第38章 呢喃低语的大脑

第38章
呢喃低语的大脑

在无数医疗电视剧中都有以下熟悉的场景：躺着的病人头伸进了一台看起来很可怕的医疗设备中，为的是窥探他们的大脑内部。那台机器最经常是核磁共振成像仪，它通过追踪血流来得出大脑的一幅幅精美图像。我遇到的则是一台脑磁图描记仪（MEG）。通过测量我头骨外部出现的磁场，这台巨型机器能测试出到底我有没有大脑，还有这个大脑是不是真的能思考。

我通过了测试，我觉得结果肯定就是这样，但能用科学来证实这一点还是很不错的。

给我做大脑扫描的是神经科学家戴维·珀佩尔（David Poeppel），地点是他位于纽约大学的实验室。MEG与fMRI非常不同，fMRI能绘画出漂亮的图片但时间分辨率却不怎么样，而MEG不能很好地告诉你这些过程在大脑的什么地方发生，但它能以毫秒级的精度分辨出这些事件。

这非常重要，因为我们的大脑是精巧连接构成的多层级系统，需要时间来完成任务。每毫秒可以发生很多个单次神经元事件，但需要数十毫秒的时间，数个这样的事件才能累积足够的强度，让你的大脑突然醒悟：“啊！有些事情正在发生！”——也就是一次意识感知。

在大脑中，思考的大部分艰苦工作都是由神经元完成的。连接它们的是神经胶质细胞，这些细胞为神经元提供支持和保护。神经胶质细胞可能在神经元的相互交流中扮演了某种角色，但大脑中携带信息的信号是由神经元传递的。一个普通的神经元拥有两种类型的附属物：数量众多的树突，它们接收外部的信号，还有轴突，通常只有一个，信号由此发出。神经元的细胞体直径不到十分之一毫米，但轴突的长度可以从一毫米一直到整整一米。当神经元要发出信号时，它“发射”的方式是沿着轴突送出一个电化学信号。这个信号会通过被称为突触的连接点被其他神经元接收。绝大多数突触都由树突和轴突接触而成，但大脑里是一团乱麻，所以其他种类的连接也可能发生。

也就是说，神经元之间互相交流的方式就是一方的轴突将带电分子喷到另一方的树突上。任何一名物理学家都会告诉你，运动的带电粒子会产生磁场。当我的大脑产生一个想法时，这就对应着在神经元之间跳来跳去的带电粒子，这会产生微弱的磁场，延伸到头骨外边一点点的地方。通过探测这些磁场，MEG仪器可以精细确定我的神经元什么时候发射了信号。

珀佩尔和他的同事正在利用这项技术来研究大脑中感知、认知和语言的工作方式。坐在MEG仪这里，我不停听着各种没有意义的电子蜂鸣声，然后技术人员就能追踪我需要花多少时间才能在意识中将听觉信号认知为声音——一连串相互关联的皮层反应需要数十微秒。

令我印象最深刻的东西却平凡得多——这些贴在我头骨上的探测器能够探测到我在思考。我们所说的“思想”直接而明确地联系着我的脑袋里某些带电粒子的运动。这是宇宙运转中一个令人同时感到惊奇和卑微的事实。笛卡儿和伊丽莎白公主对此又会有什么想法呢？

今天没有什么人会否认，思考以某种方式联系着大脑中发生的事情。分歧在于，有些人相信“思考”只是说明大脑内部物理过程的一种方式，而另一些人相信其中还需要一些超出并高于物理的额外因素。对于大脑实际上如何运作，先进行一点自己的思考会非常有益，这能帮助我们理解为什么这个纯粹物理的图景如此具有说服力。

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大脑是由相互联系的神经元组成的网络。我们在第28章曾经简短地提到了复杂结构可能出现的方式，其中微小的单元逐步聚结为越来越大的单元，而且这种聚结保存了所有尺度上的重要结构。大脑就是一个非常好的例子。

对于大脑中发生了什么，传统看法认为编码信息的不是神经元本身，而是它们互相连接的方式。每个神经元都连接着某些神经元，而与其他神经元则没有连接；这就定义了大脑中的网络结构，又被称为大脑的连接组（connectome）。

连接组实际上就是大脑中所有单个神经元的列表，再加上它们之间的所有连接。这个系统复杂度惊人：人类大脑大约包含850亿个神经元，每个都连接着千个以上的其他神经元，所以我们谈到的一共有超过100万亿个连接。要窥探真实的人类大脑并区分所有这些连接可谓难于登天——但有几个正在进行中的神经科学研究项目，它们的目标正是这样。完整地刻画出人类的连接组，这需要大概万亿GB级别的数据量[18]。

