爱华网【美国《发现》月刊2007年8月号文章】题：大脑的未解之谜——我们对自己如何思维问题的已知和未知的一切（作者：戴维·伊格尔曼）
在宇宙的所有物体当中，人脑是最复杂的。人脑中的神经细胞多得如同银河系中的恒星。因此无怪乎，尽管有关大脑和智力的科学最近的进展很耀眼，但在一定程度上，我们却仍然在黑暗中眨眼。但是起码，我们已开始了解神经系统科学的重要谜底，并在解开谜底方面着手取得进展。就连有关以下10个问题的部分答案，也能使我们对界定了我们是谁的这3磅左右的灰白物质的认识有所提高。 1.神经活动中，信息是如何编码的？ 神经细胞是大脑的专门细胞，能在自己的细胞外膜上形成短暂的电压增量。这些电脉冲沿着称为轴突的专门延伸部分传播，以使大脑其它部位的化学信号释放出来。这些二元的、一不做、二不休的电压增量看来携带着有关世界的信息：我都看到什么？我饿吗？我向哪个方向转？但是，这些毫秒比特电压的密码是什么？在大脑的不同部位和不同时刻，电压增量可能意味着不同的东西。在中枢神经系统的一些部位（大脑和脊髓）上，电压突增的速度往往与明显可以界定的外部特征相关，譬如存在一种颜色或者一副面孔。而在末梢神经系统中，这种干扰信号的增加则表明热量增加、音量增大，或者肌肉更加强有力的收缩等。 然而，当我们进一步探究大脑内部的时候，就发现神经细胞的集群呈现出更加复杂的现象，譬如记忆力、价值判断、对可能的前景的模拟、求偶的欲望等等。在这里，信号变得难以破译。这个难题就好像人们揭开电脑的外壳，仅仅测量一下少数几只电压高低变化的晶体管，就企图猜测所浏览网页的内容。 很可能的情况是，脑力活动的信息不是存储在单个细胞，而是在细胞集群之中，并呈现在其活动的格局中。然而，目前还不清楚的是，怎样才能知道哪些细胞属于一个特定的集群。更糟糕的是，目前的技术（譬如把微型电极直接置入大脑）不大适合于同时测量几千个神经细胞。哪怕是监测一个神经细胞的各种联系，也并非简单：一般情况下，大脑皮层中的一个神经细胞接收来自大约1万个其它神经细胞的信息。 虽然电压传送的突增能够在大脑中迅速传播信号，但这些电力增量可能并不是神经系统中信息传播的唯一的——甚至不是主要的——途径。一些前瞻性的研究报告考察了其它可能的信使：神经胶质细胞（人们并不十分了解的脑细胞，常见的程度是神经细胞的10倍）、细胞之间的其它种类的信号传播机制（譬如新近发现的气体和肽），以及细胞内部发生的生化倾泻。 2.记忆是如何存储和读取的？ 当大家了解一项新的事实，譬如某人的名字时，你的大脑的结构中就起物理上的变化。但是，我们尚未确切地认识到，这些变化都是什么，它们是如何被精心布置在突触和神经细胞的广袤海洋之中，它们如何体现知识，以及它们是如何在几十年以后被读取的。 使问题复杂化的一个因素是，有许多种记忆。大脑看来对短期记忆（仅仅记住一个电话号码足够长的时间来拨号）和长期记忆（你在上次过生日的时候做了什么）加以区别。在长期记忆范围内，宣示性记忆（譬如姓名和事实）不同于非宣示性记忆（骑自行车、受到一个潜意识信息的影响）。而在这些笼统的类别内部，又有许多亚类型。不同的大脑结构看来支持不同类型的学习和记忆。对大脑的损害可能会导致一个类型的丧失，而又不会干扰其它类型。 尽管如此，在这些记忆类型之中，类似的分子机制可能发挥着作用。有关记忆的几乎所有理论都认为，记忆的存储取决于突触——脑细胞之间的细小的联接。当两个细胞同时活跃时，它们之间的联接就加强；当它们不同时活跃时，联接就削弱。突触的这种变化产生了联想。例如，经验能使咖啡的气味、口味、颜色及其热度的感觉之间的联系得到加强。由于与这些感觉当中的每一种相联系的神经细胞的集群一般都是同时被激活，所以它们之间的联接能使咖啡的气味引发有关咖啡的所有联想。 