顧凡及：我們只窺測(cè)了人腦奧秘的冰山一角

7月27日，復(fù)旦大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院的顧凡及教授做客第21期行知讀書會(huì)，與現(xiàn)場(chǎng)觀眾一起分享腦科學(xué)研究的種種趣事。

大腦就如同鑲嵌在人類身體上“小宇宙”，雖然只有三磅重量，卻和浩瀚無垠的宇宙一樣神秘、復(fù)雜。

談功能：“整體論”與“功能定位論”之爭(zhēng)

顧凡及首先從人腦的“整體論”與“功能定位論”之爭(zhēng)開始談起。他指出，探索人類心智的奧秘涉及到一個(gè)具體問題——當(dāng)人們想做一件事時(shí)，是需要整個(gè)腦的參與，還是只要部分腦的參與就能實(shí)現(xiàn)？

事實(shí)上，這一爭(zhēng)論肇始于18世紀(jì)末。當(dāng)時(shí)有一位叫加爾的奧地利醫(yī)生，通過廣泛觀察和經(jīng)驗(yàn)積累發(fā)現(xiàn)，人的大腦由許多不同部位組成，不同的部位執(zhí)行著不同的功能。

比如鼓著“金魚眼”的人記憶力超群，顳骨突出的人喜歡虐待動(dòng)物，詩(shī)人在寫詩(shī)的時(shí)候喜歡摸頭的部位和創(chuàng)造力有關(guān)……于是加爾認(rèn)為，個(gè)人生理上的腦發(fā)育差異影響了個(gè)體心智的形成，并表現(xiàn)在顱骨的形狀上。這最后一點(diǎn)人們現(xiàn)在知道是沒有科學(xué)根據(jù)的。

此后，也有支持“整體說”的科學(xué)家通過“鴿腦實(shí)驗(yàn)”觀察到，切割不同部位的腦子對(duì)鴿子行為并不產(chǎn)生顯著影響。

直到法國(guó)醫(yī)生布魯卡通過對(duì)有語言問題的病人進(jìn)行病例觀察，和對(duì)尸體進(jìn)行解剖才發(fā)現(xiàn)，大腦中某一區(qū)域受傷會(huì)導(dǎo)致語言表達(dá)機(jī)能的缺失，這說明人的大腦皮層是有功能定位的。德國(guó)科學(xué)家韋尼克則發(fā)現(xiàn)，有一種病人雖然會(huì)說話，卻總是胡言亂語，這是由于大腦中某部分的損傷造成了嚴(yán)重的理解力缺失。后來人們把這部分大腦稱為韋尼克區(qū)。

“如果說大腦皮層中的布魯卡區(qū)控制著人類語言的表達(dá)能力，那么與之相對(duì)，韋尼克區(qū)則掌管著語言理解的技能?！鳖櫡布翱偨Y(jié)道，這兩個(gè)例子充分證明了大腦的不同部位各司其職、分工合作，承擔(dān)著不同的心智功能，但這并不意味著每一塊腦區(qū)都孤立存在。

今天科學(xué)家一般傾向于認(rèn)為，除了十分簡(jiǎn)單的功能可以定位到某小塊腦區(qū)，絕大多數(shù)復(fù)雜的功能都需要若干腦區(qū)協(xié)同配合。

活動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)

談結(jié)構(gòu)：“網(wǎng)狀學(xué)說”與“神經(jīng)元學(xué)說”之爭(zhēng)

隨后，顧凡及向現(xiàn)場(chǎng)讀者拋出了第二個(gè)問題，大腦結(jié)構(gòu)是什么樣的？是由一個(gè)個(gè)相對(duì)獨(dú)立的細(xì)胞組成，還是一張彼此交通互聯(lián)的“網(wǎng)”？關(guān)于這個(gè)問題，1906年諾貝爾醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)的兩位得主——高爾基和卡哈爾曾進(jìn)行過針鋒相對(duì)的激烈爭(zhēng)論。

在此之前，科學(xué)家們一直沒有找到很好的方法去觀測(cè)神經(jīng)系統(tǒng)的細(xì)胞結(jié)構(gòu)，人們始終無法確認(rèn)神經(jīng)細(xì)胞的真實(shí)形態(tài)，由此也誕生了兩個(gè)學(xué)說——網(wǎng)狀學(xué)說和神經(jīng)元學(xué)說。

