腦研究的現(xiàn)狀及評(píng)估

人類(lèi)已經(jīng)能夠打破原子，上天攬?jiān)拢踔涟l(fā)送航天器飛出太陽(yáng)系，我們也能夠測(cè)定自己的基因序列，似乎無(wú)所不能，然而對(duì)于我們的腦是怎樣工作的，我們?cè)鯓印翱础?？我們?cè)鯓印奥?tīng)”？我們?cè)鯓印靶袆?dòng)”？我們?cè)鯓佑邢才?lè)？我們?cè)鯓印跋搿?？我們?cè)趺磿?huì)有意識(shí)？我們?cè)趺粗雷晕摇覀円呀?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(jiǎng)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?cè)谥車(chē)@個(gè)極其廣袤和復(fù)雜的世界中的地位，我們就必須要比較細(xì)致地認(rèn)識(shí)我們的腦?！?社會(huì)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(rèn)識(shí)腦的工作機(jī)制是必不可少的。盡管計(jì)算機(jī)在運(yùn)算上遠(yuǎn)超人腦，但是在其他許多方面依然遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(jī)器也成了工程技術(shù)人員夢(mèng)寐以求的夢(mèng)想。所以盡管這些問(wèn)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(diǎn)和前沿。那么對(duì)腦研究的現(xiàn)狀究竟應(yīng)該如何評(píng)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(rèn)知神經(jīng)動(dòng)力學(xué)》雜志籌辦，美國(guó)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(shí)加了下面一段話(huà)：

我們就像那些“發(fā)現(xiàn)”了美洲的地理學(xué)家一樣，他們?cè)诤０渡峡吹降牟⒉恢皇且淮u，而是有待探險(xiǎn)的整個(gè)大陸。使我們深為震驚的與其說(shuō)是在腦如何思考的問(wèn)題上我們做出的發(fā)現(xiàn)的深度，還不如說(shuō)是我們所承擔(dān)的闡明和復(fù)制腦高級(jí)功能的任務(wù)是何等的艱巨。

弗里曼教授以非常生動(dòng)和深刻的筆觸總結(jié)了腦研究的現(xiàn)狀。對(duì)揭開(kāi)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(shuō)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(huì)問(wèn)學(xué)生一個(gè)問(wèn)題：“如果腦總共包含的知識(shí)是一英里，我們已經(jīng)在這個(gè)路程上走了多遠(yuǎn)？”有的學(xué)生回答說(shuō)走了三分之一，也有的說(shuō)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(lái)舉例說(shuō)明這個(gè)問(wèn)題，由于這樣的問(wèn)題太多，而本文篇幅有限，所以筆者就舉幾個(gè)許多人都認(rèn)為似乎已有了定論的說(shuō)法，說(shuō)明即使是在這些非常基礎(chǔ)、研究也最深入的問(wèn)題上也依然有問(wèn)題沒(méi)有解決，那么對(duì)于其他問(wèn)題就更可想而知了。

似有定論，但還遠(yuǎn)未接近真相的幾個(gè)問(wèn)題

第一個(gè)問(wèn)題是腦為了完成某個(gè)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(rèn)知功能和性格特點(diǎn)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(huì)增大，對(duì)應(yīng)于它的顱骨也會(huì)隆起，因此通過(guò)檢查顱骨的隆起情況就可以確定該人的性格，并把這個(gè)理論稱(chēng)為顱相學(xué)。

加爾9歲時(shí)就注意到有同學(xué)對(duì)文字材料的記憶力超強(qiáng)，并且有一對(duì)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(qiáng)的記憶力，于是他把這兩者聯(lián)系了起來(lái)。長(zhǎng)大以后，他把這個(gè)想法推廣到其他特點(diǎn)。盡管加爾的理論缺乏科學(xué)根據(jù)，也沒(méi)有實(shí)驗(yàn)支持，從總體上說(shuō)是錯(cuò)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(shí)驗(yàn)生理學(xué)家瑪麗·讓·皮埃爾·弗盧朗（Marie Jean Pierre Flourens）的強(qiáng)烈反對(duì)，弗盧朗損壞鳥(niǎo)腦皮層的不同部位，并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)鳥(niǎo)的行為有什么特異性缺陷，因此他認(rèn)為動(dòng)物的行為是由整個(gè)腦決定的。但他采用的實(shí)驗(yàn)對(duì)象主要是低等動(dòng)物，即使以高等動(dòng)物作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，用的也是非常幼小的動(dòng)物。所以最終證明他的實(shí)驗(yàn)結(jié)果并不能支持他的觀(guān)點(diǎn)。