但是，仅仅研究联想——还有神经细胞之间得到加强的联接——可能不足以解释记忆。有关记忆的了不起的秘诀是，它大多是为事物之间的关系，而不是为事物本身的细节编码。大家记住一曲美妙的音乐，就是为音符之间的关系，而不是为音符本身编码。因此，大家就能很容易地按照一个不同的音调来唱这首歌。 记忆的读取甚至比其存储还要神秘。当我问你是否认识（美国艺术家）亚历克斯·里奇时，答案对你来说立即就很明确。没有任何牢靠的理论可以解释记忆的读取如何这样迅速地发生。此外，读取这一举动还能破坏记忆的稳定性。大家回忆起过去的一件事，这一记忆就暂时容易被消除。最近的一些令人困惑的实验表明，有可能采用化学方法，在这个记忆之窗打开期间阻止记忆重新形成。对由此产生的新的伦理问题，必须加以认真的考虑。 3.大脑中的“底线”活动标志着什么？ 神经系统科学家主要研究的是大脑活动方面的变化。这种活动与我们能在实验室里提供的刺激——譬如一幅图片、触摸或者声音——相关。但大脑在休息时的活动——其“底线”活动——可能会被证明是我们的精神生活的最重要方面。醒着的、正在休息的大脑占用了人体全部氧气的20%，尽管它仅占人体大小的2%。一些“底线”活动可能标志着大脑在背景中对知识结构的调整，对未来状态和事件的模拟，或者对记忆的操纵。我们所关注的大多数事情——回忆、情感、动机和计划等——都能在没有外部刺激和不产生可以衡量的、明确的输出信息的情况下发生。 有关“底线”活动的一个线索来自于神经细胞成像实验。实验结果表明，当人们即将执行一项目标明确的任务时，大脑一些区域的活动减少。无论任务的细节如何，活动减少的区域都保持不变。这表明，在大脑“宕机”期间，这些区域可能运行的是“底线”活动程序，就像只有在别处不需要这些资源的时候，您的电脑才可能会运行磁盘碎片整理程序一样。 按照对知觉的传统看法，来自外部世界的信息涌入人们的感官，在大脑中行进，使人的感官看到、听到和感觉到它。但许多科学家逐渐认为，感官的输入可能仅仅是修正了大脑中正在进行的内部活动。例如请注意，感官的输入对于知觉来说是多余的：你做梦的时候眼睛闭着，却仍然享受着丰富的视觉体验。醒着的状态可能与做梦状态大同小异，仅仅是部分地建立在外来刺激的基础上。按照这一观点，您的有意识的生活就是一场白日梦。 4.大脑如何模拟未来？ 当一位消防队长遇到一场新的火灾时，他迅速地预测把队员分派到什么位置最好。运行有关未来的这种模拟——而又不造成实际尝试会带来的风险和代价——用哲学家卡尔·波普尔的话说，就是使“我们的假想”得以“充当我们的替死鬼。”因此，对可能的未来情况的模拟，是聪明的大脑所投资的十分重要的“生意”之一。 但对于大脑的未来模拟器如何运行，我们知之甚少，因为神经系统科学的传统技术最适合于在大脑的活动和明确的行为，而不是智力模拟之间建立联系。一个想法是，大脑的资源不仅用于处理刺激因素并对其做出反应（看着一只球向你飞来），而且还用于构筑有关外部世界的一个内部模型，并从中提取有关事物的一般趋势的规则（知道球如何在空中移动）。内部模型可能不仅是在接球等肌肉运动中发挥作用，而且还在知觉方面。例如，视觉就利用大脑中存储的大量信息，而不是仅仅依靠从视网膜中输入的信息。神经系统领域的许多科学家近年来都表示，知觉并非简单地凭借通过一个等级体系一点点地积累数据而形成，而是通过使外来的感官数据与内部生成的期望相匹配。 但是，一个系统怎样才能学会就世情做出出色的预测呢？可能的情况是，记忆仅仅是为了这一目的而存在。这并不是一个新的想法：两千年前，亚里士多德和（古希腊生理学家）盖仑就强调，记忆是成功地预测未来方面的一项工具。