探索脑的奥秘

● 十三五国家重点图书出版规划项目“科学家之梦”丛书之一册。 ● 感觉和认知是分离的两种过程吗？记忆是如何储存和提取的？记忆可以移植吗？意识是什么？阿尔茨海默病的病因何在？创造性和精神分裂症高度相关？人工智能会不会超越人类？意念可以从一个大脑传递至另一个大脑吗？…… ● 神经生理学家杨雄里院士、上海青年科技启明星肖晓研究员带你一起探索最前沿的脑科学问题。

近年来科学家对大脑奥秘的探索取得了飞速的进步，同时也面临着强劲的挑战。本书的两位作者在神经科学领域有多年工作经验，基于对这一领域发展趋势的分析，扼要介绍了其中的几个重要分支——感知、记忆、意识研究的现状和进展，由此引出若干重要问题的讨论，如感知机制的新认识对哲学观念的深刻影响、对记忆痕迹研究的曲折道路引出的启示、世界之结——意识探究的困难，也指出了明日脑科学的主题将是破译心智活动的本质。本书还以相当的篇幅，讨论了公众关心的脑疾患诊治、类脑人工智能、脑机接口等对社会有深远影响的重大话题。

杨雄里，复旦大学教授，脑科学研究院学术委员会主任，《辞海》副主编。1963年毕业于上海科技大学，1980～1982年在日本国立生理学研究所进修期间，获日本学术博士学位。1985～1987年先后在美国哈佛大学和贝勒医学院工作。1991年当选中国科学院学部委员(院士)，2006年当选第三世界科学院院士。长期从事神经科学研究，特别是视网膜神经机制的研究，取得了若干重要成果，曾获中科院、教育部、上海市自然科学一等奖，被评为上海市科技精英。曾任中国科学院上海生理研究所所长、中国生理学会理事长、《生理学报》主编、Progress in Retinal and Eye Research等国际学术杂志编委等。主持过多项重量神经科学科研项目(973项目、国家自然科学基金委重大项目等)。

前言 / 001
第1章 科学的终极疆域 / 005
第2章 感知的本质 / 017
第3章 记忆之谜 / 033
第4章 意识——世界之结 / 043
第5章 脑疾病症结 / 056
第6章 人类智能vs人工智能 / 067
第7章 脑机接口——变科幻为现实 / 081
第8章 启示和思考 / 092
名词解释 / 105
参考文献 / 115
图片来源 / 121

     第1章 科学的终极疆域 我有时会突发异想：如果没有人类的大脑，地球世界将会是何等模样？虽然我们可以肆意想象，却无法对谁也没有经历过的那样的世界作清晰的描述，但能够肯定的是，世界不会像今天那么精彩，这显然是因为这个世界所有出彩之处缘于有了人类的大脑。如果没有大脑，即使有出彩之处，也不可能被欣赏，当然也就无精彩可言。在当今的世界中，绝大多数人都会同意，大脑是人类认识客观世界的主体，现在，科学家要用这个认识主体来认识大脑本身，这种自我指涉（self-referential）的研究所界定的岂非科学的终极疆域吗？当我们终于把认识主体也搞得一清二楚的时候，难道不意味着科学的帷幕正在缓缓降下吗？当然我们不相信这一天会到来，因为这个终极疆域的开拓不会有边界，因此对大脑的研究将永无止境。① 大脑的各种功能，特别是精神行为，是大脑的某个特殊区域的活动（细胞连接论），还是整个大脑活动在某种特定情况下的体现（集合场论），曾有过长期的争论。经过一个多世纪的研究，逐步达成了共识：大脑的不同区域具有功能上的分工，即存在着功能定位（如视区、听区等），布罗德曼（Brodmann）大脑皮层功能区（图1.1）的划分基本上是正确的，而基于失语症患者生前言语障碍特点的分析，结合其去世后的解剖学观察，确定的语言区的定位，可以说是早期脑研究在宏观层面取得的代表性研究成果。需要指出的是，由于神经信号的串行性和平行性加工，大脑的功能定位通常比传统意义上的更宽泛，所谓的功能定位只是在相对意义上才成立。至于高级的精神性活动（如语言、思维、意识、认知、情绪等），无疑将涉及多个脑区。 宏观层面的研究着眼于新现象的描述和解释，一般不涉及机制的分析。随着研究的深入，也由于实验技术的不断进步和发展，微观层面的研究开始崭露头角，并迅速发展起来。特别是20世纪60年代细胞生物学和分子生物学的崛起，为脑科学提供了新的理论和实验手段，从而使微观层面的研究在整个脑科学的发展中长期起着主导的作用。脑科学（神经科学）的以下若干重要分支的研究进展给人印象深刻。 1.神经元学说和神经科学的两个基本原理 确认神经细胞（神经元）是神经系统的基本组构单元，这些结构独立、边界清晰的神经细胞，经连接点（突触）构成神经网络。确立了两个重要原理：①动态极化原理：信号在神经细胞沿特定方向流动（树突胞体-轴突）；②连接特异性原理：神经细胞间的连接高度有序，而且具有特异性，并非杂乱无章。 2.神经信号的产生和传递 确认绝大多数神经细胞均以产生的电脉冲群（动作电位）作为传递信息的信号。阐明了动作电位的产生以及沿神经纤维传导的规律和离子机制。 3.突触传递 阐明了神经信号通过突触传递的机制，即神经递质如何从突触前终末释放，作用于突触后受体，引起一系列反应。神经信号在通过突触传递的过程中，受到各种形式的调制。 4.不同脑区信息处理机制 在若干脑区（视皮层、海马、嗅球、小脑等），通过对各类神经细胞的形态特征和功能特性的相关分析，了解了有关神经信息处理的特点，以及这些特点的生理意义。 5.学习记忆机制 通过对低等动物模型的分析，提出了学习记忆所遵循的基本原理。对高等动物记忆机制也形成了总体框架。 6.感觉信息处理和运动机制 相当清晰地认识了大脑对机体各种感觉信息的处理、加工，以及对机体各种运动的控制。 7.遗传因素的影响 遗传因素对神经系统功能的巨大影响逐渐被揭示，引起了人们的高度重视。 8.脑疾病的诊治 对脑和神经系统疾病的病因和发病机制有了一定程度的了解，诊断和治疗手段日益进步。 这些令人瞩目的进展向人们展示了一幅关于神经活动及其机制的崭新画面，深刻地阐释了神经活动的本质。在我们看来，直到今天这个层面上的研究仍然主导着脑科学的发展。 这种微观层面，即细胞和分子层面上的研究，就其本质而言，属于哲学上还原论的分析方式。按照这种观点，复杂的系统、事物、现象，可以将其化解成多个组分来加以理解和描述。这种观点有合理、正确的一面，即脑的活动基础确实可归结为一系列细胞和分子水平上发生的事件，因此，这样类型的研究当然是必要的。然而，单纯进行这方面的研究是跛足的，这就好像研究羽毛的特性，不可能接近了解鸟是如何飞行的一样。当不同的分子组成神经元后，神经元的特性不再是各组成分子特性简单的总和，为了解释细胞的功能，必须考虑到所组成细胞的新特性。当不同种类神经元经过突触组成神经环路后，情况也类似。因此，试图通过细胞分子层面上的分析来推演脑活动的规律和机制，有其本质上的局限性，必须十分谨慎。 P5-9