網(wǎng)狀學(xué)說支持者認(rèn)為，神經(jīng)系統(tǒng)中包含一個(gè)完整、連續(xù)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，中間不存在斷點(diǎn)，也不存在任何“獨(dú)立神經(jīng)細(xì)胞”；而神經(jīng)元學(xué)說的信徒則堅(jiān)稱，神經(jīng)組織是由單一神經(jīng)元組成，兩個(gè)神經(jīng)細(xì)胞之間通過突觸彼此連接。

19世紀(jì)下半葉，意大利生理學(xué)家卡米洛·高爾基通過硝酸銀染色法，第一次觀察到神經(jīng)纖維的走向。他將腦子固化后放入硝酸鹽溶液，經(jīng)過染色切片后發(fā)現(xiàn)，上面有許多花紋彼此連接，就類似心血管一樣組成一張網(wǎng)，中間還有一些膨起的地方。從此，高爾基成為網(wǎng)狀學(xué)說的領(lǐng)軍人物。

另一位西班牙科學(xué)家拉蒙·卡哈爾自小喜歡繪畫，受到作為醫(yī)學(xué)院老師的父親影響，他在醫(yī)學(xué)繪圖上展現(xiàn)了驚人的天分。在那個(gè)顯微照相機(jī)還未誕生的年代，卡哈爾憑借高超的繪畫能力將神經(jīng)細(xì)胞的精細(xì)結(jié)構(gòu)栩栩如生地記錄下來。綜合了其他發(fā)現(xiàn)后，他提出每個(gè)神經(jīng)細(xì)胞都是獨(dú)立存在的，神經(jīng)細(xì)胞的軸突與其他細(xì)胞之間存在縫隙而非緊密連接。

一直到20世紀(jì)50年代電子顯微鏡問世以后，人們才最終確定神經(jīng)元學(xué)說的正確性。但高爾基的說法也不完全錯(cuò)誤，人體內(nèi)的神經(jīng)細(xì)胞的確是相互分隔的，但也有少數(shù)細(xì)胞彼此連通，分隔處有蛋白質(zhì)將兩個(gè)細(xì)胞打通，一個(gè)細(xì)胞中的物質(zhì)可以流到另一個(gè)細(xì)胞中去。

顧凡及告訴現(xiàn)場(chǎng)讀者：“科學(xué)上有時(shí)會(huì)有兩個(gè)‘學(xué)說’打架的情況，好似不相容，但到最后往往會(huì)發(fā)現(xiàn)，一個(gè)占主導(dǎo)地位但另一個(gè)也不完全錯(cuò)。所以我們的頭腦要保持開放，凡事不要太絕對(duì)?！?/p>

談視錯(cuò)覺：你看見的東西不一定存在，只是大腦認(rèn)為它存在

俗話說，眼見為實(shí)，人們通常會(huì)篤信眼前看到的就是真實(shí)存在。但諾貝爾獎(jiǎng)得主弗朗西斯·克里克卻給出了另一種解釋，你看到的東西并不一定就是你看到的那樣，而是你的大腦重新構(gòu)建的結(jié)果。

“看”是一個(gè)主動(dòng)的構(gòu)建過程，人的大腦可以根據(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)化可以確保大腦在一般情況下成功完成此類任務(wù)。但情況并非總是如此。

顧凡及提到，心理學(xué)家之所以熱衷于研究視錯(cuò)覺，就是因?yàn)橐曈X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的線索。也就是說，產(chǎn)生錯(cuò)覺也有好處，那就是使我們知道正常的視覺是怎么來的。

顧凡及談到了幻覺與錯(cuò)覺的區(qū)別，他介紹說：“幻覺就是沒有輸入，沒有任何刺激，但你的腦中好像看到有什么東西、聽到什么東西，這是幻覺；而錯(cuò)覺是確實(shí)受到了某種刺激，只是人眼中看到的和真實(shí)的圖景不一致?！?/p>

