給人類最復(fù)雜的器官立傳
在這部巨著里，科布教授講述了在歷史的長河中，從古代先賢到當今的科學(xué)家，人類是怎樣一步步揭開大腦的神秘面紗的。在此我從一名腦科學(xué)研究者的角度出發(fā)，簡單勾勒一下這本書中描述的歷史脈絡(luò)，并討論一下腦科學(xué)研究發(fā)展所面臨的挑戰(zhàn)。
腦科學(xué)研究的歷史脈絡(luò)：從上古到今天
沿著本書中的時間線，按照腦科學(xué)發(fā)現(xiàn)的相對重要程度劃分，我認為腦科學(xué)研究大致可以分為四個歷史階段：蒙昧?xí)r代（16世紀前）、啟蒙時代（17到19世紀）、近現(xiàn)代（20世紀），以及當代（21世紀）。
在蒙昧?xí)r代，科學(xué)家與智者們無法通過觀察得知大腦的真正功能。比如，古希臘的亞里士多德認為，心臟才是產(chǎn)生感覺與情緒的器官，大腦看上去遠不如時刻跳動的心臟更有活力，不是嗎？中國古代的先賢也持類似的觀點，所以我們才會有“傷心”“心碎”等描述情緒的詞語。單純根據(jù)我們的直觀感受，情緒波動的時候心臟的跳動好像確實會發(fā)生相應(yīng)的改變，所以得出這種結(jié)論并不奇怪。
公元162年左右，古羅馬的蓋倫提出了一個有關(guān)大腦的驚世駭俗的假說。在動物身上開展了一系列的實驗后，他提出大腦——而不是心臟——很有可能才是產(chǎn)生思想的地方。蓋倫提出了一個無比玄乎的概念“精氣”（pneuma），認為大腦產(chǎn)生的這種看不見摸不著的氣體能在神經(jīng)中流動，進而控制全身的運動。今天來看，這種“精氣”的運作方式一定程度上就像一種非常樸素的電傳導(dǎo)模型。1543年，兩部影響深遠的科學(xué)巨著出版。一部是尼古拉·哥白尼的《天體運行論》，另一部則是安德烈·維薩里的醫(yī)學(xué)巨著《人體構(gòu)造論》。在《人體構(gòu)造論》中，維薩里惟妙惟肖地繪制了大腦的結(jié)構(gòu)并否定了蓋倫“精氣”的觀點。
蓋倫在2世紀用豬開展了令人毛骨悚然的實驗。實驗證明，控制運動的器官是腦，而非心臟。圖片來自一部出版于16世紀的蓋倫著作的扉頁。
進入啟蒙時代后，先哲笛卡兒經(jīng)過富有遠見的思考，認為蓋倫是對的：大腦里確實有可以快速移動的“精氣”，這些“精氣”控制著人體的運動和各種思考。今天看來，這甚至可以看作是大腦反射弧的一個雛形。但大腦的科學(xué)基礎(chǔ)究竟是什么呢？
17至18世紀最偉大的科學(xué)進展是牛頓引領(lǐng)的物理學(xué)革命，科學(xué)家剛剛開始認識到龐大星球之間的神秘引力。而揭開大腦神秘面紗的，卻是對自然界中另外一種力量——電的研究。
到18世紀末，路易吉·伽伐尼、亞歷山德羅·伏打等意大利科學(xué)家率先揭示了生物體中電的奇妙力量，他們甚至可以利用電讓青蛙的肢體收縮。古老的“精氣”終于被找到了，那就是生物電。類似于伏打電池這樣的發(fā)明也讓人類開始能夠操縱簡單的生物電，甚至可以用微弱的電流刺激動物的大腦，觀察大腦被刺激后怎樣讓四肢發(fā)生運動。
除了生物電的革命性發(fā)現(xiàn)外，許多腦科學(xué)教科書與科普書還會提及19世紀的顱相學(xué)研究。顱相學(xué)的說法現(xiàn)在看上去十分荒誕不經(jīng)，其主要觀點是，既然大腦是控制行為甚至性格和智力的重要器官，那大腦的結(jié)構(gòu)必定會被包裹大腦的頭骨所反映，因此如果想知道一個人的性格乃至智力，摸摸腦袋或許就能判斷了。
