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 脑机穿越:脑机接口改变人类未来

01 从还原论到相对论 思维产生背后的神经元活动

百万人的呐喊

1984年秋天热带的雨季到来时,大多数巴西人已经忍无可忍了。他们热爱的祖国已经被独裁者统治了20年。1964年愚人节那天,巴西发生了军事政变,取得胜利的军人建立了军人独裁专制政权。在接下来的20年中,军人政权恶名昭彰,腐败现象猖獗,而且对自己的人民采取了可耻的暴力统治。

1979年,由于人民对军人政权的反对呼声日益高涨,最后一位担任总统的四星上将别无选择,只能批准大赦政治领袖、科学家以及流亡国外的知识分子。将军们计划将统治权逐步归还给民众。这一过程始于1982年秋天的州长选举。

1982年11月,反对党以压倒性优势获得了巨大的胜利。然而到了第二年,这个民主的小小象征几乎被人们遗忘了。巴西人民意识到,他们拥有政治权利。更重要的是,他们有权利要求更多,而不是接受独裁者的一点点施舍。他们想要推翻军人政府,但不想通过另一场军事政变来达到这个目的。他们希望通过直接选举总统把军人政府赶下台,要求直接选举总统的全国性运动突然变得如火如荼。

1983年3月31日,人们在巴西东北部小城阿布雷乌利马(Abreu e Lima)举行了第一次集会。到11月,一万名多少有点胆怯的民众聚集在巴西人口最多、最富裕的城市圣保罗,举行抗议活动。此后,这场运动快速发展了起来。两个月后,1984年的1月25日,人们在圣保罗庆祝了这座城市的第430个建城纪念日。超过20万名群众不断喊出他们共同的要求——立即举行总统的直接选举。几天后,大批的国民开始涌向里约热内卢、巴西利亚以及其他大城市的主要广场。

1984年4月16日的夜晚,100多万人聚集在圣保罗的市中心,这是巴西历史上最大规模的政治集会。几个小时后,浩浩荡荡的人流淹没了这座城市最初建立的山谷,其中多数人穿着巴西的国家代表色——绿色和黄色的衣服。每一群新加入的人会立即跟着一起呼喊他们熟悉、有节奏的口号:“现在选举!现在选举!”呼喊声从人群中迸发出来,铿锵有力,就像空中翻滚的惊雷。如果你从没参与过100万人一起演唱赞美诗,那么我认为你应该体验一下。那种具有穿透力的声音绝对会震撼你,让你终生铭记。

由于人群不断壮大,我不得不爬到了报刊亭的顶部。那天晚上我第一次将民众占领圣保罗卡巴乌山谷(Anhangabaú Valley)、不断高喊口号的场景尽收眼底。对于已经消失很久的图皮–瓜拉尼人(Tupi-Guarani),以及在16世纪葡萄牙人到来之前居住在这片土地上的印第安土著部落居民来说,流经这个山谷的河流是“恶灵之河”,但它再也不是了。那天晚上,我能看到的只有强大的亚马孙人,在意志如此坚定的人汇聚而成的“海洋”中,任何邪恶的灵魂都不敢现身。

“我们想要的是什么?”一部分人不由自主地问道。

“选举!”其他人回答。

“什么时候?”另一群人挑衅道。

“现在!现在!现在!”人群大声回应道。

当上百万人的合唱队开始唱响巴西的圣歌时,甚至连天空也无法抑制住它的“眼泪”——圣保罗的毛毛雨开始飘落,而我则完全沉浸在这声势浩大的示威中。这个事例证明,当一群人为了实现共同的目标而通力合作时,他们能够做到什么。尽管人群每次发出的信息都是相同的,但构成雷鸣般轰响的是许多声音的不同组合。人们不可能每次都跟着大声叫喊,一些人可能正在跟旁边的人交谈;一些人的声音可能暂时变得沙哑或者挥舞旗帜让他们分了心;还有一些人可能因为情绪激动而停止了呼喊。虽然后来有少数人开始离开集会,但人群的喊声依然响彻云霄。任何人都看得出,少了个别几个抗议者根本不会造成任何影响,整个人群太庞大了,少数人的离开并不会改变什么。

