汪云九

中國科學(xué)院生物物理研究所腦與認知科學(xué)國家重點實驗室，北京 100101

意識的科學(xué)研究：歷史簡單回顧、現(xiàn)狀和某些進展﹡

汪云九

中國科學(xué)院生物物理研究所腦與認知科學(xué)國家重點實驗室，北京 100101

自古以來人們就對靈魂問題感興趣，但是對于靈魂問題的探索經(jīng)歷了漫長的歷史過程。從古希臘哲學(xué)家的思辨式討論，到19世紀(jì)心理學(xué)中的內(nèi)省式研究，一直到20世紀(jì)末的多學(xué)科多層次探求，靈魂問題才真正進入現(xiàn)代科學(xué)的研究范疇之內(nèi)?，F(xiàn)在意識問題在國際上形成一個前所未有的高潮。舉出兩個事例來說明意識問題的科學(xué)研究進展：靈魂出竅和視覺圖象識別。

靈魂(意識)問題；靈魂出竅；祖母細胞

1 意識研究的簡單回顧

人有靈魂嗎？靈魂居住在人體的什么地方？人死后魂歸何處？……這些問題一直在困擾著人們，但遺憾的是，至今未有人給出一個滿意的正確的答案。

著名心理學(xué)家榮格(Carl G. Jung，1875—1961)調(diào)查了許多非洲的原始部落，這些部落還未被現(xiàn)代文明侵襲過，而且他們之間沒有任何通信聯(lián)系，發(fā)現(xiàn)這些部落幾乎都相信人有靈魂。雖然各部落的崇拜儀式有所不同，卻都認為，世間有神靈。榮格把這種情況，稱之為“集體無意識”。從而推斷人類的祖先，自古以來就相信人是有靈魂的?？脊艑W(xué)也證實，人類祖先遠在沒有文字記載以前，就相信人有靈魂。因此可以說，宗教和神學(xué)是最早關(guān)心和對待人的靈魂問題。人們對于靈魂問題的議論和關(guān)切程度，遠早于現(xiàn)代自然科學(xué)中的任何一門學(xué)科。

意識和人體(包括人腦)的關(guān)系問題(brainmind problem)始終是哲學(xué)研究的重要課題。此處，brain代表包括人腦在內(nèi)的人體的物質(zhì)實體，mind代表情感、意識、智能等精神現(xiàn)象，中文把它譯為“心腦問題”。此處的“心”不是解剖學(xué)上的心臟，而是泛指所有精神現(xiàn)象的總稱，所以，僅把mind譯為“認知”或“智能”是太過于狹隘了。文獻中常把mind與意識(consciousness)、靈魂(soul)等混用。對于精神與物質(zhì)之間關(guān)系的不同，哲學(xué)上分成二元論和一元論。簡單地說，二元論認為精神和物質(zhì)是兩碼事，精神獨立于身體(包括人腦)，研究人腦無助于解決精神問題。一元論者持相反論點，認為人體(包括人腦)產(chǎn)生意識和精神，研究人腦可以最終解決精神問題。這兩派之間的爭論，自有哲學(xué)以來就存在， 直至今日仍在繼續(xù)。

古希臘時代，亞里士多德(公元前384年—公元前322年)對心腦問題有過相當(dāng)深入的思考，并發(fā)表巨著《靈魂論及其他》一書。全書包括感覺與感覺客體(7章)、記憶和回憶(2章)、睡與醒(2章)、說夢(2章)和占夢(2章)?！鹅`魂論及其他》譯成中文達453頁之多，試想當(dāng)時還處于羊皮紙和莎草紙時代，所以在當(dāng)時該書可以說是宏篇巨著了。另一位古希臘學(xué)者希波克拉底(Hippocretes，公元前460年—公元前370年)最早認為“人類應(yīng)當(dāng)懂得，我們的喜、怒、哀、樂，不是來自別處，而是來自大腦”。他明白無誤地宣稱，情緒、精神來自大腦。希波克拉底可能是最早的一元論者。