就连大家对自己生活的记忆也可能会逐渐被当作一个模拟的特殊亚类型来看待，因为它已经是确定无疑的，因而很可能会朝着某一方向流淌。 5.什么是情感？ 我们常说，大脑是信息处理系统。但是，无论怎样解释大脑，只要缺少对情感、动机、恐惧和希望等的描述，就是不完整的。情感是对突出的刺激因素的可衡量的身体反应：伴随着恐惧而出现的心跳加快和出汗增多、当猫在场时一只老鼠吓呆的反应，或者伴随着愤怒而出现的肌肉紧张加重等。另一方面，情绪则是有时伴随着这些过程的主观体验：快乐、妒忌和悲哀等感觉。情感所利用的看来基本上是不知不觉的机制——例如，情感所涉及的大脑部位会对稍纵即逝的愤怒面孔做出反应，即使试验对象没有意识到看到过这张脸也是如此。纵观各种文化，人们的基本情感的表达方式十分相似。正如达尔文所说，纵览所有哺乳动物，情况也很相似。在表示恐惧、愤怒或父母对子女的爱时，甚至人类、爬行动物和鸟类的生理反应，都有很大的相似之处。 现代观点认为，情感是大脑所处的状态，它们迅速地对结果做出评估，并提供一项简单的行动计划。因此，情感可以被看作一种计算、可以据以采取适当行动的一种迅速和自动的概述。当一只熊朝着你冲过来，加剧的恐惧就会指引你的大脑去做该做的事情（确定一条逃跑的路线），而不是做可以做的所有其它事情（比如收起你买菜的菜单）。在知觉问题上，如果眼前出现的是一只蜘蛛，而不是一卷胶带，你发现它的速度就会更快。在记忆领域中，对情感事件的安排有所不同，是按照一个并行不悖的记忆系统，它涉及一个称为扁桃体的大脑部位。 有关情感的神经系统科学的一项目标，就是认识情感的多种紊乱的性质。其中，抑郁症最为常见，代价也最沉重。带有冲动的侵略性和暴力行为也可以被看作情感调节失误的的后果。 6．什么是智力？ 智力呈现为多种形式。但从生物学上讲，智力——在其任何一种外衣掩盖下——意味着什么，还不得而知。亿万个神经细胞如何进行合作，以操纵知识、模拟新颖的情况，并消除无关紧要的信息？当两个概念“巧合”，你突然间明白了一个问题的解决办法，会发生什么事情？当你突然弄清，影片中的杀手实际上就是从未受到怀疑的妻子，你的大脑中会发生什么？聪明的人们存储知识，是否采取一种比较精炼、彼此差异较大的或者比较容易提取的方式？ 在我们大家的成长时期，都相信一种高智能的机器人即将问世的前景。但今天，我们所拥有的东西比起扫地机器人Roomba来没有好到哪里去。是什么出了毛病？有两个阵营可以解释人工智能发展方面很差的业绩：我们要么对大脑功能的基本原理没有充分的了解，要么尚未对一起工作的神经细胞进行充分的模拟。如果情况是后者，就是好消息：计算的成本逐年下降，速度逐年加快，因此我们距离享受拥有科幻小说里所描写的、能够实际料理家务的机器人的生活，理应不是很遥远了。但大多数神经系统科学家都认识到，我们距离这一梦想有多么遥远。目前，我们的机器人的智力只有海参那么高。尽管进行了几十年的智能研究，机器人从背景中辨别出人物的能力仍没有达到婴儿的水平。 构成智力基础的可能不是单一的机制，或者单一的神经系统区域。无论智能是什么，它都处于人类特征的核心。其他物种只能解决特定的问题，而我们进行抽象思维的能力则使我们能够解决无尽的一系列问题。这意味着，对老鼠和猴子智力的研究可能是搞错了家谱。 7.时间在大脑中是如何表示的？ 百码短跑是用枪响，而不是用闪光灯起跑的，因为大家的大脑对响声的反应要比对闪光的反应快。但一俟我们超越身体运动的范畴，进入意识范畴（大家所报告的自己的所见所闻），情况就发生变化。在意识问题上，大脑克服许多困难，以使按照截然不同的速度处理的输入信号实现同步。 比如说，您对着自己打一个榧子。