最终,上百万巴西人民的呼声产生了作用。几天后,我去见我的导师艾瑞尔教授,与他探讨戴维·休伯尔(David Hubel)和托斯坦·维厄瑟尔(Torsten Wiesel)的论文。由于在视觉皮层方面的突破性研究,他们获得了1981年的诺贝尔生理学或医学奖。休伯尔和维厄瑟尔利用当时世界各地实验室普遍采用的经典的还原论法(reductionist approach)记录了视觉皮层中单一神经元的电活动。我天真地问艾瑞尔教授:“为什么我们不做同样的事情。”他的回答非常有力,就像那天晚上在圣保罗,我作为人群中的一员所感受到的轰鸣:“孩子,我们不会记录单一的神经元,其中的原因和你几天前参加的集会一样。如果参加抗议活动的不是100万人,而只有一个人,那它将是一场灾难。你认为会有人注意到政治集会中单独一个人的叫喊吗?对于大脑来说,情况也是如此。大脑不会注意单个神经元的电活动。想要决定下一步该怎么做,需要很多细胞一起‘歌唱’。”

大脑“相对论”

如果我能在1984年那个具有历史意义的夜晚更敏锐一些,那么我或许已经明白,爆发出雷鸣般呼喊的人群所表现出的动态社会行为与之后25年里我潜心研究的大多数神经生理原则是一致的。我听到的不是政治抗议者的齐声呼喊,而是无数神经元共同创作的“无声交响乐”。

所有这些神经元最终将为解放灵长类动物的大脑、使其不再受身体的束缚提供方法。然而在20世纪80年代,几乎没有神经科学家认为应该放弃关注单一神经元的还原论实验范式。这也许是因为,其他科学领域如粒子物理学、分子生物学在还原论的指导下都取得了惊人的成功。特别是在粒子物理学领域,越来越小的粒子,比如夸克的发现及相关理论被证明是定义所谓标准模型的关键,而标准模型始终是我们理解物质世界的基础。

粗略地说,在20世纪的神经科学的主流研究中,还原论的方法是将大脑分解成独立的脑区(又叫神经核),每个脑区都包含密集的神经元。然后再研究单一神经元以及神经元在神经核内部、神经核之间的连接,并且,每次只非常深入地研究一个神经元。研究者希望,当神经元及其连接的数量足够大时,这些累积的信息能够解释整个中枢神经系统的运作机制。对还原论的坚守让很多神经科学家将毕生精力都奉献给了解释单一神经元的解剖结构、生理结构、生化结构、药理学组织、分子组织以及神经元的构成等方面的研究。这些艰苦卓绝的努力造就了巨大的数据宝库,由此催生出了许多杰出的发现与突破。如今,“事后诸葛亮”们可以说,当时神经科学家研究大脑运作机制的方法类似于生态学家每次只研究一棵树的生理机能,却试图以此来理解热带雨林的生态系统;类似于经济学家只监控一只股票,就想预测股市的涨跌;类似于军事独裁者只拘捕1984年抗议集会中的一位抗议者,就想削弱上百万巴西人的抗议声势。

在对大脑经过了100多年的研究后,如今的观察者会说,神经科学研究领域似乎仍缺少一个能够应对大脑复杂性的实验范式。今天,我们把由大量相互作用的要素构成的系统称为复杂系统,比如全球金融市场、网络、免疫系统、地球气候和蚁群等。系统中许多要素共同的相互作用使得系统最基本的性质被显现了出来。一般来说,当采用还原论法进行研究时,我们无法揭示这类复杂系统的共同奥秘。人类的大脑拥有数十亿个相互作用的神经元,这种相互作用每时每刻都在发生改变,因此,大脑无疑是典型的复杂系统。

要聆听由分布在许多脑区的大量神经元发出的电信号,无疑会面临巨大的实验挑战。因此,在研究大脑复杂性的过程中,如果出现某些疏忽,也是情有可原的。例如,在巴西人为进行总统大选而战斗的时代,没有一位神经科学家确切地知道应该在动物的大脑中植入什么类型的传感器,进而在被试完成各种行为任务时,研究者便可以从大量细微的神经电信号中进行抽样。另外,当时的神经科学家也没有合适的电子硬件和强大的电脑来过滤、放大、显示并储存众多神经元同时放电的活动。神经生理学家们几乎绝望了,他们不知道应该如何选择大脑结构中的神经元,以记录它们的活动。同时,更没人知道,如果这些技术上的瓶颈被突破了,我们又该如何分析浩如烟海的神经生理学数据。