中世紀(jì)數(shù)理科學(xué)家笛卡爾觀察到人腦由左右兩半球組成，而靈魂只有一個，因此不可能在大腦半球上產(chǎn)生；松果體僅有一個，卻深藏于大腦深處，因此他推斷松果體產(chǎn)生靈魂，由它控制支配大腦，并最后指揮整個軀體。哲學(xué)家雖然把意識作為重要的研究對象，數(shù)千年來發(fā)表和出版了無數(shù)的理論和觀點，二元論和一元論之間爭論不休，但是使用的研究方法都是思辨式的，從語言的描述到理論的闡述，沒有試驗結(jié)果和數(shù)據(jù)，所以只能各執(zhí)一詞爭論不休，派系林立，取得的實質(zhì)性進度不多。

19世紀(jì)心理學(xué)從哲學(xué)中分離出來，成為一門獨立的學(xué)科，自然地把意識問題作為它的主要研究對象。現(xiàn)代心理學(xué)的創(chuàng)始人Wilhelm Wundt認為，心理學(xué)就是研究意識的科學(xué)。由于缺乏合適的儀器技術(shù)，心理學(xué)中研究意識的方法是“內(nèi)省法”，即受試者說出當(dāng)時的主觀感受，記錄下來加以分析和做出判斷。這種方法類似于“黑箱理論”(black box)，根據(jù)輸入剌激和輸出反應(yīng)，得出規(guī)律，對于其中實際過程是不得而知的。當(dāng)然這種研究方法比哲學(xué)中的思辨方法略為進步一些。20世紀(jì)20年代John B. Watson在心理學(xué)中倡導(dǎo)行為主義理論，他認為：“人從來沒有看見過意識，摸過它，嗅過它，嘗過它，動過它，……對于行為主義來說，意識與靈魂基本上是同一概念?！睆亩岩庾R問題排擠出心理學(xué)，一時間行為主義成為心理學(xué)的主流，無人再敢問津意識問題，這一趨勢統(tǒng)治美國心理學(xué)達半個世紀(jì)之久。

20世紀(jì)中葉，由于控制論、信息論的理論影響，電子計算機和人工智能迅速發(fā)展，涌現(xiàn)出一批所謂認知科學(xué)家，他們具備良好的數(shù)理基礎(chǔ)，受過心理學(xué)和生理學(xué)的訓(xùn)練，又會編程和使用計算機，在研究人的智力行為方面取得顯著的成績。數(shù)學(xué)中證明數(shù)學(xué)定理的計算機程序被編制出來，電子計算機與人對弈可以戰(zhàn)勝世界冠軍。一系列的智力行為的規(guī)律被研究出來，用計算機實現(xiàn)。于是，人工智能創(chuàng)始人Minsky當(dāng)時斷言，20年內(nèi)可以造出模擬人腦的電腦。一時間人工智能專家和認知科學(xué)家歡欣若狂，認為人腦的一切功能將要被計算機復(fù)制和取代。但是1989年英國物理學(xué)家 Penrose發(fā)表《皇帝新腦》一書，對人工智能和認知科學(xué)提出質(zhì)疑，認為計算機在人的邏輯思維方面可以模擬再現(xiàn)，但是在日常經(jīng)驗和常識方面卻無能為力，更何況人的感情、意識等方面的問題，完全摸不著頭腦，于是，意識問題又重回科學(xué)家的研究領(lǐng)域中來了。

2 研究意識的現(xiàn)狀

在談到意識的科學(xué)研究時，不能不涉及它的物質(zhì)基礎(chǔ)——腦科學(xué)的發(fā)展。腦(神經(jīng))科學(xué)在20世紀(jì)從生理學(xué)內(nèi)一個不起眼的小分支，發(fā)展成為一個壯大的學(xué)科，以致英國的《自然》雜志專門設(shè)立一個分冊來報道這一方面的發(fā)展。回想100年前，人們對于人體中最神秘的器官(腦)的理解還是十分粗淺，只知道腦看起來像一團均勻的蛋白凍狀的漿糊。1873年意大利組織學(xué)家Camillo Golgi(高爾基)發(fā)明了一種新的細胞染色法，叫做銀染色法。用這種方法可以把神經(jīng)組織中少數(shù)神經(jīng)細胞著色，并呈現(xiàn)神經(jīng)細胞的細節(jié)。西班牙組織學(xué)家Romany Cajal(拉蒙-卡哈爾)運用Golgi發(fā)明的銀染色法，并加以改進，對神經(jīng)系統(tǒng)進行了大量研究，創(chuàng)立神經(jīng)系統(tǒng)的神經(jīng)元理論。該理論認為神經(jīng)系統(tǒng)并非連續(xù)一片，而是由一個個的細胞組成的，其基本結(jié)構(gòu)和功能單元是神經(jīng)細胞，也稱神經(jīng)元。1906年Golgi和Cajal兩人分享諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎。