每个神经元会搜集来自其他神经元的输入，偶尔也有来自外部世界的输入。给定这些输入，它会决定是否发射信号，这是个二选一的问题，要么发射，要么不发射，但神经元接收的输入可以相当丰富。非常粗略地说，一个神经元每次会花上长达40毫秒的时间去“聆听”它的输入，而每个输入信号的传输都需要1毫秒。这里的信息量很大。10个单独的输入来自好几千个不同的突触，大概就相当于40×2000=80000“比特”的信息，或者说神经元在决定是否发射信号之前可能接收到的输入大概有280000种。而这个决定并不是“如果我接收到的输入信号多于某个合适的值那就发射信号”这么简单。有些信号会增加发射的机会，而另一些会令机会降低，这些信号之间也会以复杂的方式相互作用。

搞清楚人类完整的连接组，这本身远远不足以告诉我们关于人类大脑的思考方式我们想知道的一切。神经元并不是全部一模一样，所以它们的连接方式并不是唯一要知道的事情。科学家已经完整绘制出了一种多细胞生物的连接组，那就是微小的秀丽隐杆线虫（C.elegans），这种扁形动物最普遍的形态有着恰好959个细胞，其中302个是神经元。我们知道所有这些神经元是如何整合在一起的——总共大概有7000个连接——但这没有告诉我们这条线虫在思考什么。这就像是知道高速公路地图，但不知道有什么交通模式。也许终有一天我们能读出这种蠕虫的心思。

人们随着时间变化，而我们的连接组也随着我们变化。连接的强度会演变，因为某些信号的重复发射会增加特定突触以后再次发射信号的机会。突触的强度因应刺激而增强或者削弱，我们相信记忆就是以这种方式形成的。神经精神病学家埃里克·坎德尔（Eric Kandel）是2000年诺贝尔医学奖的共同得奖者之一，获奖理由是对某种生物中记忆形成过程的详尽研究，这种生物就是平平无奇的海蛞蝓。海蛞蝓并不擅长记忆，但坎德尔将它们训练得能够认出某些简单的刺激。然后他证明了这些新记忆与神经元中蛋白质合成的改变有联系，这些改变引起了神经元形状的改变。短期记忆关联的是强度增加的突触，而长期记忆来自被创造出来的全新突触。

最近，神经科学家开始能直接观察小鼠的神经元在它们学会完成新任务时会如何生长和互相连接。令人惊异（或者说不安，取决于你的看法）的是，科学家们同样可以通过弱化特定突触的方式来清除记忆，甚至可以通过利用电极直接刺激单个神经细胞来人工植入虚假记忆。记忆基于物质，它们就在你的大脑里。

连接组就像是世界各国地图。它远远不足以让我们理解国际政治，但了解其中所包含的信息也属于更宏伟任务的一部分。一幅好地图不能让你永不迷路，但它也许能帮你找到回家的路。

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大脑最关键的特性是，它不是单纯的一堆无差别地互相连接起来的神经元组成的乱麻。连接组不仅是一个网络，还是一个带有层次的网络——一组组神经元互相连接在一起，然后这些分组互相连接，如此层层递进，直至组成整个大脑。意识的呢喃低语被反映在大脑的运作之中，那里有不同的心智模块，它们提供输入并被缝合在一起形成我们有觉知的自我。大脑的不同部分各司其职，但只有它们结合在一起，我们才得到一位有意识的人。

有各种证据支持这一观点，有的证据来自对我们失去意识时的研究，比如说当睡眠或者被麻醉时到底发生了什么。举个例子，其中一个研究向患者大脑局部施加了微小的磁刺激。当患者有意识时，这个刺激信号会引发整个大脑的反应；对于无意识的被试者，大脑的反应仅限于靠近初始刺激的有限区域。类似结果的意义远远超出了学术研究：一直以来医生都在寻找一种方法来判别那些被麻醉或者经受大脑损伤的患者是不是真的没有意识，或者他们只是无法移动并与外界交流。

我们说连接组是一个带有层级的网络，实际上就是说它处于最大化连接（每个神经元都与所有别的神经元交流）和最小化连接（每个神经元只跟最近的邻居交流）之间。就我们所知而言，连接组是数学家所说的小世界网络。这个名字来自心理学家斯坦利·米尔格拉姆（Stanley Milgram）著名的六度分隔实验。他发现，在内布拉斯加州奥马哈中随机选取的一个人，通过平均6个亲密程度足以直呼其名的人际关系，就能连接到住在波士顿的某个特定的人。在网络理论中，我们说一个网络拥有小世界性质，当且仅当绝大部分的节点之间都没有直接的连接，但每个节点通过少数几步就能连接到任何一个别的节点。

这就是我们在连接组中发现的现象。神经元倾向于与附近的神经元连接，但也有一些相对跨度更大的连接。小世界网络会出现在许多情景下，包括网站之间的链接、电力网络，还有个人交友网络。这不是什么意外：这种组织方式似乎带来了完成某些任务的最优效率，让信息处理可以在局部完成，而结果能够迅速传播到整个网络。这种结构也不易遭到破坏；去掉几个连接并不会使系统的能力产生明显变化。这非常适合我们大脑里的那些吵吵闹闹的模块。