自相矛盾的是,没有神经科学家会怀疑人类头脑所取得的惊人功绩,从制造工具到产生自我认知和意识都来自数量庞大的神经元以及它们之间相互连接的复杂模式。然而几十年来,所有试图克服技术障碍、聆听大脑“交响乐”的尝试都被斥为妄想,高科技实验的“乌托邦”也许只能通过像“曼哈顿计划”那样的大工程才能得以实现。

BMI洞察 BEYOND BOUNDARIES

从本质上说,人类本性的所有表达方式的来源都是相同的,从洞穴人的绘画,到莫扎特的交响乐,再到爱因斯坦的宇宙观,都来自相互连接的无数神经元不间断的、充满活力的“劳作”。对人类或人类的近亲与远亲——灵长类和哺乳类动物的生存与繁荣至关重要的复杂行为中,没有哪种行为可以只依赖于单个神经元的活动,无论这个神经元有多么特殊。因此,尽管很多人了解单个神经元的形态和功能,在过去的100年里,有关大脑的研究也取得了无数成果,但若要获得最全面的思维理论,使这个领域充满前景,还原论已被证明是一种不充分、不恰当的策略。

因此,被广泛传播的关于大脑运作方式的传统观点,虽然被很多神经科学教科书奉为经典,并以巧妙的文笔和美丽的插图呈现出来,但它们仍然站不住脚。爱因斯坦的相对论曾颠覆了经典的宇宙观,与之类似,以单个神经元为基础的关于大脑功能的传统理论也会被大脑“相对论”所取代。

大脑如何决策

提出任何新的科学理论的第一步都是针对研究现象定义一个适当的分析水平,然后对相关假设进行检验。它允许证实或证伪提出的理论,这就是科学方法的本质。我认为,了解人类思想最恰当的方法是研究神经元动态的相互作用背后的生理机制。这些分布在大脑中的神经元群体就是大脑回路(见图1-1)。神经元通过长长的、突出的结构——轴突,来彼此传递信息。轴突与神经细胞主体以及被称为树突的原生质的树样结构进行不连续的联系。在我看来,虽然单一神经元是大脑的基本解剖结构,也是信息处理的单元,但它无法独自产生行为,最终也无法产生思想。相反,中枢神经系统真正的功能单元是神经元群体或神经元群。在这种功能安排中,负责产生某种行为所需信息的是神经元群,而不是单一神经元。这一过程通常被称为分布式神经编码(distributed neuronal coding)。

图1-1 神经回路的结构

注:拉蒙–卡哈尔提出的神经回路图。其中强调了单一神经元以及细胞的专门化。总的来说,树突的主要作用是接收来自其他神经元的突触,而轴苏端的主要作用是与其他脑细胞形成神经元突触。

原来我们在用神经元群进行思考!甚至人类两个最私密的所有物——自我认知和身体意象也是通过大脑调配电流和少量的化学物质而创造出来的。它们不是固定的,完全可以被改变,而且会变得很快,就像我们将要看到的那样。

在20世纪的前50年中,研究单一神经元的神经生理学家依据看似无可争辩的证据提出,专门化的感觉器官如皮肤、视网膜、内耳、鼻子和舌头等负责从外界获取感觉信息,这些信息顺着特定的感觉神经通路向上传递,最终来到特定的大脑皮层区。这些区域被认为是皮层中处理感觉信息的主要部位,其中比较突出的是躯体感觉中枢、视觉中枢和听觉中枢。然而,在同一时期,美国心理学家卡尔·拉什利(Karl Lashley)却以反对派(分布论者)代言人的身份进入了人们的视线。拉什利热衷于研究大脑的哪个部分是用来储存记忆的,他称之为记忆痕迹(engram)。在实验中,他先教大鼠、猴子和猿完成一些特定的行为,其中既有很简单的任务(如学会识别某一物体,并跳起来去够这个物体),也有复杂的解决问题的任务(如学会走一个复杂的迷宫)。然后通过外科手术将动物大脑某个区域的皮层切除,之后再教这些动物完成特定的行为。然后再测量皮层损伤对这些动物学习或保持行为技能或习惯的能力有什么影响。通过这些实验,他想弄明白感觉信息与动作行为之间是如何建立起联系的。