由于電測量儀器的使用，發(fā)現(xiàn)神經(jīng)細胞有活動，神經(jīng)信號在神經(jīng)軸突上傳播。Hodgkin和Huxley由于弄清了神經(jīng)信號的傳播規(guī)律而獲1963年的諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎。同時獲獎的還有John Careu Eccles，他的貢獻在于證明神經(jīng)脈沖到了突觸(一個神經(jīng)細胞與另一個神經(jīng)細胞之間的接頭部分)后，分泌神經(jīng)遞質(zhì)，影響下一個神經(jīng)細胞的興奮性。同樣也是使用生理技術(shù)，Hubel和Wiesel因在感受野方面的貢獻，獲1981年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎。這一系列驕人的成績，全仗于物理技術(shù)手段——電生理技術(shù)的應(yīng)用。

因此，到了20世紀(jì)末，神經(jīng)科學(xué)和腦科學(xué)的突飛猛進為意識問題的自然科學(xué)研究提供了豐富的物質(zhì)基礎(chǔ)。

在意識的科學(xué)研究歷程中，1994年是一個關(guān)鍵的轉(zhuǎn)折年。當(dāng)年有兩件大事作者認為值得載入史冊：一是關(guān)于意識研究的多專業(yè)國際會議開始舉辦；二是Crick著述的《驚人的假說》出版。

1994年第一次“走向意識科學(xué)(Toward a Science of Consciousness，TSC)”會議在美國Tucson市召開，這是第一次國際性的會議。會議開得熱鬧非凡，各種專家蒞臨大會，各抒己見，爭論不休。而后規(guī)定每年召開一次會議，雙數(shù)年在Tucson開，單數(shù)年在其他國家召開。至今已20年，一次不落。

1998年美國亞利桑那州的亞利桑那大學(xué)(University of Arizona)成立了一個意識研究中心(Center for Consciousness Study，CCS)，該中心主任兼奠基者是Stuart Hameroff教授，合作奠基者為David Chalmers(紐約大學(xué)哲學(xué)系主任)。該中心成立的目的是聯(lián)合哲學(xué)家、認知科學(xué)家、神經(jīng)科學(xué)家、社會學(xué)家、醫(yī)生、物理學(xué)家、藝術(shù)家和人類學(xué)家，共同研究人的意識問題。

1997年國際性學(xué)術(shù)聯(lián)合會——意識的科學(xué)研究學(xué)術(shù)協(xié)會(Association for the Scientific Study of Consciousness，ASSC)成立并召開一次國際會議，此后每年召開一次會議，每次有一個主題。例如：ASSC-2主題是“意識的神經(jīng)相關(guān)物”，ASSC-3主題是“意識與自我”等 。ASSC至今已召開了18次，遺憾的是，這一系列會議都沒有在中國大陸召開過。