這個啟蒙時代的奇談怪論從未成為學(xué)界的主流，但我此處希望談一談的是這個學(xué)說中涉及的另一個問題：性格與智力是先天決定的還是后天決定的？
據(jù)說拿破侖對顱相學(xué)嗤之以鼻，是因為他自己的經(jīng)歷：一個人的性格和智力難道不都是后天努力學(xué)習(xí)與奮斗形成的嗎？拿破侖自己出生于一個破落貴族之家，從一名炮兵軍官奮斗至法蘭西皇帝，這難道不是后天努力的結(jié)果嗎？怎么可能通過摸摸一個人的頭骨就判定出他的人生走向呢？可以想象，在努力改造社會成為社會主流的19世紀后半葉，顱相學(xué)很快就被掃進了歷史的故紙堆。
其實從科學(xué)的角度看，顱相學(xué)也并非一無是處。大腦的某種功能由特別的區(qū)域來控制，這一觀點后來被發(fā)現(xiàn)其實是能找到證據(jù)支持的。1865年，通過對一系列語言障礙病人的研究，法國醫(yī)生保羅·布羅卡發(fā)現(xiàn)，一旦大腦左額葉的一個區(qū)域受損，人的語言功能就會被嚴重破壞。這個區(qū)域后來被以布羅卡的名字命名，稱為布羅卡區(qū)（Broca’s area），并被證明是大腦中分管語言的區(qū)域。
在啟蒙時代的兩三百年時間里，科學(xué)家建立起了包括生物電、功能分區(qū)等在內(nèi)的一系列關(guān)于大腦的基本知識框架。而大腦研究真正成為科學(xué)的一個分支要等到19世紀末了，至此腦科學(xué)研究也進入了近現(xiàn)代的階段。
某個學(xué)科成為真正的科學(xué)分支的標志，是這個學(xué)科擁有了一系列可以被廣泛使用并推廣的研究手段，這樣一個科學(xué)家的發(fā)現(xiàn)就很容易被其他科學(xué)家重復(fù)驗證并推進。當然，研究技術(shù)的成熟只是一個必要條件，科學(xué)的真正進步常常是我們所說的“范式革命”。在其著作《科學(xué)革命的結(jié)構(gòu)》中，科學(xué)家、哲學(xué)家托馬斯·庫恩闡述了范式革命的過程。用通俗的話說，就是看待問題的角度改變了。再通俗一點就是，真正革命性的科學(xué)發(fā)現(xiàn)不可以被舊的范式“預(yù)測”出來。比如，從牛頓的經(jīng)典物理學(xué)無法預(yù)測出愛因斯坦的相對論，從愛因斯坦的相對論也無法推測出量子物理學(xué)理論。讓我們來看看腦科學(xué)的范式革命是如何發(fā)生的。
現(xiàn)代腦科學(xué)第一個革命性的發(fā)現(xiàn)，是20世紀初西班牙神經(jīng)解剖學(xué)家圣地亞哥·拉蒙·卡哈爾提出的神經(jīng)元學(xué)說。大腦的結(jié)構(gòu)究竟是怎么樣的？雖然細胞學(xué)說已經(jīng)被廣為接受，但大腦中是否也有細胞？發(fā)明了一種神奇染色方法的意大利科學(xué)家卡米洛·高爾基在對大腦做了一番染色后指出，大腦里沒有單個的細胞，而是無數(shù)細胞連接起來的群體。但卡哈爾用這種以高爾基的名字命名的“高爾基染色法”對動物大腦染色后卻驚奇地發(fā)現(xiàn)，大腦里的每一個細胞都是獨立存在的。對無數(shù)生物的大腦做了難以計數(shù)的染色后，他系統(tǒng)性的闡釋了大腦內(nèi)的細胞不僅獨立存在，相互之間的連接樞紐還是一個非常特化的結(jié)構(gòu)，也就是后來被發(fā)現(xiàn)的突觸（synapse）。