根据拉什利的说法,在动物接受了某种简单任务的训练后,只要最初与任务相关的初级感觉皮层有一部分保持完好无损,那么切除剩余的大部分皮层对动物的任务表现不会产生显著影响。事实上,只要保留初级视觉皮层的1/60,动物就能保持原来学会的视觉方面的动作习惯。面对简单任务时,大脑在处理感觉信息方面具有令人吃惊的弹性。在其经典论文《搜寻记忆痕迹》(In Search of the Engram)中,拉什利将研究结果总结为“等势原理”(principle of equipotentiality),即记忆痕迹分布在整个感觉区域中,而不是分布在某个神经元或一小群神经元中。

拉什利还发现,在面临更加复杂的行为任务时,大脑便不太能从损伤中恢复过来。当损伤较小时,动物在完成任务的过程中会犯错,且犯错的数量与被切除的皮层量成正比。如果50%或者更多的皮层被切除,动物便会忘记曾经学会的习惯,需要再次接受大量训练才能重新学会。根据这些发现,拉什利提出了第二个记忆原理——“集体动作效应”(mass action effect),也就是说,受到影响的是组织或整合性活动的某种生理模式,而不是特定的关联性连接。当一部分大脑皮层被切除后,动物在完成复杂的任务时会出现障碍。

许多神经科学家都对拉什利的结论提出了批评和质疑,即使到了今天,在科学讨论中只要提到他的名字就一定会引发人们的嘲笑声。大多数批评言论针对的都是他的实验方法,特别是他在实验中制造了大脑损伤,然后试图将其与简单或复杂的任务建立起相关关系。尽管如此,拉什利还是证明了在初级感觉皮层方面还存在很多需要探索的内容,而多数神经科学家不愿意承认这一点。

学术斗争最后通常会变得非常残忍,因为它们的赌注一般都少得可怜,然而这次的情况却不同。定义大脑的功能单元是一项很庄严的任务。毕竟,它探索的目标针对的正是那块代表你来做出决定的有机质。它决定了你身体的起点和终点、你作为人的感受、你所秉持的信仰,以及你的儿孙在某天想起你时,会认为你是怎样的人、留下了什么样的遗产。与不断寻找使人类确定无疑地认为自己是独特的,同时又与同类如此类似的真正原因相比,没有其他任何一项人类事业具有相似的中肯性与戏剧性。

用一个简单的类比可以帮助你清楚地看出有关大脑功能的两种观点之间的差异。想一想音乐家在交响乐团中的作用。假设你得到了音乐会的入场券,当你来到音乐厅时,发现台上只有一位巴松吹奏者,你一定会感到很失望。不管那位巴松吹奏者的技法多么娴熟,当晚他多么卖力地表演,你都无法想象出交响乐的完整乐章。即使台上不是巴松吹奏者,而是“小提琴女神”安妮−索菲·慕特(Anne-Sophie Mutter)或激动人心的钢琴家玛利亚·皮雷斯(Maria Pires),也依然于事无补。只有当很多音乐家一起演奏时,你才能欣赏到完整的交响乐。在分布论者看来,当大脑的很多神经元共同产生一条复杂的信息或任务时,它们便是在创作某种类型的交响乐——神经元协奏曲。

大脑如何应对风险

将复杂的神经元信息或任务编码成许许多多独立的小片段或动作就类似于乐团的运作机制。每个片段都有助于一个有意义的整体的形成,就像100万人一起呐喊“现在选举”的声音,力量之大,足以把独裁者赶下台。在自然界中,这种信息分布策略也是比较常见的。