1994年，諾貝爾獎獲得者F. Crick發(fā)表《驚人的假說》一書。他在這本書的前言中，第一句話就說：“本書試圖用科學(xué)的方法來解釋意識的奧秘。”此話表明，他想把意識問題從神學(xué)家的崇拜、哲學(xué)家的清談、心理學(xué)家的內(nèi)省中解脫出來，放到現(xiàn)代科學(xué)家的實驗室中，通過顯微鏡觀察、手術(shù)刀解剖、物理儀器檢測，把千萬年的世界之謎——意識問題用現(xiàn)代科學(xué)的研究方法和觀點來研究。這一觀點與1997年成立的ASSC學(xué)會的宗旨是一致的，與1998年亞利桑那大學(xué)成立的意識研究中心的目標(biāo)也是相同的。他在該書第一章中的第一句話：“驚人的假說是說，‘你’，你的喜悅、悲傷、記憶和抱負，你的本體感覺和自由意志，實際上都只不過是一大群神經(jīng)細胞及其相關(guān)分子的集體行為?！边@句名言被許多期刊雜志和書籍所引用。他在這句話中表述了意識問題是神經(jīng)系統(tǒng)(腦)的產(chǎn)物，旗幟鮮明地表達了他的一元論觀點。因此可以說，《驚人的假設(shè)》一書是對意識問題進行科學(xué)研究的旗幟和進軍號。20世紀(jì)末意識問題成為自然科學(xué)和人文科學(xué)多個學(xué)科研究的焦點，其中有多位諾貝爾獎獲得者，如Eccles(發(fā)表7本著作)、Edelman (發(fā)表4本著作)、Sperry、Crick等，以及國際著名學(xué)者Pernose、Minsky等。他們原先各自在所從事的領(lǐng)域做出過杰出貢獻，后來關(guān)注意識問題，著書立說。Edelman是因為免疫學(xué)方面的研究而獲獎的；Pernose是著名的數(shù)理科學(xué)家，他的《皇帝新腦》一書，在學(xué)術(shù)界有很大影響；Minsky是人工智能的創(chuàng)始人。他們或發(fā)表演講，或出版書籍，對意識問題的科學(xué)研究發(fā)表看法。在這些名人中，尤以F. Crick更值得一提。他是因為DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)與Watson一起榮獲諾貝爾獎的，他們的貢獻被譽為20世紀(jì)三大基礎(chǔ)理論之一(其他兩項為相對論和量子力學(xué))。他獲獎以后認為，生物學(xué)中的遺傳、繁殖復(fù)制和變異問題，基本上可以用他們的DNA模型解釋，而意識問題是生物進化的最高階段——人類的頭腦的產(chǎn)物，為此，他要做充分的知識準(zhǔn)備。他花了30年時間，惡補了神經(jīng)科學(xué)、腦科學(xué)、解剖學(xué)、生物化學(xué)等方面的知識，到1994年才出版他關(guān)于意識方面的書籍。此時離他獲諾貝爾獎的1962年已有30多年時間，期間他沒有令人矚目的工作發(fā)表，一直在坐冷板凳，醞釀孕育這本巨著的發(fā)表出版。

20世紀(jì)末到21世紀(jì)初，在意識問題的科學(xué)研究方面，出現(xiàn)一片繁榮景象。從各個不同層次、不同角度進行探索，使用的技術(shù)手段也是前所未有的，提出的模型理論形形色色。有從細胞內(nèi)的微觀結(jié)構(gòu)來考慮意識現(xiàn)象的，也有從整體和社會角度研究的；有從單個神經(jīng)細胞的活動來研究的，也有從神經(jīng)集團的活動來考慮的；……。 一年兩次的國際會議足夠供他們交流和討論。美國政府在20世紀(jì)90年代實施一個“腦的十年”計劃，這個由美國眾參兩院通過的科研法案，支持對腦科學(xué)進行研究。2013年美政府又通過一個BRAIN(Brain Research through Advancing Innovative Neurotechnologies)計劃，每年投資1億多美元，為期10年，開發(fā)試驗對腦進行深入研究的技術(shù)。差不多同時，歐盟也每年投資1億歐元，實施腦研究計劃(Human Brain Project，HBP)。這些政府資助的大型研究計劃，表明社會和民眾對于腦研究的重視和關(guān)注，客觀上大大推動了意識問題的科學(xué)研究。

美國最著名的科普雜志《Scientific American》也有《Mind》分冊，專門刊登神經(jīng)科學(xué)和意識方面的研究成果。如果你上網(wǎng)查找consciousness一詞，就會跳出數(shù)萬條條目；到Amazon查找“意識”方面的書籍，起碼有上百本專著和科普書籍，其中不少已譯成中文，如Crick的《Astonishing Hypothesis》、Edelman的《A Universe of Consciousness》、松本修文的《心靈之謎面面觀》、Koch的《The Quest for Consciousness》等等，已有10多本。由于篇幅所限，本文參考文獻中僅列出中國作者撰寫的著作和諾貝爾獎獲得者的譯作[1-6]。

3 意識的科學(xué)研究的某些進展

在20世紀(jì)末開始的意識研究中，科學(xué)家從不同層次、不同角度對意識現(xiàn)象和病理現(xiàn)象進行研究，取得許多有意義的結(jié)果。本文僅從浩若煙海的研究報告中，選取兩項作者認為有意義且有重大進展的成果介紹給讀者。

3.1 靈魂出竅(out-of-body experience)