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(lái)自1861年法國(guó)神經(jīng)解剖學(xué)家皮埃爾·保爾·布羅卡（Pierre Paul Broca）對(duì)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(guò)風(fēng)，從此不能講完整的句子，而只會(huì)發(fā)“他（tan）”這個(gè)音。問(wèn)他叫什么名字，他的回答是“他”；問(wèn)他別的問(wèn)題，他回答的依然是“他”，于是后來(lái)人們就把他稱(chēng)為“他”先生。布羅卡對(duì)其進(jìn)行了檢查，但僅僅6天之后“他”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(lèi)學(xué)學(xué)會(huì)的學(xué)術(shù)會(huì)議上報(bào)告了這一病例，他堅(jiān)定地宣稱(chēng)：“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(yǔ)的原因。”后來(lái)，他又對(duì)8名類(lèi)似的病人進(jìn)行尸檢，發(fā)現(xiàn)他們的左側(cè)額葉都有類(lèi)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(shuō)話(huà)！”他特別強(qiáng)調(diào)他所發(fā)現(xiàn)的這個(gè)區(qū)域與顱相學(xué)所說(shuō)的語(yǔ)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(jī)。

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(duì)側(cè)軀體上不同部位的運(yùn)動(dòng)。成為支持功能定位學(xué)說(shuō)的有力證據(jù)。但是關(guān)于整體論與功能定位論之間的爭(zhēng)論并未平息。

大腦高級(jí)功能是由腦的特定部位還是整個(gè)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(rèn)大腦皮層有某種程度的功能定位，但還是有人堅(jiān)持大腦皮層的高級(jí)功能（如思維與記憶）需要整個(gè)大腦皮層的工作，對(duì)此不存在功能定位。其中影響最大的首推美國(guó)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(duì)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(guò)更多次的學(xué)習(xí)才能避開(kāi)盲端取到食物。在另一組實(shí)驗(yàn)中，拉什利先讓大鼠學(xué)會(huì)避開(kāi)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(cuò)。在最關(guān)鍵的一個(gè)實(shí)驗(yàn)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(wú)關(guān)。他的工作對(duì)整體論是極大的支持。但是，后來(lái)人們發(fā)現(xiàn)他的結(jié)論有問(wèn)題，因?yàn)樗麚p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(jué)模態(tài)，而迷宮學(xué)習(xí)恰恰牽涉到多種感覺(jué)模態(tài)。因此，單獨(dú)損傷某一模態(tài)并不足以阻止大鼠完成任務(wù)，因?yàn)閯e的模態(tài)可起到補(bǔ)償作用，只有當(dāng)損傷面積很大而牽涉到許多模態(tài)時(shí)，問(wèn)題才明顯地表現(xiàn)出來(lái)。拉什利對(duì)實(shí)驗(yàn)事實(shí)做出的解釋不正確！但是，有一點(diǎn)他是對(duì)的，即學(xué)習(xí)和記憶并不只局限于皮層的某個(gè)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（Brenda Milner）對(duì)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(zhǎng)期記憶的關(guān)鍵部位，但是這只牽涉到像對(duì)經(jīng)歷和知識(shí)這樣的“陳述性記憶”，而與經(jīng)過(guò)訓(xùn)練獲得技巧的“程序性記憶”無(wú)關(guān)。這就徹底推翻了拉什利的觀(guān)點(diǎn)。