分布策略存在于我们日常生活的很多方面。例如,复杂表型特征的形成通常取决于分布在染色体上的许多基因同时作用的结果,其中最为人所熟知的是我们的基因组成如何表征出我们的外貌。自然界中另一个分布策略的例子是多蛋白质复合体。它在单个细胞中发挥作用,完成各种各样的功能,其中包括DNA的转译、修复以及通过突触释放神经递质。一种蛋白质负责一种特定的子任务,许多蛋白质相互作用以完成一个非常复杂的操作。例如,不同的蛋白质复合体嵌在单个神经元的脂质膜中,形成了各种各样的膜离子通道,每个离子通道就像是穿过膜的隧道,但隧道打开时,特定的离子(钠离子、钾离子、氯离子或钙离子)就能进入或离开细胞。若要保持或改变单个神经元的膜电位,多个离子通道就要互相合作。单一的离子通道无法调节这个过程,就像单个神经元无法产生有意义的行为一样。相反,神经细胞膜的正常运作需要一群多样化的离子通道。

分布策略也能在更高的层面上发挥作用。例如,非洲狮通常成群结队地捕食,特别是在捕获大猎物时,比如一只似乎易受攻击的大象在水洼边喝水,狮群一起向大象逼近,这样即使一只狮子被大象杀死,其他狮子依然有机会在天亮前吃到大象肉。相反,一些最容易成为猎物的物种,在觅食时会聚集成一大群,不让自己成为潜在的猎捕对象。例如,掠过喜马拉雅山脉稀薄空气的迁徙鸟群、在加勒比海闪耀的绿色浅水中游曳的鱼群以及成群的水豚(2),这些动物都是依靠分布策略来抵御猎食者的。由于群体密度的增加,敌人的注意力被分散了,这就大大降低了某个个体被捕获的可能性。通过这种方法,群体作为一个整体得以延续的可能性便增大了,这就是应用了风险管理的分布策略的结果。

这种应对风险的方法听起来是不是很熟悉?当理财经理建议你保持投资组合的多样化,将投资分散到多个经济部门的多家企业中时,他采用的就是这种分布策略。即使是今天最有影响力的技术——互联网,也是依赖分散的计算机网络来满足我们对信息的巨大需求。整个网络系统中的信息流不是由一台电脑控制的,当你在谷歌上搜索某个主题时,连接你的电脑与谷歌总部的也不是一根电缆,而是数量庞大且相互连接的机器,它们能够迅速将你在谷歌上的搜索传递到美国加利福尼亚州山景城谷歌总部的众多服务器中的一台上。即便其中一台服务器坏掉了也没问题,剩下的计算机网络仍然能够确保你的查询信息不会丢失。

为什么分布策略会这么有效?为什么从蛋白质到水豚群都可以依靠大量分散的单个要素群体?为了回答这些基本问题,让我们回过头来再看看大脑,检视一下关于思维的群体编码方案的优点。

进化为大脑设计了一个“保险单”,那就是将思维分散到大量的神经元中。在大多数情况下,局部创伤或轻微的中风所造成的单个神经元或一小部分脑组织的损伤并不会使人丧失重要的大脑功能。由于是分布编码,所以如果患者表现出了神经机能障碍的临床迹象和症状,那么大脑必然已经发生过很多损伤了。我们可以想象一个与之相反的情况:假设大脑中只有一个神经元负责表达你生活中的某个重要方面,比如它负责的是存储你最喜欢的巴西足球队的名字,那么你将面临怎样的风险?失去这个神经元后,相关信息将永远丢失。然而真实的情况是,当你成年之后,神经元一直在不断死亡,但并不会产生任何显著的副作用,事实上,尽管这类神经元的“小悲剧”每天都在发生,但我们从来没有察觉它对我们的身体机能或行为所产生的影响。

BMI洞察 BEYOND BOUNDARIES

神经元的庞大数量有利于大脑进行分布编码。神经元群具有高度的适应性或可塑性。当需要绕开受损的或死亡的神经元时,只要反复暴露在相应的环境或任务中,其他的神经元就会进行自我重组,改变它们的生理、形态和连接方式。正如我的朋友苏黎世大学的罗德尼·道格拉斯(Rodney Douglas)所指出的:大脑的运行方式很像一支管弦乐队,但它是一个非常独特的乐团,它在演奏音乐的同时能够更改演奏者和乐器的组合,并且能够在这个过程中创做出一个全新的旋律。

