这样看大脑

日新月异的脑成像技术使我们可以看见心智的内在世界，就像当年X光的发明让我们可以观察肌肉里的骨骼。 有些看起来简单的大脑功能，如产生疼痛，其实比我们想象中更复杂，而有些看起来不可估量的心智过程，却往往机械化得惊人。道德、利他行为、心灵和宗教上的经验、对美的欣赏，甚至爱，过去都被认为是科学研究难以触及的，如今却逐渐显现出其根源和机制，在某些情况下，甚至可以利用技术进行操控。 本书是一本简明易懂的神经科学入门书籍，既能帮助我们理解最古老、最基本的谜团之一：大脑与心智之间的关系，还提供了对人类自身的迷人见解，阐明了为什么我们会做出某些异常行为。书中搭配丰富的图像，带领读者深入我们认知的疆野，窥见瞬息万变的大脑秘密。

著者简介 丽塔·卡特，作家、记者、神经心理学和神经精神病学讲师，长期为英国和美国知名报刊杂志撰稿，并两度因精彩的医学报道而获得医学记者协会（Medical Journalist’s Association）颁发的杰出奖。 译者简介 洪兰，加州大学河滨分校实验心理学博士，曾任教于加州大学河滨分校，目前为认知神经科学研究所所长，译有40余本生物科学和心理学著作。

第1章 逐渐浮现的脑 颅相学初探 假如你把手指头放在颈背，然后往上移，你会在头颅底下摸到一块鼓起来的地方，感觉一下那里。根据颅相学开山祖师弗朗兹·加尔（Franz Gall）的说法，这个鼓起来的地方是“恋爱中心”，也就是“引发性感觉的地方”。假如再把手指往头顶上移3厘米左右，你现在就到了“战斗中心”。 从理论上来说，一个脾气温和、爱好和平的人，应该会发现自己头颅的第二个区域比第一个区域更扁平。但是，假如你头上鼓起来的地方与你的自我感觉不相符，也不要在意，因为加尔定义“恋爱中心”时，找了两位文君新寡、很“情绪化”的妇女，测验她们头皮上最热的地方；而他的“战斗中心”则是观察到“大部分印度人和锡兰人”的那个地方都很小。即使在19世纪初，这种方法也是很可疑的。 无论如何，摸骨都是无稽之谈，因为大脑组织很软，根本不可能影响到颅骨的形状。但是这理论也并非全错。请再摸一下你的头，这次摸头顶，稍稍向前移动，靠近头顶的左侧，那里就是加尔的“快乐器官”。加州大学医学院的外科医生几年前提出报告，他们对一位16岁女孩左脑的这个区域施加了微弱的电流。 这个女孩患有癫痫，该刺激是既定程序的一部分，旨在找出她脑中癫痫发作的导火索，将病变的地方切除。实验中患者是清醒的，微量的电流通过此处时，她开始笑起来。她不只是咧嘴微笑，而是真正心情极佳地开怀大笑。当医生问她什么这么好笑时，她回答道：“你们这些医生排排站真是太好笑了！”医生令电流再次通过，这次女孩突然觉得墙上挂的一张图片非常好笑，尽管画面中是一匹非常普通的马。第三次时，她又被别的理由逗笑。医生似乎发现了大脑制造快乐的地方，并且快乐的产生与实际情境无关。这和加尔在200年前对这个地方的指认无疑纯属巧合，但是他的基本理念，也就是“大脑由许多具有独特功能的模块所组成”的这一点，倒是很有先见之明。 颇有讽刺意味的是，在发现大脑真正的模块之后，颅相学不攻自破。19世纪末期，欧洲的大学里掀起了一股生物精神医学的热潮，许多神经科学家开始采用大脑局部电刺激和动物损伤实验的方法，试图找出大脑各个区域的功能。还有人观察到某些行为与特定大脑区域的损伤有关。这是大脑地图的第一个时代，许多重要的里程碑就是在这个时期完成的，包括神经学家保罗·布罗卡（Paul Broca，1824—1880年）和卡尔·韦尼克（Carl Wernicke，1848—1905年）发现的语言中心。令颅相学家深感尴尬的是，这些区域位于脑的侧边，在耳朵的上面和旁边，而加尔的语言中心却定位在眼睛旁。 布罗卡和韦尼克发现的语言中心，到今天还冠着他们的名字。