現(xiàn)在一般認(rèn)為只有非常簡(jiǎn)單的功能才定位在腦的單個(gè)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(gè)腦區(qū)的協(xié)同工作。雖然如此，這兩種觀(guān)點(diǎn)之間的爭(zhēng)論至今也還沒(méi)有完全平息，這主要反映在意識(shí)問(wèn)題上。目前一個(gè)重要的爭(zhēng)論問(wèn)題是意識(shí)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(dòng)，這被稱(chēng)為意識(shí)的神經(jīng)相關(guān)機(jī)制。但是也有科學(xué)家認(rèn)為意識(shí)需要全腦參與，參與量的多少反映了意識(shí)的程度。究竟孰是孰非，還需要進(jìn)一步研究。

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

圖3 拉馬錢(qián)德蘭錯(cuò)覺(jué)

圖4 庭院還是樓臺(tái)？

再舉一個(gè)例子，視覺(jué)是神經(jīng)科學(xué)中研究得最多也最深入的一個(gè)領(lǐng)域。目前人們通常把視覺(jué)系統(tǒng)看成某種信息處理系統(tǒng)，由簡(jiǎn)單到復(fù)雜逐層抽提不同特征。但是大家都熟知的視錯(cuò)覺(jué)卻說(shuō)明情況并不完全是這個(gè)樣子。圖3是所謂的拉馬錢(qián)德蘭錯(cuò)覺(jué)。在圖（a）中有許多小圓，在中心部分有6個(gè)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(gè)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(jué)上似乎中間的6個(gè)圓是凹陷的，而其他的圓則是凸起的。要知道這兩個(gè)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(huì)產(chǎn)生完全相反的感覺(jué)。美國(guó)神經(jīng)科學(xué)家拉馬錢(qián)德蘭認(rèn)為這是由于人腦所處的自然環(huán)境中光源（太陽(yáng)、月亮）都是從上面照射下來(lái)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(duì)于這種十分人為的圖形，我們的腦不僅對(duì)其輸入進(jìn)行自下而上的分析，也根據(jù)其內(nèi)部模型自上而下地進(jìn)行判斷。

圖4顯示另一種視錯(cuò)覺(jué)，這就是當(dāng)把三維對(duì)象畫(huà)在二維平面上時(shí)，利用不同的線(xiàn)索暗示其局部所在的空間位置，由于不同的三維對(duì)象可以映射成同樣的二維投影，把這些投影連接起來(lái)，盡管在局部都能得到合理的解釋?zhuān)菑恼w上來(lái)說(shuō)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(gè)庭院，觀(guān)察者認(rèn)為這個(gè)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(gè)樓臺(tái)，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(qiáng)了對(duì)樓臺(tái)和庭院的認(rèn)識(shí)。但是這就帶來(lái)了個(gè)矛盾，就是中間的那個(gè)正方形從下半部看是庭院的路面，而從上半部看則是樓臺(tái)的底面，這似乎是矛盾的。要解決這個(gè)矛盾就只能認(rèn)為它是翹起來(lái)的，所以下半部是路面而上半部是樓臺(tái)底所構(gòu)成的頂。如果你這樣認(rèn)識(shí)，那么再去看它，就真的似乎有翹的感覺(jué)。所以“看”就不只是對(duì)輸入圖像抽提特征的問(wèn)題，而如克里克所講的：“看是一個(gè)主動(dòng)的構(gòu)建過(guò)程。你的大腦可根據(jù)先前的經(jīng)驗(yàn)和眼睛提供的有限而模糊的信息做出最好的解釋。進(jìn)化可以確保大腦在通常的情況下非常成功地完成此類(lèi)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(cuò)覺(jué)，就是因?yàn)橐曈X(jué)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(xiàn)索?！?/p>

弗里曼正是基于這些現(xiàn)象，以及他自己長(zhǎng)期對(duì)嗅覺(jué)系統(tǒng)的研究得出腦不僅僅進(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(guān)點(diǎn)。這是一個(gè)現(xiàn)在許多人都還沒(méi)有領(lǐng)會(huì)的嶄新觀(guān)點(diǎn)。