生物的进化过程可能也偏好分布式的群体编码。因为与单个神经元编码相比,前者在产生复杂信息方面要高效得多。让我们来举一个简单的例子。假设通过在两种放电频率之间进行转换,比如非常快的放电或非常慢的放电,单个神经元能够表达或者用神经科学术语来说能够表征两种不同的信息。如果只有一个神经元来负责侦查出现在动物视野中的图像,那么这种动物的大脑只能对两种不同的图像做出反应。神经元快速放电时看到一个图像,慢速放电时看到另一个图像。这个神经元就无法辨别同时出现的其他图像。现在设想有100个不同的神经元被分配来完成同样的工作,同样是两种放电状态,但这个神经元的集合能够看到的图像数量却会跃增为2100个。

除了计算能力和记忆力的显著提高之外,大脑中的分布编码还依赖于许多并行的信息处理过程。通过引发轴突出现分支并去接触其他不同的神经元,单个神经元能够建立起数量多得惊人的连接。这种错综复杂的神经元连接网能够完成一些奇妙的事情。

NICOLELIS LAB 脑机接口实验室

潜在回路与信息交换

作为博士论文的一部分,我开发了一个简单的计算机程序,它能够以正方形矩阵的格式储存对应脑区及神经核之间的直接连接,这些脑区和神经核构成了控制心血管功能的神经回路。之后我在这个回路里选择了40个最重要的神经核,并确定这40个神经核中哪些是通过只有一个突触的一束轴突或神经进行直接连接的,这样的连接被称为单突触通路。在这个计算机程序40×40的矩阵中,行代表的是神经元引发这类单突触通路的大脑结构,列代表的是接收这些通路的结构。如果4号结构的神经元向38号结构发出了直接的轴突投射,那我就在各自的矩阵位置标上“1”(第4行和第38列的交叉点)。如果38号结构的神经元回应了这个连接,向4号结构发回轴突,我就会在第38行和第4列的交叉点上标上另一个“1”。如果一对神经核之间没有直接连接(例如5号神经核与24号神经核),那么各自的矩阵位置上就会被标上“0”,图1-2为简化示例。

图1-2 利用图论研究连接成对的神经元的通路分布

注:在图中,正方形矩阵表示的是一个大脑回路中直接的单突触连接。在这个矩阵中,1代表成对大脑结构存在一个直接的连接;0代表没有这样的连接。矩阵右边的图形代表的是回路,有数字的圆圈代表大脑结构,箭头代表正方形矩阵中的直接连接信息。柱状图描绘的是连接两个大脑结构(颈动脉压力感受器和小脑)的通路总数,这两个结构之间没有共享的直接单突触连接。X轴代表这些通路的突触数量,Y轴代表已发现的通路数量。注意,在这个例子中,已发现的通路有数百万个。

在建立起这种直接、单突触连接的详细矩阵后,我决定问一个很简单的问题:考虑到所有已知的成对连接,现存的神经通路中究竟有多少能与回路中的任意一对神经核连接起来,而这个回路没有直接的单突触连接?也就是说,信息能否在两个互不相连的神经核之间流动?带着这个问题,我在20台IBM-PC-XT计算机上运行了这个程序,希望能得到答案。我认为这些计算机能找到连接20对大脑结构之一的多突触通路,而这对大脑结构之间没有直接的单突触通路。在程序运行结束后,每台计算机会在一张清单和概要图上打印出可能的通路。

5天后当我回到实验室时,你可以想象我有多震惊。其中10台计算机打印出了一堆堆的资料。10台计算机上运行的程序已经识别出几千个可能的多突触通路,它们连接着彼此不直接对话的成对的大脑结构。更令人吃惊的是,其余10台计算机中,有些还没打印完,而其他电脑已经把纸都打光了。尽管成对神经核之间的直接连接较少,但在没有单突触连接的成对神经核之间存在着几百、几千甚至几百万条潜在的通路,它们共同完成了这些神经核之间的信息交换。

依靠大量相互连接的神经元以及许多对信息进行编码的并行任务处理,人类的大脑成了一种动态系统,其整体远远大于单一部分的总和,这是因为,网络中全部动态的相互作用能够产生复杂的行为模式,即涌现特性(emergent properties)。对单个要素的个体特征进行线性总结无法在一开始就预测出涌现特性。这种极端的非线性行为显著增强了大脑神经网络所引发的生理及行为结果。由几百万甚至几十亿神经元构成的分布式网络会产生涌现特性,比如大脑振荡以及复杂、有节奏的放电模式。这些模式构成了各种正常或病态的功能,其中包括某些睡眠状态和癫痫发作。大脑的涌现特性还会产生一些非常复杂的功能,比如知觉、运动控制、做梦和自我认知。有人认为意识是人类最了不起的天资,而且可能就是神经回路的众多涌现特性中的一个。