假如20世纪初的科学家继续寻找大脑的功能区，如今大脑会挤满这些先驱的大名，而不是像初级听觉皮质（primary auditory cortex）、辅助运动区（supplementary motor area，SMA）或初级视觉皮质（V1）等标记新发现脑区的无趣名词了。科学家对大脑功能的兴趣，随着颅相学的衰微而减退，而大脑的模块理论也被“整体活动论”（mass action theory）所取代。这个理论认为，复杂的行为是全部大脑细胞共同工作的结果。 从表面上看，20世纪中叶对任何想用物理方法治疗心理疾病或变态行为的人来说，都是一个很不好的时机。但在当时，精神外科学（psychosurgery）发展迅猛。1935年，葡萄牙里斯本的神经学家埃加斯·莫尼斯（Egas Moniz）听说有一些实验使黑猩猩额叶（frontal lobe）的某些纤维受损，原来有攻击性、很焦虑的黑猩猩在接受脑白质切断术后安静下来，变得很友善。莫尼斯很快把这个手术应用到遭受同样痛苦的人身上，发现果然有效。脑白质切断术［后来演变成更极端的额叶切除术（frontal lobotomy）］迅速成为精神病院的例行疗法。仅在20世纪40年代的美国，就至少有20000名患者接受了手术。 现在回头去看，当时的手术治疗轻率得令人不敢相信。几乎任何一种精神疾病，无论是抑郁症、精神分裂症，还是躁郁症，患者全都被送去做这项手术，却没有人知道究竟是什么引起了不同的症状，以及为什么进行切除就能缓解病情。脑外科医生从一家医院奔向另一家，手术器材就放在汽车后座，在一个上午就可以完成十几台手术。有一位外科医生这样形容自己的技术： “这一点都没有什么了不起，我使用一根医用冰锥，从眼球上方的头骨钻进去，推入大脑后将其旋转，切断一些大脑神经纤维——就这么简单，病人什么感觉都没有。” 很不幸的是，在有些患者身上，这种“没有感觉”的状态一直持续着，形成长期的情绪消沉和奇怪的冷漠。情绪的不敏感使他们觉得自己只有一半是活着的，另一半已经死了。这种手术也并不总能治愈攻击倾向：莫尼斯的事业突然终止了，因为一个被他切除额叶的患者枪击了他。 总体而言，20世纪中叶的额叶切除术的确解除了一些人的痛苦。这比后来造成的痛苦更显著，但还是在医学界引起很大的不安，至今仍有人对精神外科医学抱持怀疑的态度。到了20世纪60年代，有效的精神类药物出现后，针对精神病患者的外科手术基本上就销声匿迹了。 随着我们进入21世纪，这种操弄大脑来改变行为和解除精神痛苦的想法，又悄悄地起死回生了。但是这一次，任何微小的修修补补，都将基于对大脑如何工作的更深入了解。最近发展出来的技术，尤其是功能性脑部扫描，使研究者可以探索活人身上正在工作的大脑。看到大脑工作中的情形，我们便能更深刻地认识心理疾病，以及每天我们所有感受的本质。 以疼痛为例，人们通常以为大脑中一定有一个疼痛中心，与身体各个部位的感觉神经连在一起。事实上通过扫描显示，大脑中根本不存在这样的中心，疼痛主要来自注意力和情绪相关区域的激发。看到引发疼痛的神经活动，我们就会明白，为什么我们在情绪不好时尤其会感到疼痛，或为什么有更紧急的事情吸引了我们的注意力后，我们往往感觉不到痛，哪怕身体已经受到严重的伤害。 有些看起来很简单的大脑功能，如产生疼痛，其实比我们想象中更复杂，而有些看起来不可估量的心智品质，却往往机械化得惊人。道德、利他行为、心灵和宗教上的经验、对美的欣赏，甚至爱，过去均被认为是科学探索难以触及的。这些令人费解的大脑之谜，如今正逐渐显现出它们的心理根源，在有些情况下，甚至可以利用完美放置的电极来进行操控。例如，放置于大脑中的起搏器（pacemaker）可以扭转过去认为是“精神”疾病的抑郁症那无意义的黑暗，而且可以连根拔除曾经没有办法遏制的强迫性念头。假如采用正确的方法刺激大脑恰当的区域，甚至可以产生灵魂出窍或升华的超然感觉。