“靈魂出竅”一詞常出現(xiàn)在民間傳說之中，嚴(yán)肅的科學(xué)家好像避免談這一論題。進入21世紀(jì)以后，英國的《自然》、美國的《科學(xué)》等國際頂尖科學(xué)刊物陸續(xù)登出一些科學(xué)家進行的實驗工作，表明正常人在一定實驗條件下會出現(xiàn)靈魂出竅的現(xiàn)象，并尋找出大腦主管靈魂的解剖組織的部位。《科學(xué)》雜志在2007年8月24日這一期上，刊出兩篇心理學(xué)論文，描述靈魂出竅的實驗。Miller G.為此在《本周新聞欄》上寫了一篇短評——《靈魂出竅經(jīng)驗進入實驗室》，簡單介紹了這兩個實驗工作。第一個工作是瑞士的Lenggenhager 和 Blanke 等四人做的[7]，他們令健康的成人頭戴特殊目鏡，目鏡中只能看到攝像機拍攝到的和經(jīng)過處理后的虛擬景物。實驗時攝像機放置在被攝物體后2 m處(圖 1)。這個實驗在三種不同條件下進行：在第一種條件下，攝像機放置在被試者身后(圖1(a))，被試者看到自己的后背——這個虛擬的身體；第二種實驗條件下，攝像機放在一個假人背后(圖 1 (b))；第三種條件下，攝像機放在一個直立的立柱后面(圖1 (c))。這三種情況下，被試者看到的分別是自己的背后、假人的后背以及一個立方體。我們權(quán)且把這三種見到的圖像稱為“化身”。實驗進行時敲打被試者身體，而讓被試者看到圖像化身時也看到同步或不同步的敲打過程，當(dāng)然，這需要用電腦稍作處理才能達到這一效果。敲打一分鐘后，關(guān)閉攝像機，被試者看不到任何影像。然后把被試者拖離原先站立的地方，脫掉眼鏡再叫他走向他原先站立的地點，有趣的情況發(fā)生了。在第三種實驗條件下(即觀看的是立柱圖像)，被試者可以毫無困難和差錯地回到原點。如果敲打身體與敲打化身的節(jié)奏不同步，不論是第一種情況(真人)還是第二種情況(假人)，被試者也能順利地沒有差錯地回到原點。但是敲打身體與敲打化身同步情況下，被試者走到原先站立點前面幾步的距離，這個距離正好在虛擬的“化身”附近。因為在這個實驗條件下，被試者看到的視覺圖像與他身體感到的觸覺(敲打)信息聯(lián)系到一起，自我感覺融入到化身中去，也就是他的靈魂從自己的肉體中出來進入到了“化身”中去了。

另一個心理實驗是瑞典科學(xué)家Ehrsson做的[8]。實驗條件類似于上文介紹的那個情況，也是頭戴特殊目鏡，目鏡中只能看到攝像機送來的景物，攝像機放置在被試者身后，被試者仿佛在自己的身后。實驗時拍打被試者的胸部，同時讓攝像機也能拍攝到手的拍打動作。拍打幾次以后，被試者感到自己仿佛進入到目鏡前面的虛擬人體中去了。這是被試者的主觀感覺，有沒有客觀指示來測定這種變化呢？Ehrsson把電極放置到被試者的手指頭上，然后用榔頭在鏡頭前虛晃一下，被試者看上去好像要打到自己身上，實際上根本沒有觸及他，因為被試者已經(jīng)把前面的人體看作自己的身體，他嚇一大跳，手指的電極測到電阻的變化，表示這種心理感覺已經(jīng)有生理學(xué)上的反應(yīng)。

圖1 正常人在清醒狀態(tài)下誘發(fā)靈魂出竅現(xiàn)象的實驗安排[7]。令被試者戴上特殊目鏡，他只能看到從攝像機送來且經(jīng)過電腦處理的圖像，在三種不同情況下進行實驗：(a)攝像機拍攝的是被試者的背影；(b)攝像機拍攝的是一個假人的背影；(c)攝像機拍攝的是一個長立柱

上面介紹的兩個實驗有許多共同點，它們都是對健康人清醒狀態(tài)下進行的實驗，使用的主要刺激是視覺并伴以觸覺刺激，讓正常視覺中止，而給予攝像機攝取的情景，同時給予身體上的觸覺刺激，使得“靈魂出竅”過程有切身體驗。而且拍打刺激與看到的節(jié)拍同步的話，會加速這種出竅過程。