西班牙神經(jīng)解剖學(xué)先驅(qū)圣地亞哥·拉蒙·卡哈爾（1852-1934），1906年獲諾貝爾獎。
謝天謝地，全世界的科學(xué)家沒有被高爾基誤導(dǎo)，卡哈爾的神經(jīng)元學(xué)說讓腦科學(xué)的研究真正進入了快車道。盡管從細胞學(xué)說出發(fā)，好像也能“推測”出大腦中應(yīng)該有細胞，但由于糾正了大腦里的細胞是連通的這一錯誤學(xué)說，并繪制出令今人仍然嘆為觀止的大腦細胞染色圖，卡哈爾一直被現(xiàn)代腦科學(xué)工作者奉為祖師爺。
大腦的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)差不多搞明白了，那這如夢似幻的“精氣”——生物電究竟是如何在大腦細胞（神經(jīng)元）中產(chǎn)生并傳輸信號的呢？至今難忘當我在學(xué)生時代讀到神經(jīng)生物學(xué)教科書的這一部分，也就是著名的霍奇金–赫胥黎傳導(dǎo)模型（Hodgkin-Huxley model）時，那種震撼的感覺。
盡管自第二次工業(yè)革命起人類就已經(jīng)可以成功生產(chǎn)并使用電能，但一直到20世紀中葉，科學(xué)家對神經(jīng)元之間的電傳導(dǎo)規(guī)律仍然一無所知。主要的原因可能是，生物電本身就非常微弱，必須用精密的儀器才能夠檢測。研究對象的選擇也很重要，哺乳類動物的大腦被包裹在堅硬的頭骨內(nèi)，如果要對神經(jīng)元進行電記錄，必須先通過腦外科手術(shù)去除頭骨，在這之后纖細的電極還需要充分接觸到很細的神經(jīng)纖維。20世紀上半葉的技術(shù)還很難完成后者這樣的操作。那怎么辦呢？
兩位英國的科學(xué)家艾倫·霍奇金和安德魯·赫胥黎巧妙地使用一種烏賊發(fā)現(xiàn)了電傳導(dǎo)的規(guī)律。他們選擇槍烏賊的巨軸突系統(tǒng)作為研究對象，這樣電極可以輕松地接觸到神經(jīng)纖維進行記錄。在對槍烏賊細胞的放電情況進行仔細測量后，霍奇金和赫胥黎發(fā)現(xiàn)細胞放電的規(guī)律可以用一個簡潔優(yōu)美的方程式來解釋，這就是著名的霍奇金–赫胥黎方程。這個方程式解釋了神經(jīng)元放電的基本規(guī)律。這個真正革命性的發(fā)現(xiàn)揭示了神經(jīng)元放電的原理，基本上就是鈉、鉀離子的跨膜流動。這個發(fā)現(xiàn)同時也表明，生物學(xué)過程的底層規(guī)律仍然是物理學(xué)原理。自這個發(fā)現(xiàn)起，神經(jīng)生理學(xué)作為一門新興的學(xué)科，正式走進了科學(xué)的殿堂。
除了以上內(nèi)容外，20世紀一系列有關(guān)腦的重大發(fā)現(xiàn)——如查爾斯·謝靈頓提出的突觸概念、大腦中的神經(jīng)化學(xué)概念等——《大腦傳》都一一做了精彩的描述。大腦中細胞間通過化學(xué)物質(zhì)（也就是所謂的神經(jīng)遞質(zhì)）來傳導(dǎo)信息的發(fā)現(xiàn)，開辟了一個新的領(lǐng)域——神經(jīng)化學(xué)。其中最為人所知的是有關(guān)成癮的一系列神經(jīng)化學(xué)發(fā)現(xiàn)，比如對多巴胺、阿片受體等的研究。但隨著腦科學(xué)研究的深入，科學(xué)家逐漸認識到，大腦中的化學(xué)物質(zhì)只是細胞間通訊的媒介，更重要的是細胞之間的通訊網(wǎng)絡(luò)是如何工作的，這些都屬于當代腦科學(xué)研究中的神經(jīng)環(huán)路研究。