到目前為止我們還沒(méi)有任何有關(guān)腦如何產(chǎn)生心智的科學(xué)理論框架，對(duì)此目標(biāo)也還缺乏實(shí)際可行的技術(shù)路線(xiàn)，在解開(kāi)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(guò)搞清楚每一個(gè)離子通道或是每一個(gè)神經(jīng)元的每一個(gè)發(fā)放，由此逐層往上，最后揭開(kāi)心智之謎。對(duì)于腦這樣一個(gè)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(wèn)。

揭開(kāi)人腦之謎的希望能全部寄托在有關(guān)腦研究的各種大計(jì)劃上嗎？

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

技術(shù)的進(jìn)步往往打開(kāi)新發(fā)現(xiàn)的大門(mén)，20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(kāi)創(chuàng)了研究神經(jīng)系統(tǒng)電活動(dòng)的新時(shí)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(kāi)辟了認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)的新時(shí)代。雖然這并不是說(shuō)，任何新技術(shù)都必定會(huì)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(jiǎng)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(duì)他研究所起的作用后感嘆地說(shuō)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?yàn)橐话阏f(shuō)來(lái)獎(jiǎng)勵(lì)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?！笨磥?lái)情況正在發(fā)生改變。美國(guó)和歐盟的腦計(jì)劃都把重點(diǎn)放到了研究腦的新技術(shù)的開(kāi)發(fā)上。當(dāng)然，這并不等于說(shuō)新技術(shù)就必然帶來(lái)科學(xué)的突破，關(guān)鍵還是要科學(xué)家對(duì)面臨的科學(xué)問(wèn)題有清醒的認(rèn)識(shí)和知道如何把這些新技術(shù)應(yīng)用到這些問(wèn)題的研究上去。

大計(jì)劃對(duì)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(xì)胞的分類(lèi)、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(lái)的突破打下基礎(chǔ)，但是其本身還不是認(rèn)識(shí)腦機(jī)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(lái)能取得突破的問(wèn)題。開(kāi)發(fā)新技術(shù)，通過(guò)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(lái)，把還原論方法和整體論方法結(jié)合起來(lái)，把實(shí)驗(yàn)和理論建模結(jié)合起來(lái)，從各個(gè)方面和各個(gè)層次以及跨層次地對(duì)腦和心智進(jìn)行研究，這才有可能逐步解開(kāi)人腦之謎。

以筆者的管見(jiàn)，當(dāng)前需要對(duì)腦研究所面臨的重大問(wèn)題做一番梳理，尤其是那些對(duì)社會(huì)有重大意義而又有望在可預(yù)見(jiàn)的將來(lái)能得到解決的問(wèn)題。正如數(shù)學(xué)大師希爾伯特在1900年國(guó)際數(shù)學(xué)大會(huì)上提出了當(dāng)時(shí)數(shù)學(xué)界所面臨的23個(gè)重大問(wèn)題，這推動(dòng)了以后很長(zhǎng)一段時(shí)間里的數(shù)學(xué)研究。2013年諾獎(jiǎng)得主埃里克·坎德?tīng)枺‥ric Kandel）在為《神經(jīng)元》雜志所寫(xiě)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(zhǎng)的記憶研究提出了一系列當(dāng)前面臨的重大問(wèn)題。美國(guó)的腦計(jì)劃在立項(xiàng)之初，也建立起專(zhuān)家委員會(huì)，召集了一批腦研究各個(gè)領(lǐng)域的領(lǐng)軍人物開(kāi)會(huì)，專(zhuān)家委員會(huì)要求每位專(zhuān)家都就他認(rèn)為的重要課題做報(bào)告，并寫(xiě)出兩頁(yè)紙的提要，在報(bào)告完后與專(zhuān)家委員會(huì)閉門(mén)面談。這似乎是這方面的一個(gè)有益的嘗試。

如果能把全球頂級(jí)專(zhuān)家對(duì)腦研究重大課題的真知灼見(jiàn)匯集起來(lái)進(jìn)行深入的討論并達(dá)成某些共識(shí)，投入巨資，鼓勵(lì)和支持科學(xué)家，特別是對(duì)腦癡迷的年輕科學(xué)家，在這些重大問(wèn)題上進(jìn)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(shí)代吧！也期望有志的讀者能把自己武裝起來(lái)，參與這一宏偉的事業(yè)。