Blanke等人在《自然》上發(fā)表論文，報道一位患者(43歲婦女)的頭部電刺激實驗，表明已經(jīng)找到負責(zé)“靈魂出竅”的部位，它位于大腦的右角回區(qū)(angular gyrus)。該患者受癲癇病之苦已有11年之久，磁共振成像技術(shù)看不出器質(zhì)性病變，因而找不到癲癇發(fā)作的中心，只好使用顱下植入電極以便精確定位。電極植入后可以通電刺激，患者可以口述她的感受。當(dāng)植入角回電極通電時，患者說她好像“沉到床下去了”“從高處落下來”的感覺。增加電極的電流幅度，她報告說“我好像從高處看到自己躺在床上，但只看到自己下半身的腿?！焙髞硭啻螆蟾娓〉娇罩?m高，靠近天花板。后來Blanke等人使用“透顱磁刺激”技術(shù)，發(fā)現(xiàn)大腦頂顳聯(lián)結(jié)部(temporoparietel junction，TPJ)是負責(zé)“靈魂出竅”感覺的關(guān)鍵部位[9]。

靈魂出竅現(xiàn)象在正常人身上也會發(fā)生。中國著名電影演員李誠儒在接受訪談時說，每當(dāng)他演一角色十分入戲時，他感到他自己仿佛從戲中出來，在一旁觀看自己在演戲。在一些重大手術(shù)的患者報告中，常有人提到自己的靈魂從肉體中飄出來，在高處觀看自己的受傷的肉體，或者搶救過程。在這個過程中，視覺好像仍在工作，軀體感覺和本體感覺也繼續(xù)在活動，而其他感覺似乎退居次要地位。

人去世后意識喪失，民間認為是靈魂逸去。有的人死而復(fù)生，恢復(fù)了意識，俗稱 “還魂”。這種幸運的人值得好好研究，他們經(jīng)歷了“瀕死”經(jīng)驗(near death experience，NDE)。現(xiàn)在世界上有專門研究瀕死現(xiàn)象的學(xué)術(shù)組織和出版物。這些死而復(fù)生的人，其中多數(shù)報告在臨死前并非恐懼和恐怖，而是思緒平靜，感覺像在黑暗隧道中飛向光明的遠方，有的還感到親人相逢時的幸福感。1976年唐山大地震24萬余人死亡，16萬余人受傷，其中不少人從死亡邊緣被搶救過來。天津安定醫(yī)院馮志穎和劉建勛對這些患者作了調(diào)查研究，結(jié)果發(fā)表在《大眾醫(yī)學(xué)》1993年第5期上。限于篇幅，此處不再贅述。

3.2 視覺圖像識別

眼睛是五官之首，人眼的功能之中，尤以人眼圖像識別最為復(fù)雜精巧。嬰兒出生后在沒有語言能力前，就能識別父母親和陌生人。許多野生動物，出生就會分辨敵我。這種神奇能力，至今仍未徹底搞清，雖然20世紀(jì)諾貝爾獎生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎中有五位科學(xué)家在視覺研究中獲此殊榮，但距此問題的最終解決尚有距離。

20世紀(jì)神經(jīng)科學(xué)從生理學(xué)中獨立出來成為茁壯成長的一門學(xué)科，在視覺研究方面取得最重大的成果。首先，Hartline把感受野概念引入視覺研究。所謂感受野(receptive field，RF)，就是視覺系統(tǒng)某一水平上的神經(jīng)細胞所對應(yīng)的視網(wǎng)膜區(qū)域，在這區(qū)域中給予光刺激，可以引起它的不同反應(yīng)。根據(jù)它們的不同反應(yīng)，可以分為三大類。20世紀(jì)50年代 Lettvin等發(fā)現(xiàn)在青蛙視頂蓋上的神經(jīng)細胞可以分為五大類，有的對小蟲樣的圖形有反應(yīng)，有的對巨大的陰影有反應(yīng)……?？傊?，蛙視覺系統(tǒng)中的細胞對于它生態(tài)環(huán)境中有影響的圖形更敏感。這些細胞天生就有的，處于相對高的地位，對于特殊圖形才有反應(yīng)，稱為祖母細胞。20世紀(jì)中葉Hubel 和Wiesel 在貓的視皮層上發(fā)現(xiàn)神經(jīng)細胞對于非對稱性的圖形邊緣有反應(yīng)，而且這些細胞在皮層上形成功能柱結(jié)構(gòu)。1972年Barlow把這些實驗結(jié)果總結(jié)為“神經(jīng)還原論”，認為視覺圖像功能可以由層次越來越高的神經(jīng)細胞來完成。所以，部分學(xué)界人士和民眾簡單地認為，視覺系統(tǒng)某個高層細胞對應(yīng)一個特定圖形。但是，像人臉那樣的復(fù)雜圖形，在不同光照條件下、不同視角下呈現(xiàn)完全不同的形象，那么，一個人的面孔就應(yīng)當(dāng)對應(yīng)視覺系統(tǒng)中許多許多個細胞。這樣一來引起組合爆炸，人腦承受不了如此巨大的要求，于是，神經(jīng)還原論似乎陷入危機之中。