你可以买一顶头盔，戴上后选择“强烈的心灵感应”，它就向你的头颅输送电流去刺激大脑灰质，通过电流的开和关来产生心智体验。这顶头盔乍看上去虽然显得很可疑，但它可是真正的科学研究成果。从20世纪80年代开始，加拿大的神经科学家迈克尔·佩辛格（Michael Persinger）在一系列的实验中发现，中断脑内尤其是颞叶（temporal lobe）周围电流的活动，会令大多数人产生很奇怪的主观心智状态，包括灵魂出窍，以及感到自己身处看不见，但可以感受到的东西之间等。这表示像有趣、紧张、爱、恐惧和亢奋等感觉，可以在没有外界刺激的情况下产生，我们不需要看到喜爱的东西才生出渴望，不需要被人威胁才感到恐惧，也不需要超灵异的鬼怪才觉得恐怖。只要刺激得当，大脑便足以自己产生任何体验了。 那么，大脑是怎么做到的？一团团的神经元（neuron）和像蜘蛛网一样的神经连接怎么可能真的产生这些体验，还可以控制我们的身体呢？我们所有的体验都来自一种大脑细胞，即神经元的电流发射。但是，一个神经元的发放尚不足以引起睡眠中眼皮的跳动，更不要说有意识的感觉了。只有当一个神经元兴奋了它周边的邻居，后者再去兴奋别的神经元时，最终这些活化的模式达到某个复杂度，并且整合到某种程度后，才能产生思想、感受和知觉。 几百万个神经元必须同步活化，才能制造出最微小的思想。即使在最无所事事时，大脑的活动也像万花筒一样，不停地改变、活动——一种与白日梦、自省和沉思相关的默认模式。而当一个人在完成一项很复杂的心智任务，或情绪很强烈时，整个大脑都会兴奋起来。 每个输入的感官刺激都会激活一种新的神经元活化模式，有一些会产生生理上的改变，使它们以记忆的方式被重复。不过，大部分的神经活化模式会在持续几分之几秒后消失，它们短暂接收的刺激也会被抛诸脑后。 留下来的活化模式，随后可能与别的部分形成新的联结（这就是知识），或是互相结合而形成新的概念。理论上，每当某一组相互连接的神经元一起被激活，应该会使大脑产生同样的思想片段、感觉或潜意识的大脑功能。但事实上，大脑的变异性太大，以至于不可能有一模一样的神经活动出现。真实的情况是，神经元的激发模式彼此大同小异，却还是存在细微的差异，我们从来不会体验两次完全相同的感觉。 当大脑对外界刺激起反应时，每时每刻都会产生新的神经活化模式，每一个都拥有其特征。所以脑内的环境就会不停地改变，而大脑又会对这些改变继续产生反应。这就创建了一个能够确保持续变化的反馈回路。 脑内环境中有一部分始终不停地在施压，要去寻找新的刺激，去搜集新的信息，尤其是有关未来事件的新资讯。搜集到的这些信息不仅对未来行动有指引作用，其本身也是一种奖励，因为它激起神经元的反应，这些反应又会产生愉悦的期待。这种对信息的贪求是大脑的基本特质之一，在我们最基本的反应上都有所体现。即使是大脑中负责意识的区域遭到完全破坏的患者，其双眼也会去搜索房间的一切，而且会锁定一个移动的物体，随着它移动。眼球的运动由脑干控制，就像花朵会朝向太阳一样，这也是无意识性的动作。然而，尽管知道这一点，当你被一个明知几乎已经死掉的人的目光追随时，还是会感到很不舒服。 大脑和环境之间的反馈回路是一种卓越的引导操作。利用计算机模拟神经网络的运作方式，科学家发现，假如程序设计成重复执行对生存有利的模式，抛掉不利的部分，那么最简单的神经网络也可以在很短的时间内发展出惊人的复杂性。大脑活动就是以类似的模式在个体中演化的。 这个过程有时候被称作神经达尔文主义（neural Darwinism），保证了对有机生物体生存有利的思想（和行为）会被永远保存下来，而那些无用的则自动消失。这不是一个僵化的系统，大部分的大脑活动模式都与生存无关，但是整体来说，重要的反应通过这种途径构建到人类大脑中。 有些大脑配置是在基因层面构建的。某些特定的大脑激活模式，即使是像语言生成这样相当复杂的过程，仍具有非常强的遗传特性，只有极端不正常的环境才会扭曲它们。