在20世紀的腦科學(xué)研究中，還有一個非常重要的分支，《大腦傳》中的描寫也很有趣，那就是試圖運用機器來模擬并接近人類的智能。這個領(lǐng)域的先驅(qū)的思考推動了電子計算機的誕生?？茖W(xué)家一直希望用計算機來模擬大腦的工作過程，然而模擬腦的一系列努力在半個多世紀的時間里一直雷聲大雨點小，進展緩慢。一直到21世紀發(fā)端，機器學(xué)習(xí)算法的橫空出世，以及不斷增長的計算機算力在某些領(lǐng)域開始與人類的智能相匹敵，人工智能時代終于到來了。
患者操縱機械手臂
在了解了大腦的基本結(jié)構(gòu)、細胞組成、電活動的工作原理并擁有不斷增強的計算機算力后，接下來要做的就是展開探索大腦最重要奧秘的攻堅戰(zhàn)了。當代腦科學(xué)研究（21世紀）的很大一部分，就在致力于探索這些問題。
即使你不是專業(yè)人士，如果問你腦研究領(lǐng)域最重要的研究有哪些，估計你也能答個八九不離十：記憶是怎么形成并存儲的？情感是怎么產(chǎn)生的？意識是怎么讓我們與眾不同的？等等。
確實，大腦研究皇冠上最耀眼的明珠就是這些高級認知功能的原理。坦白地說，對于這些問題，我們目前還沒有令所有人滿意的答案。我們都在期待真正“革命性”發(fā)現(xiàn)的到來。
《大腦傳》的第三部分觸及到了一部分這些內(nèi)容，但可能因為這方面的進展太過迅猛，我個人認為書對這部分的描述略有缺憾，我在此處略做補充。
真正第一次揭示認知功能原理的革命性腦科學(xué)研究，我認為是西摩·本澤（Seymour Benzer）在20世紀后半葉開展的果蠅遺傳學(xué)實驗。他在果蠅這種易于繁殖與觀察的實驗動物中誘導(dǎo)隨機的基因突變，再觀察果蠅的哪些行為被基因突變所改變，進而一下子追溯到了行為的最底層——基因的層面。使用這種方法，本澤找到了控制生物節(jié)律的基因以及學(xué)習(xí)記憶的基因。我認為這些研究是真正革命性的，盡管距現(xiàn)在已經(jīng)有超過半個世紀的時間，但仍然可以被稱為當代的腦科學(xué)研究成果，因為迄今許多研究仍然沒有走出本澤的研究范式。
但要研究清楚某一個基因具體是如何影響某種復(fù)雜行為的，基因和行為之間顯然還有巨大的鴻溝和空白。在試圖填補這些空白的當代腦科學(xué)研究中，最熱門的領(lǐng)域之一就是研究大腦的某個腦區(qū)或者神經(jīng)元之間的連接會怎樣影響某種特定的行為（例如學(xué)習(xí)與記憶、成癮、恐懼、開心與愉悅）。雖然研究進行得熱火朝天，但這個領(lǐng)域里不斷涌現(xiàn)的最新發(fā)現(xiàn)并沒有帶來“范式革命”級的突破?？茖W(xué)家們打趣地說，現(xiàn)在的研究基本上都有“套路”，無非是腦區(qū)甲的細胞A與腦區(qū)乙的細胞B形成連接，一起調(diào)節(jié)了行為C，如此種種。汗牛充棟的研究絕大部分都可以被這樣“預(yù)測”出來，那么真正“革命性”的發(fā)現(xiàn)在哪兒呢？