但是到了21世紀(jì)初，一些在人腦內(nèi)用電生理實驗獲得的結(jié)果卻使得老祖母理論死灰復(fù)燃，重新引起人們的興趣。電生理學(xué)方法因有一定的破壞性，所以絕大多數(shù)實驗是在動物身上進行的，而動物難以精確表達對復(fù)雜圖像的認知程度。事情到了21世紀(jì)初出現(xiàn)轉(zhuǎn)機，美國加州理工學(xué)院Quiroga等人，有幸在清醒的人腦上直接記錄個別神經(jīng)細胞的電活動，并獲驚人的發(fā)現(xiàn)[10]。有的癲癇病人需要動手術(shù)切除發(fā)作中心，但用傳統(tǒng)方法(腦電方法、核磁共振成像方法等)有時難以準(zhǔn)確定位，在癲癇病人的腦中植入微電極可以精確定位癲癇發(fā)作中心。在這個過程中，有的患者同意做一些附帶的實驗以便對科研做出貢獻。Quiroga等人在8名患者身上研究，總共記錄了993個單元(343個單細胞和650個多細胞)的反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)其中有132個單元對特殊圖像有統(tǒng)計學(xué)上有意義的反應(yīng)，占總數(shù)的14%。這些細胞位于視覺系統(tǒng)的顳側(cè)通道的較高層次上，有的還分布在海馬區(qū)、杏仁核區(qū)、內(nèi)鼻皮層區(qū)等部位。這些細胞中每個細胞(或一小群細胞)，只對一系列圖像中的某個特殊圖像有反應(yīng)。例如，有一個女患者杏仁核部位的細胞對美國前總統(tǒng)克林頓的素描和油畫像有特殊反應(yīng)，而對其他人物或建筑物或風(fēng)景照片沒有什么反應(yīng)，而且不論克林頓穿什么服裝或擺什么姿態(tài)，或者照相角度、大小都不能改變它的反應(yīng)，甚至克林頓的英文名字出現(xiàn)在屏幕上也會引起這種特殊反應(yīng)?？梢娺@個細胞只對這個特殊“事物”有興趣，而且存儲了它最本質(zhì)的東西，超脫了一些無關(guān)因素——背景、服飾、大小等等的影響。

圖2 從一位患者的左后海馬部位記錄到只對演員J. Aniston的照片有反應(yīng)的某個神經(jīng)細胞的活動[10]。(a)該細胞對30幅照片的反應(yīng)情況，每幅照片上的數(shù)字是該照片的編號，照片下顯示該照片出現(xiàn)時這個細胞反應(yīng)的光柵記錄和組織圖；(b)橫坐標(biāo)表示照片的編號，縱坐標(biāo)表示該細胞對某照片顯示時300～600 ms內(nèi)神經(jīng)脈沖發(fā)放數(shù)