思考小世界网络的一种方式就是认为它“在所有尺度上都有结构”。它不是一堆神经元简单地聚成一块，而每一块之间又互相连接。应该说，神经元互相连接成一个个小群，小群之间互相连接为更大的群，它们又连接为更大的大群，一直延伸下去。有一些迹象表明，这种布置不仅描述了连接组在空间上的组织分布，还描述了大脑中的信号是如何随着时间来来去去的。微弱的信号产生得相对频繁，中等强度的信号则没那么频繁，而非常强大的信号相对也稀少。

物理学家会说，拥有这种层级行为的系统处于临界点上。这是在相变研究中无处不在的一种现象，因为系统将要从一个相变为另一个相的时候就会处于临界状态。当水沸腾时，会出现很多小气泡，更大的气泡就更少，如此等等。临界现象可以看成无聊的秩序和无用的混乱之间的最佳点。正如神经生理学家丹特·基亚尔沃（Dante Chialvo）所说的那样：“不处于临界的大脑就是一个每分钟做的事情完全相同的大脑，又或者是另一个极端，它是如此混乱，无论在什么情况下做的事情都完全随机。这就是一名白痴的大脑。”

所以说，我们目前拥有的证据表明，无论在空间还是时间上大脑都是复杂系统，它如此组织是为了从复杂度中得到最大的优势。既然大脑在进行复杂任务时表现如此出色，这应该算不上意外。

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我们即使能以无微不至的方式研究大脑，刻画每个神经元，描绘每个连接，也不能说服自己大脑足以解释心智，也就是人类实际的思考。早在第26章，我们就谈到了伊丽莎白公主反对笛卡儿关于非物质灵魂与物质身体相互作用的图景，这种相互作用也许通过松果体完成。尽管这些反对意见很有意思，但在我们能将大脑中发生的事情直接联系到我们作为人类的思考之前，它们不一定就能终结讨论。这些年来，心理学和神经科学正是在这方面取得了巨大的进步。

我们已经看到记忆是在大脑中以物理的形式被编码的。于是，我们来自感官的感知同样是在大脑中被编码的，这也并不出乎意料。在某种粗略的意义上，这显然是正确的，就像我的头部泄露出来的磁场展示的那样。但科学家最近取得了新进展，只需要看看患者的大脑在做什么，就能以相当的精度提取出他们看到的影像。当被试者观看图像或者视频时，利用fMRI影像确定大脑正在发射信号的部分，神经科学家就能构建一个模板，从中可以直接通过fMRI的数据来重构看到的影像，而不需要通过“作弊”去得知被试正在看什么。这不是读心术，至少现在还不是；我们能粗略地表示出人们看到的东西，但这对于他们在脑海里想象的东西不起作用。也许能做到这一点是迟早的事。

所有这些都不一定能说服一位希望相信存在非物质灵魂的坚定笛卡儿二元论者。当然，他们会承认，当我们思考和感知世界时，大脑里发生了某些事情。但这并不是全部。一个人的体验、感知，还有实在的灵魂，这些完全是别的东西。也许大脑就像一台收音机。对它的改装或者损坏会改变它播放的方式，但这不意味着原来的信号是收音机本身创造出来的。

这个想法同样经不起推敲。对收音机的损坏也许会影响我们的收听，让我们更难调到最喜欢的电台。但这不会让电台的音乐从重金属变成柔情的爵士乐。但在另一方面，大脑的损坏可以在根本层面上改变一个人。

考虑一下所谓的替身妄想。患上这种综合征的病人，他们大脑受损部分的功能是连接另外两个部分：与人脸识别有关的颞叶皮层，还有掌管感情和情绪的边沿系统。发生替身妄想的人能够认出认识的人，但不会再感受到之前对他们曾经有过的任何情感联系（这与面孔失认症正好相反，在这种情况下失去的是识别人脸的能力）。

你可以想象这对一个人会有什么影响。有一名被称为“D女士”的患者在74岁高龄患上了替身妄想综合征。她无论在什么时候看见她的丈夫，都能认出这个人是谁，还有各种诉说着“这就是我的丈夫”的心理联想——但她不再感受到任何对他的亲近和爱意，只有漠不关心。但她知道她应该对他怀有感情，所以她的大脑就想出了调和这个矛盾的巧妙方法：这个男人不是真正的丈夫，而是一个长得跟他一样的人在冒名顶替。

D女士不是唯一的案例。在其他许多例子中，人们经受了某种大脑损伤，他们的情绪状态或者人格也因此发生了戏剧性的转变。这并不能毫无疑问地证明心智仅仅是讨论物质大脑中发生事件的一种方式。但这的确应该会使我们对于老式笛卡儿二元论的置信度降低到非常小的值。我们剩下的要么就是物理主义——世界，包括所有人，都是纯粹的有形物质——要么就是某种新奇古怪的非笛卡儿式二元论。要彻底扫除最后的一点，我们需要更深入地思考，作为一个有意识有感知的人到底意味着什么。