虽然您的听觉系统对响声的处理速度要比视觉系统快30毫秒左右，但您看到手指和听到响声似乎是同时的。您的大脑利用高超的编辑技能来使世界上同时发生的事件在感官的接收方面也是同时的，尽管处理信息的不同感官的显示结果会否定这一点。 关于您的大脑如何与时间玩把戏，一个简单的例子就是在镜子里看一看您的左眼，然后将目光转向右眼。虽然您的眼睛的移动要花费时间，但您却看不到自己眼睛的移动，就好像世界即刻就使一个视角到另一个视角的转移得以实现。而那一刹那的时差哪里去了？就此问题而言，您每次眨眼应当看到的80毫秒的黑暗又哪里去了？归根结底，大家关于时间平稳消逝的观念是大脑构筑的一种结果。澄清大脑通常如何解决时间选择问题会使人洞悉，如果时间的校准出毛病，会发生什么，就像诵读有困难的人们的大脑中可能发生的情况那样。不能保持同步的感官输入信息还促使老年病人摔跤的风险增大。 8.大脑为什么睡觉和做梦？ 我们生命的最令人惊叹的方面之一，就是我们把1/3的时间花在睡眠这个奇怪的世界之中。新生婴儿所花的时间还要多一倍左右。一直醒着呆上一昼夜以上是非常难熬的。在人类当中，神经系统总是醒着会造成精神错乱；被剥夺睡眠达10天的老鼠会死。所有哺乳动物都睡觉；爬行动物和鸟类睡觉；海豚等采用自愿呼吸方法的动物的睡眠方法是，在同一时刻总是使大脑的半部处于休眠状态。虽然生物进化的趋势是明显的，但睡眠的功能并不明确。 尽管睡眠要付出时间的代价，也使睡眠者基本上毫无防备，但睡眠的普遍性显示出其深刻的重要性。没有任何举世公认的答案，但是起码有3项流行的（和非排他性的）猜测。第一项认为，睡眠具有恢复功能，使身体的能量储备得以节省和补充。不过，睡眠期间神经系统十分活跃，表明情况并非仅此而已。第二项理论认为，睡眠使大脑得以运行对搏斗和解决问题等重要行动的模拟，以便将其投入现实世界中的试验。第三项理论——得到的证据最多——认为，睡眠在学习和巩固记忆以及忘掉无关紧要的细节方面，起着十分重要的作用。换言之，睡眠使大脑得以将重要的东西储存起来，而把神经系统中的垃圾倒掉。 人们最近十分关注的是快速眼动睡眠，认为这是锁定记忆、将其转变成长期记忆编码的最重要阶段。在一项研究中，人们训练老鼠，使之在一条跑道上寻觅食物奖赏。研究人员记录了称为“地点细胞”的神经细胞中的活动。以老鼠在跑道上的不同方位为依据，这些细胞显示出截然不同的活动格局。事后，当老鼠进入快速眼动睡眠时，记录继续进行。在这种睡眠期间，老鼠的地点细胞往往会重复与其在跑道上跑动时所见到的一模一样的活动格局。研究人员称，这种关联性十分密切，因而老鼠“做梦”时，便能重演自己在醒着情况下所在的方位——以及老鼠梦到的是自己在跑，还是站立不动。由此得出的想法是，睡眠期间回放的信息可能会决定我们以后记住哪些事件。按照这一观点，睡眠酷似课下的温习阶段。在最近的几项试验中，完成艰巨任务的人类试验对象如果是在接连几天的若干时段完成任务，得分就有所提高，但如果是在同一天的若干时段，情况并非如此。这表明，睡眠影响学习过程。 认识创伤、药物和疾病如何影响睡眠和做梦——以及我们可以如何调节自己的睡眠需要——如同一块肥沃的田野，可以让我们今后获得丰富的线索。 9.大脑的专门系统如何相互融合？ 用肉眼观察，大脑表面的任何部位彼此都并无很大差别。但当我们衡量其活动时，却发现在神经系统的每个区域，都隐藏着不同类型的信息。例如在视觉区域内，不同的部位分别处理运动、边缘、面孔和颜色等。成年人大脑的情形，如同一幅世界各国地图一样四分五裂。 神经系统科学家们对这一图形的分裂状况已经有相当充分的认识，结果使我们面对的是形形色色奇怪的大脑网络，它们涉及嗅觉、饥饿、疼痛、目标确定、温度和未来预测等几百项任务。