又如进行挑错字测验时，大脑的活动模式在一般人身上非常相似，参与实验的十几个人拥有几乎相同的脑部扫描图像。这就是为什么大脑地图研究者有信心说“大脑”如何如何，而不会说“一个大脑”如何如何。 但这并不代表每个人的思想都一样。感谢先天和后天那些复杂且精细的交互作用，没有任何两个大脑是相同的。即使是同卵双胞胎，即使是克隆人，他们的大脑在出生时也已经有所不同，因为在胚胎环境中的一点点差异，就足以影响后来的发展。同卵双胞胎刚出生时大脑皮质就有区别，而结构的差异一定会影响后续功能的发展。实际上，同卵双胞胎的大脑在出生时比后来的差异性更大，说明基因对生命后期的影响比最初更强，所以随着双胞胎不断长大，他们的行为会变得更像。 在胚胎发育的过程中，大脑在形成脊椎的神经管（neural tube）上端发育成球状物。约7周时，就可以看到大脑的主要区块，包括大脑皮质等。待胎儿出生时，神经细胞已经有大约1000亿之多，这也是他们长大以后拥有神经细胞的数量。 不过，这些神经细胞尚未成熟。很多轴突外面还没有包上髓鞘——一层绝缘体，使信号可以快速、正确地传导；另外，神经之间的连接也还很稀疏。所以，此时婴儿大部分的脑还没有功能，尤其是大脑皮质。新生儿的脑成像研究显示，此时只有与身体调节（脑干）、感觉（丘脑）和动作（小脑内部）有关的脑区最活跃。 子宫环境对婴儿大脑功能的设定有重要影响。有毒瘾的母亲生下的婴儿通常一出生就有毒瘾，而在怀孕时常吃咖喱等辛辣食物的母亲，她们的婴儿也更容易接受刺激性食物。这些研究显示，婴儿的味觉在子宫里就会受到母亲血液中残留的食物气味的影响。 子宫中的生命提供了一个研究基因和环境密切合作的好例子。例如，男性胚胎的基因会激发母亲身体在其发育的特定时间点合成一系列激素，包括睾酮（testosterone）等。这些激素在生理上改变了男性胚胎的大脑，使某些区域的生长速度减慢、某些地方则加快。这个作用使胚胎的脑部男性化，产生男性性征。同时，我们常看到的性别差异也由此形成，如女性在语言方面和男性在空间能力方面的优势等。假如男性胚胎在这个阶段没有得到恰当的激素刺激，他的大脑可能会更多地停留在女性脑的状态；而假如女性胚胎接触到大量的雄性激素，她的大脑可能会更偏男性化。 在大脑内部的发育中，神经元彼此比赛寻找伙伴，希望与之连接形成团队，就像在某个疯狂的派对游戏中一样。每个神经细胞必须在大脑中找到自己的位置，如果没有找到，就会死于无情的神经修剪过程，即细胞凋亡（apoptosis）或程序性细胞死亡（programmed cell death）。这种发生在未成熟大脑中的修剪过程，其目的是要加强并优化已经形成的神经连接，使大脑不会被自己的细胞塞得过满。这个“塑身”的过程虽然很重要，但也可能会付出代价。有些被修剪掉的神经连接，很可能是后来被我们视为“天才”的一些直觉技能。例如，“照相机”记忆（eidetic memory）在幼童身上很常见，但是经过几年的大脑修剪后就消失了。 不完全的细胞凋亡或许是通感（synaesthesia）发生的原因，这是一种感觉经验（如看到红色）被错接到另一种感觉经验上（如听到一个声音）的疾病。当一个人体验到其中一种感觉时，另一种感觉也会随之出现。与此相反，如果细胞大规模凋亡、神经过度修剪，切断了太多的神经回路，则可能是唐氏综合征（Down’s syndrome）和孤独症（autism）患者智能不足的原因之一，这也是为什么唐氏患儿长大后比其他人易得阿尔茨海默病（Alzheimer’s disease）的原因。

新版序 迎向心智的十年 前 言 探访神奇的新兴领域 第1章 逐渐浮现的脑 第2章 完美的分离 第3章 在表面形态之下 第4章 可以变化的阴晴圆缺 第5章 每个人的独特世界 第6章 跨越演化的鸿沟 第7章 记忆的心智状态 第8章 通往意识的高地