其實科學(xué)家們自己也很清楚，目前對于單個腦區(qū)的研究非常有局限性。我們在進行某個復(fù)雜行為的時候，大腦中不可能只有一個腦區(qū)的某些細胞在放電，一定是許多腦區(qū)中的許多細胞在配合默契地放電。因此，只盯著一個地方研究，只會是管中窺豹。面對這樣的問題，腦科學(xué)研究領(lǐng)域已經(jīng)發(fā)展出了一系列最新的技術(shù)，其中一種叫作神經(jīng)像素（neuropixel），這是一種用無數(shù)的纖細電極同時對小鼠大腦的多個腦區(qū)進行電記錄的神奇方法。有了這種方法，我們也許就可以對產(chǎn)生復(fù)雜行為的大腦電活動情況有更全面的認識。
當然，最大的問題可能還不是實驗方法的革命。目前絕大多數(shù)腦科學(xué)研究都依賴于某種實驗動物，最常用的哺乳類動物是實驗小鼠?？茖W(xué)家能夠用遺傳學(xué)手段對小鼠的基因進行定點剔除和標記，甚至可以準確地跟蹤某一類神經(jīng)元。但我們始終不能忘記，早在7 500萬年前，嚙齒類動物在進化樹上就已經(jīng)與人類的祖先分道揚鑣了。我們很難在小鼠身上再現(xiàn)人類的復(fù)雜情感與高等的認知行為（比如意識）。
不僅如此，在小鼠中也很難建立人類腦疾病的模型。當在小鼠大腦中嘗試誘導(dǎo)人類的腦疾病時，很多情況下都不會產(chǎn)生與人類病患類似的病理癥狀。那么我們在小鼠研究中得到的腦科學(xué)知識，能夠真正反映人腦中發(fā)生的情況嗎？可能還不夠。因此腦科學(xué)研究還需要人類的近親——非人靈長類的參與。要想真正揭開人腦的奧秘，科學(xué)家需要將不斷涌現(xiàn)的新技術(shù)應(yīng)用到超越嚙齒類的動物模型上。
未來腦科學(xué)的挑戰(zhàn)：結(jié)構(gòu)和功能
當我們回顧腦研究數(shù)千年的發(fā)展史時，首先感嘆的是科學(xué)的發(fā)展非常依賴于研究技術(shù)的進步。如果沒有生物電的研究和顯微技術(shù)的發(fā)明和優(yōu)化，人類對大腦的認識或許只能停留在蒙昧?xí)r代。
腦研究的發(fā)展史還讓我們看到，與其他生命科學(xué)領(lǐng)域相比，腦科學(xué)領(lǐng)域具有很有趣的特點。這些獨特性決定了科學(xué)家在接下來的一百年里將面臨的主要挑戰(zhàn)。
一個挑戰(zhàn)是剖析大腦的結(jié)構(gòu)。相比于循環(huán)系統(tǒng)的心臟、消化系統(tǒng)的腸胃等器官，神經(jīng)系統(tǒng)的大腦的結(jié)構(gòu)顯然是最復(fù)雜的。深入到分子和細胞水平去剖析如此復(fù)雜的構(gòu)造，是科學(xué)家尚未解決，在未來的一個世紀中將會面臨的最大挑戰(zhàn)。
面對這個挑戰(zhàn)，科學(xué)家們先后提出了幾種解決方案，比如其實已經(jīng)失敗的第一代大腦連接組計劃?？茖W(xué)家們在十多年前提出了這個計劃，希望用電子顯微鏡來重構(gòu)大腦，結(jié)果用了超過5年的時間才將小鼠大腦中一塊體積為0.013立方毫米的區(qū)域搞明白。這顯然是一個不可能完成的任務(wù)。
