǒng)，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，這種方法是否能完全奏效仍大有疑問。但是，筆者也并不否認(rèn)這些腦計劃對推動腦研究的重大作用。

技術(shù)的進(jìn)步往往打開新發(fā)現(xiàn)的大門。二十世紀(jì)二三十年代，放大器和示波器等電子技術(shù)的進(jìn)步，開創(chuàng)了研究神經(jīng)系統(tǒng)電活動的新時代；二十世紀(jì)末，正電子發(fā)射斷層掃描和功能性磁共振成像等腦成像技術(shù)，則開辟了認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)的新時代。如今，美國和歐盟的腦計劃都把重點放到了研究腦的新技術(shù)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(rèn)識，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)范化地收集基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，例如，人腦中神經(jīng)細(xì)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)。

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。

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(jìn)行深入的討論并達(dá)成某些共識，然后投入巨資，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(jìn)行不懈的探索，也許可望在腦和心智研究上取得突破。

讓我們歡呼、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)。