涌现特性

网络中全部动态相互作用后所产生的复杂的行为模式。

“观点”从何而来

我提出的有关大脑的新观点不只是强调从单一神经元到神经元群的简单改变。到目前为止,大多数神经生理学理论总会忽略这样一个事实:大脑不会静观事态的发展。相反,它会主动收集有关身体以及周遭世界的信息,不知疲倦、勤勤恳恳地编织着现实、观点、爱以及在生活中时刻存在、有时骄傲有时盲目的偏见(尽管我们并不知道它是从哪里来的)。主动的信息搜寻也就是我所说的“大脑自己的观点”。它是大脑所积累的进化史与个人生活经历的结合,是某个时刻大脑的全局性动态状态,也是身体与外部世界的内在表征。所有这些成分构成了我们最私密的心理存在,并融入到全面而精细的现实中。

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“大脑自己的观点”不仅对我们感知周围复杂的世界的方式具有决定性的影响,也影响着我们的身体意象和存在感。因此,笛卡尔认为大脑只是被动地诠释来自外界的信号,本身并没有事先形成观点的论断,完全经不起实验的检验。事实上,为了实现大脑的巨大潜能,从揭示主宰大脑运作的复杂生理原理,到开发出能恢复被神经疾病破坏的功能,以及大幅度扩展人类探索范围的脑机接口,主流神经科学都必须摒弃20世纪的教条,由衷地接受这一新观点。

加拿大心理学家唐纳德·赫布(Donald O. Hebb)在他1949年出版的著作《行为的组织》(The Organization of Behavior)中提出,细胞集合是神经系统真正的功能单元。作为拉什利的学生,赫布还认为,任何单个神经细胞或通路对于习惯或感知来说,都不是必需的。他还指出:“中枢神经系统的电生理现象表明……大脑在各个方面始终都是活跃的。一个输入的刺激(来自身体之外)必然会被叠加在大脑内部一个已经存在的刺激之上。因此,感觉事件的结果不受预先存在的(大脑)活动的影响几乎是不可能的。”

我认为,大脑的活动源于数十亿单个神经元间动态的相互作用,这种相互作用创造了一个空间与时间可以无缝连接的连续体。正如赫布提出的,在一个正常的动物体内,机体在处理任何输入的感官刺激时,都一定首先会将这个刺激与大脑内在的意向及预期进行对照,这些意向和预期源自对过去类似刺激和甚至并不太类似的刺激的信号及记忆的积累。当周围出现新奇的信息时,有意识主体的大脑被激发起的电反应似乎在很大程度上依赖于大脑当时的内在状态。光速的恒定性决定了为什么要根据宇宙中一对观察对象的运动状态来相对地考虑空间与时间。与之类似,我认为进化历史与个人经历、大脑能够使用的固定的最大能量值,以及神经放电的最大比率都提供了一系列约束条件,它们要求我们的头脑同样应采用时间与空间的相对论。

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关于世界以及我们身体的大多数信息其实是大脑自身发起的探索行为。感知是一个主动的过程,它始于我们的头脑,而非身体的其他某个部分。外部世界只是恰好与这个身体部分发生了接触。通过各种探索行为,大脑会不断参照新的信息来检验自己的观点。

尽管我们常常在指尖上“感觉到”诸如质地、形状和温度等触觉特点,但这些感觉其实只是大脑精心制造的幻觉。在我们的指尖触碰到物体的一瞬间,大脑会收集感觉数据,并将它们通过神经传输回大脑,如果这些感觉与大脑的预期不吻合,它便会产生吃惊和不安感,并对其中的不吻合进行调整。这种感觉就像你把手伸到装面包的袋子里,拿起一片面包,但它又湿又滑,而不是干的、松软的。当我们同时用视觉、听觉、嗅觉和味觉来感知世界时,同样的过程也在进行着。毋庸置疑,这些都是人类的特征,它们是许许多多大脑电反应的结果——我们通常称之为思考。