腦中神經(jīng)元之間的連接就像一座大城市里的千千萬萬條大街小巷，因此研究神經(jīng)元間連接的工程非常浩大，很了不起。但這仍然不夠。要弄清大腦的結(jié)構(gòu)，還需要搞明白不同細胞的性質(zhì)和連接的關(guān)系。因此，剖析大腦結(jié)構(gòu)的這整個工程就像是需要搞清楚這座大城市的每幢建筑物里有多少住戶，每個住戶會跟哪些住戶經(jīng)常交往，以及每幢建筑物是做什么用途的等一系列問題一樣。如果將小鼠的大腦和人類社會的大城市做一個類比，你就能體會到認識大腦——哪怕是小鼠的大腦——的難度究竟有多大了。大城市上海有2 600萬人口，而小鼠大腦中的神經(jīng)元多達7 000萬個！目前最全面的小鼠神經(jīng)元連接圖譜也僅僅重建了不到2 000個小鼠神經(jīng)元的連接。這就相當于一群科學(xué)家去一個陌生的大城市探險，在經(jīng)過數(shù)年努力后只搞明白了一兩幢建筑物里的住戶情況。
面對這類似愚公移山的任務(wù)，科學(xué)家們接下來該怎么辦？繼續(xù)一幢建筑物接著一幢地勘察？還是先想出一個更聰明的工作計劃？在這里，我顯然沒法給出一個明確的方案。在我們身處的21世紀，人工智能、量子計算，或者其他什么先進的研究技術(shù)可以助力腦科學(xué)研究，攻克大腦的奧秘？目前還沒有人能給出一個滿意的答案。
腦研究面臨的另一個挑戰(zhàn)是解析大腦的工作原理。大腦的結(jié)構(gòu)雖然極其復(fù)雜，但剖析腦的結(jié)構(gòu)畢竟還只是一個工程問題，哪怕可能要花上人類幾百年的時間，至少看上去還是能實現(xiàn)的?？茖W(xué)家們面臨的真正嚴峻考驗，是搞清楚大腦的工作原理具體是怎么樣的。比如，前文中提到過的那些重要問題：記憶是如何產(chǎn)生并存儲的？人類的意識與其他動物有何不同，讓人類具有人之為人的獨特性？此外，人類的復(fù)雜行為甚至精神狀態(tài)是如何被控制的？更別說目前讓醫(yī)生和科學(xué)家都束手無策的眾多腦疾病——阿爾茨海默病、精神分裂癥、自閉癥等等——的具體機制了。
我相信真正革命性的腦科學(xué)發(fā)現(xiàn)必然需要研究數(shù)據(jù)的大量積累。從牛頓物理學(xué)到愛因斯坦的相對論歷經(jīng)了兩百多年的積累，腦科學(xué)作為自然科學(xué)里最年輕的分支之一，在下一個革命性發(fā)現(xiàn)到來之前，必然需要在從基因到細胞，再到神經(jīng)元間的連接等不同層面上建立起扎實的知識積累。
通過腦科學(xué)當下一個非常熱門的應(yīng)用領(lǐng)域——腦機接口，我們已經(jīng)能夠看到解析大腦控制運動的細胞機理，結(jié)合最新的電子技術(shù)與材料科學(xué)，有可能怎樣拓展大腦的疆界，從而讓癱瘓的病人支配肢體重新站起來，甚至可能讀取大腦的奧秘，實現(xiàn)科幻電影中上傳意識與記憶的場景。
大腦讓人類成為萬物之靈，而人類對大腦的深層次認識才剛剛開始。在科幻小說《三體》中，當人類面對更高級文明的威脅時，他們選擇了將一個人類的大腦作為使節(jié)送給三體人，而恰恰是這個人類大腦窺探到了三體人文明的秘密。當我讀到書中的這一段時，不禁為大腦的神奇感到震撼。
數(shù)千年來，大腦這個“已知宇宙中最復(fù)雜的物體”吸引了人類歷史上最聰穎的頭腦去破解它的奧秘?！洞竽X傳》詳實地記錄了這些曲折的探索歷程。相信一百年后的《大腦傳》必將記錄當今的無數(shù)科學(xué)家是怎樣不畏艱險，探索大腦的奧秘的。向著未來，讓我們出發(fā)！
（本文為中國科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心高級研究員仇子龍為《大腦傳》撰寫的序言，經(jīng)中信出版社授權(quán)發(fā)表。）