尽管这些系统的功能各不相同，但它们看来却相互密切合作。对于这种情况如何发生，人们基本上还没有充分地认识。 人们也没有认识到，大脑是如何这样迅速地协调自己的各个系统的。神经细胞电压增量的运行速度（在缺乏称为“髓磷脂”的绝缘保护层的轴突中为每秒1英尺左右）是数字式电脑信号传输速度的万分之一。尽管如此，人类却能几乎是即刻就辨认出一个朋友，而在辨认人的面孔方面，电脑却很慢——通常也不成功。具有如此缓慢的零部件的一个器官如何能够这样快速地运行呢？通常的答案是，大脑是一个并行处理器，同时进行许多项运算。虽然此话基本上的确属实，但是使进行并行处理的电脑速度慢下来的则是运算的下一阶段，就是需要对结果加以比较和做出决断的阶段。在这项工作中，大脑的速度快得惊人。因此，虽然大脑进行并行处理的能力给人留下深刻印象，但是要将这些并行处理结果迅速地合成为单独一项指导行为的输出信息，它在这方面的能力起码是同样重要的。一只奔跑着的动物必须要么左转，要么右转，才能绕过一棵树；它不能两者兼顾。
从解剖学上讲，大脑没有任何特殊的部位，可以让来自不同系统的全部信息都汇聚起来。大脑的各个专门部位而是全都彼此相连，从而形成一个并行和重复连接的网络。我们有关世界的融为一体的图像就是从大脑结构的这一迷宫般的复杂网络中浮现的。出人意料的是，有关大脑中这样的循环式庞大网络的研究一直没有进行——部分原因大概是，人们比较容易把大脑看作整洁的装配线，而不是动态的网络。
10.什么是意识？ 回想一下你的第一次接吻。那次经历可能即刻就会在你脑海里浮现。在你意识到这次接吻之前，对它的记忆何在？在进入你的意识前后，它是如何存储在你的大脑中的？这两种状态之间的差别是什么？ 有关意识的一项解释涉及现代科学尚未解决的重大问题。它可能会被证明并不是一个单一的现象。尽管如此，作为一个预先的目标，让我们把它当作片刻之前大脑中还没有、而早晨醒来时却开始闪光的东西。 神经系统科学家认为，意识之所以从大脑物质之中产生，主要是因为哪怕是你的大脑中十分细微的变化（譬如由于服用药物或者患病）也能给你的主观体验带来强有力的改变。问题的核心在于，我们还不知道如何设计零部件，以使造成的机器具有你我认为理所当然的个人主观体验。假如我把世界上所有的玩意儿都给你，要你将其装配成一架有意识的机器，那么还是祝你好运吧。我们尚不具备解释如何这样做的一项理论。我们甚至不知道这一理论会是什么模样。 有关对意识的研究的传统挑战之一，就是如何采用实验方法来研究它。在任何时刻，大概都有一些神经系统活动过程与意识相关，而另外一些则不相干。首先一项挑战是要确定两者之间的差别。一些聪明的试验起码正在取得微小的进展。。在其中一项试验中，试验对象用一只眼看到一座房子的图像，同时另一只眼看到一头牛的形象。人们不是观察到一种房屋和牛的混合物，而是仅仅观察到两者之一。然后，经过一段任意长度的时光，他们会以为自己看到了另外那件东西。他们会继续缓慢地来回变换立场。但这一视觉刺激却丝毫没有改变；改变的仅仅是意识中的体验。这项试验使研究人员得以探索，神经系统活动的哪些属性与主观体验的变化相关。 构成意识基础的各项机制可能存在于身体各个层次当中的任何一个层次上：分子、细胞、循环系统、路径，或者尚未得到描述的某个组织层次。这些机制也可能是这些层次之间相互作用的产物。一项很有说服力但却仍然是猜测性的观点认为，大脑巨大的反馈循环系统对意识的产生来说至关重要。 在近期内，科学家们正在努力辨别与意识相关的各个大脑区域。然后就是下一步：认识它们彼此如何相互关联。这就是神经系统科学的所谓的棘手问题。解决了它，距离对做人的体验做出物质上的解释，就不会很遥远了。