隨后，他向現(xiàn)場(chǎng)觀眾展示了一系列會(huì)讓大腦產(chǎn)生視錯(cuò)覺的圖片，介紹了馬赫帶、赫爾曼格點(diǎn)、埃姆斯“魔屋”、卡尼薩三角等視覺奇觀的生理成因。比如在兩塊明暗不同但每塊內(nèi)部亮度均勻的區(qū)域的邊界處，觀察者會(huì)感到在亮側(cè)有一條特別亮的線；而在暗側(cè)則有一條特別暗的線，這是由于視覺系統(tǒng)的神經(jīng)細(xì)胞與神經(jīng)細(xì)胞之間有相互抑制作用的緣故；

又比如在“魔屋”里，如果兩個(gè)身高相同的人走向房間的左右兩角，會(huì)產(chǎn)生明顯的視覺高度差異，當(dāng)一個(gè)人從屋后的一側(cè)走向另一側(cè)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生身材在不斷變大或縮小的錯(cuò)覺，這是因?yàn)椤澳荨焙蟊谑莾A斜的，而觀察者由于視野的局限而誤以為后壁兩角離觀察者距離一樣，從而把離得近的人當(dāng)作比離得遠(yuǎn)的人要高大得多。

談?dòng)洃洠河洃洿娣庞谡麄€(gè)大腦，還是某具體部位？

20世紀(jì)上半葉，美國(guó)科學(xué)家拉什利曾經(jīng)利用小白鼠做實(shí)驗(yàn)，研究生物記憶究竟是存在于整個(gè)大腦還是腦中的某個(gè)部位。拉什利將小白鼠放入一個(gè)迷宮中，通過破壞鼠腦的不同部分觀察小白鼠犯錯(cuò)誤的概率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果是，大腦被破壞的面積越大，犯錯(cuò)誤越多，記憶性越差，由此認(rèn)定記憶應(yīng)當(dāng)存放于整個(gè)大腦中，與其所在部位關(guān)系不大。

到了20世紀(jì)50年代，亨利·莫萊遜的病例徹底推翻了此前被廣泛接受的研究結(jié)果。莫萊遜小時(shí)候在外玩耍，曾被自行車撞了一下，導(dǎo)致腦受損引發(fā)癲癇，醫(yī)生認(rèn)為癲癇的病灶出在顳葉內(nèi)側(cè)的海馬體上，于是通過手術(shù)將兩側(cè)海馬切除，但直接引發(fā)的后遺癥就是他再也記不住任何手術(shù)后發(fā)生的事。

奇妙的是，他仍能學(xué)會(huì)新的技巧，比如在只能看到鏡子里的手和五角星的情況下，把五角星描下來。人們通過莫萊遜的病例發(fā)現(xiàn)，人的記憶分為兩種，一種是陳述性記憶（包括經(jīng)歷、知識(shí)和空間記憶），海馬體受損會(huì)直接導(dǎo)致不能把短時(shí)的陳述性記憶轉(zhuǎn)化成長(zhǎng)時(shí)記憶；另一種是程序性記憶，就是技巧，而技巧的掌握與海馬體的好壞無關(guān)。

無獨(dú)有偶，莫萊遜的故事并非孤例，顧凡及還為現(xiàn)場(chǎng)觀眾講述了失憶病人韋爾林的故事。

英國(guó)音樂家韋爾林在鋼琴演奏上具有很高的造詣，但因?yàn)橐淮文X炎，損壞了大腦兩側(cè)的海馬體。與莫萊遜類似，他將生病以后的事情全都忘記了，但仍然保持著高超的鋼琴技巧。在日記中，他將自己每一時(shí)刻的狀態(tài)都如實(shí)記錄下來，每一次他都認(rèn)為只有在寫的時(shí)候自己才是清醒的，但他卻不知自己曾經(jīng)做出過無數(shù)次相同的判斷。因此，他沒有過去和未來，對(duì)于他來說——“永遠(yuǎn)是今天”。

顧凡及指出，人類腦科學(xué)的研究看似進(jìn)展迅猛，實(shí)際只是窺測(cè)了人腦奧秘的冰山一角，“比起一百年前，我們的確知道的多得多了，但是我們不知道的比我們知道的還要多得多。腦科學(xué)是一個(gè)尚有待開發(fā)的大陸，等待有志者進(jìn)一步探索。”