不过,我们能把“思考”的定义再向前推进一步吗?我相信可以。

BMI洞察 BEYOND BOUNDARIES

大脑实际上是绝佳的模拟器,至少到目前为止我们能够独立地证实这一点。大脑就像忠诚而孜孜不倦的现实塑造者,其主要任务是创造各种对我们人类而言至关重要的行为。从本质上说,这些生理目标可以归结为以下几项,而这几项囊括了中枢神经系统的大多数基本功能:

· 通过被称为体内平衡的全面生理过程来保持身体正常运转;

· 建立并存储关于外部世界、我们的生活以及两者间不断交汇的非常翔实的模型。

· 主动、不间断地探索周围环境,寻找检验和更新这些内部模型的新信息。其中包括从经验中学习,预测未来事件及回报,产生对结果、成本和收益的预期。

从定义上来说,一个好的模拟或模型应该能让它的使用者不断分析并监控各类事件,以此预测未来的结果。神经生理学家们付出了大量时间来探索大脑如何保持体内平衡。近年来,有很多关于大脑如何解码感觉信息、运动信息及认知信息的研究。但是在大多数情况下,由于通过实验来研究这些现象很困难,因此研究者避开了非常复杂的行为,这些复杂行为包含在对世界模型的构建与完善中,包含在人类寻求详尽解释的原始、普遍的渴望中,无论解释宇宙、人类的起源以及我们被赐予生命是多么神奇与奥妙。这些渴望通常被留给了宗教。然而,同样是这些复杂的行为,也赋予了人类强烈的好奇心。这是我们关键而独有的特征,它促进了艺术的诞生,也引发了科学的思考。复杂的行为还包括精巧的社交行为与求爱策略。人类使用这些策略来实现各种进化目标,如向后代传递基因,让我们所爱的人、朋友以及其他人牢记我们的观点、梦想、信仰、恐惧与热爱。

到目前为止,你也许会认为我所提出的理论上的转变并没有什么大不了,然而,在200多年有关大脑本质的神经科学理论混战中,这个问题发挥着核心作用。有关大脑作为建模者的观念在神经科学领域之外得到了重要的支持。在英国演化生物学家理查德·道金斯(Richard Dawkins)(3)的经典著作《自私的基因》(The Selfish Gene)中,道金斯支持大脑(特别是人类的大脑)已经进化出非常有益的能力这种观点,这种能力就是创造对现实的精巧模拟。物理学家戴维·多伊奇(David Deutsch)在他的著作《真实世界的脉络》(The Fabric of Reality)中指出:“我们直接感受到的是虚拟的现实,它来自我们无意识的头脑。借助感知数据以及复杂的、与生俱来的或后天获得的解释这些数据的理论,头脑信手拈来地为我们创造了虚拟的现实。”

美国天文学家卡尔·萨根(Carl Sagan)在其著作《宇宙》(Cosmos)中这样写道:“宇宙是所有现在的、曾经有的和未来会出现的事物的集合,对宇宙的沉思令我们激动不已。每当此时,脊背上便有了一种刺痛,那是一段哽咽的声音、一种微弱的感觉,就好像缥缈的记忆从高处掉落,我们知道自己正在接近最伟大的奥秘。”

正如我们已经知道的,这令人敬畏的宇宙只有唯一一种后代能够解读它壮丽的语言,同时产生一系列丰富多彩的感觉,而我们真正的先辈——早已逝去的超新星则从来没有享受过这样的特权。这些天体逐渐燃烧殆尽,它们完全不知道自己的星尘有朝一日会成为一颗存在生命的蓝色行星,而它会围绕一颗位于遥远星系中偏僻角落里的一颗恒星旋转。我们生来就被赋予了充分挥霍有意识的存在的能力,同时悄悄地将许多私密的人生故事印刻在我们的头脑中。

因此,如果说存在什么科学斗争值得我们为之战斗的话,那么它便是神经科学家在过去200年中所卷入的斗争。如果让我选择支持一方的话,我会毫不犹豫地说:“正如25年前巴西人民所证明的,这场学术纷争的结果将是,支持由数十亿相互连接的神经元所构成的巨大群体的诉求的一方将取得最终的胜利。”