這些實驗具體進行過程如下。先在被試者顱骨上打孔插入電極。然后做預(yù)備實驗，詢問患者的興趣愛好，在一大批被試者熟悉的人物、著名建筑、動物和物品中選出實驗圖片，數(shù)量大約100張。對這些有反應(yīng)的圖片，再制作一些它的“變種”圖片，例如不同角度拍攝的建筑物，不同服飾的人物照片。在實驗階段隨機顯示這些圖片。實驗中，被試者不必用言語表達個人感受，他們的實驗結(jié)果完全基于微電極上記錄的電活動。圖2是一個典型的實驗結(jié)果。記錄部位是被試腦中的左后海馬區(qū)，這個細胞只對女演員J. Aniston的不同視角的照片敏感。圖2(a)列出這個細胞對87張試驗圖片中的30張圖片的反應(yīng)。最上面一行是顯示圖片及其編號，中間一行是光柵記錄，最下面一行是刺激后該細胞反應(yīng)的組織圖。圖2(b)是這個實驗結(jié)果的另一種表達，橫坐標(biāo)是顯示圖形編號數(shù)，縱坐標(biāo)是該圖形顯示后300～600 ms內(nèi)神經(jīng)脈沖發(fā)放數(shù)。圖中可看出，被試者左后海馬上的這個細胞對女演員J. Aniston的各姿勢和服飾的照片(編號在5左右和30左右)感興趣，而對其他人物照以及建筑物只有很少或完全沒有發(fā)放脈沖。有意思的是，該細胞對Aniston與男演員B. Pitt的合影不感興趣(圖2(a)中的第6、7、67號照片等)。在另一個被試者腦中發(fā)現(xiàn)對男演員H. Berry感興趣的細胞，而且對屏幕上出現(xiàn)“Halle Berry”字母時，也有強烈反應(yīng)，但該細胞對其他人物頭像或者建筑物或者人名都不感興趣。

這些結(jié)果表明，至少在視覺認知的高級部位和記憶部位可能用少量的神經(jīng)細胞編碼某個客觀事物。Quirogo等人認為，這些細胞對事物的整體敏感，而忽略它的具體細節(jié)，而且對于文字和語言有相同的反應(yīng)，因此可以把它們稱之為概念細胞[11]。當(dāng)初Lettvin估計一個人或物大約對應(yīng)18 000個神經(jīng)細胞，而Quirogo等用統(tǒng)計方法估計一個概念觸發(fā)100萬個神經(jīng)細胞的興奮。這個估計僅是上限，可能實際使用不到1/10，或許1%。這樣就與Lettvin的估計相差不多了。一個人能夠記住的概念通常不超過一萬個，而內(nèi)顳葉約有十億個神經(jīng)細胞，足夠用了?？梢韵胂?，一個概念在腦中以稀疏方式編碼，用比較少量的神經(jīng)細胞表達一個概念，代表一個人、事、物，而且具體某個細胞又可以參與不同概念的表達。

精神病學(xué)研究從另一側(cè)面提供了一些線索。1947年一位德國神經(jīng)學(xué)家報道，一位男性患者在遭受頭部槍擊后喪失了識別家人、朋友甚至本人面容的能力，稱之為面容失認癥(俗稱“臉盲癥”)。早期記錄在案的這種病人不過區(qū)區(qū)百人，近年來的研究發(fā)現(xiàn)，大約有2%的人患有這種病癥，而且大多數(shù)病人本人不知自己患有這種怪病，他們依靠其他信息(例如聲音、膚色、體形、個頭、發(fā)型等等)來識別對象。此病的嚴(yán)重程度也各有差別，有的只對面容識別有困難，有的卻對更簡單的物體識別也存在困難。遺傳學(xué)研究表明，有的患者具有遺傳史；病因?qū)W研究表明，兒時眼睛疾病(例如弱視、斜視、白內(nèi)障等)會造成此種疾病。心理學(xué)訓(xùn)練可以改善此種癥狀，神經(jīng)系統(tǒng)的衰老可能會加劇癥狀的嚴(yán)重性。

到現(xiàn)在為止，人類對于視覺圖像識別的原理和機制的認識，大約就到這一步，離開徹底解開這個謎團，尚有一段距離。

(2014年11月21日收稿)

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Scientific study of consciousness: Brief history, present state and some progresses

WANG Yun-jiu
State Key Laboratory of Brian and Cognitive Science, Institute of Biophysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China

It is a long history for study of brain-mind problem. Since the end of last century, a new era has been initiated to investigate consciousness by means of modern science and technology. There are many progresses in scientific study of consciousness. In this paper, two examples of consciousness progresses are represented: out-of-body experience and pattern recognition in visual system.

brain-mind problem, out-of-body experience, grandmother cell

(編輯：沈美芳)

10.3969/j.issn.0253-9608.2015.01.005

*國家自然科學(xué)基金(31271172)資助