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    4内容简介

    电子工业出版社与美国科学与公众协会(The Society for Science

    the Public)及其出版的《科学新闻》杂志(Science News)倾力合作，陆续推出“科学新探索”丛书，《人体与大脑》正是该丛书的第八本书。

    本书介绍了人类科学家对人体与大脑众多未解之谜的不断探索，让我们

    用新的视角来看待和认识日常生活中一些最基本的能力和问题。

    《人体与大脑》一书的文章均选自近几年《科学新闻》杂志中尤为

    精彩、受读者欢迎且值得阅读的文章。《科学新闻》杂志是美国专业、全面、及时的科学新闻来源之一。

    5Copyright ? 2016, Society for Science the Public

    This edition is published by arrangement with the Society for Science

    the Public, a non-profit organization based in Washington, D.C, U.S.A.

    Simplified Chinese edition copyright ? 2018, Publishing House of

    Electronics Industry

    All rights reserved.

    本书由电子工业出版社独家出版发行。未经书面许可，不得以任何

    方式抄袭、复制或节录本书中的任何内容。

    图书在版编目(CIP)数据

    人体与大脑美国《科学新闻》杂志社编著；王洁，马晓明译.—北

    京：电子工业出版社，2018.3

    (科学新探索)

    ISBN 978-7-121-33363-7

    Ⅰ.①人… Ⅱ.①美…②王…③马… Ⅲ.①人体-普及读物②大脑

    -普及读物 Ⅳ.①R32-49②R338.2-49

    中国版本图书馆CIP数据核字(2017)第321950号

    策划编辑：郭景瑶 张 昭

    责任编辑：雷洪勤

    印 刷：

    装 订：

    出版发行：电子工业出版社

    北京市海淀区万寿路173信箱 邮编：100036

    开 本：720×1000 116 印张：18.25 字数：338千字

    版 次：2018年3月第1版

    印 次：2018年3月第1次印刷

    定 价：78.00元

    6

    88254888。

    书店售缺，请与本社发行部联系，联系及邮购电话：(010)

    凡所购买电子工业出版社图书有缺损问题，请向购买书店调换。若质量投诉请发邮件至zlts@phei.com.cn，盗版侵权举报请发邮件至

    dbqq@phei.com.cn。

    本书咨询联系方式：(010)88254210，influence@phei.com.cn，微

    信号：yingxianglibook。

    7

    8

    归根到底，此间的关系错综复杂，并不是一条单行线。

    卡路里的量。这只是身体和大脑之间来回往复、不断互动的例子之一。

    脑。某些食物会影响某些脑区，会让我们更饥饿、更冲动、更难注意到

    机。比如说，第六章的一个故事，讲述了我们的饮食如何影响我们的大

    但我们大脑并非一直都掌控全局。有时候，是我们的身体来当司

    电子装置，给瘫痪的人带来自由。

    忆能力，应激和成瘾问题等，甚至还有一些方法来利用大脑通信，控制

    的视角来看待认识日常生活中一些最基本的能力和问题，比如睡眠和记

    对于神经连接更深刻的理解，可能也会产生新的洞见，让我们用新

    和帕金森这样的疾病……

    痛之苦，学习新技能还是失去旧技能，优雅地老去还是罹患阿尔茨海默

    者弱连接至关重要，意味着不同的生命质量：从疼痛中复原还是饱受疼

    谱。这不仅仅关乎大脑的脑区，更关乎那些脑区之间的连接。强连接或

    开发全新的工具和技术，来绘制标示出各个神经元之间各种关联的图

    近年来，大脑里的连接格外受人关注，有不少神经科学家团队都在

    的。

    大胆的想法，其表明意识可能是从大脑里丰富的信息之间的关联中形成

    红苹果的图片是在什么时候进入意识的。本书的第一章探讨了最新、最

    例来说，另有一些新的研究，追踪了外界对大脑的刺激，来确定明亮的

    再到睡熟——研究人员剥离出意识表现，把其作为一种神经学现象。举

    把其纳入研究视野。观察不同状态下的大脑——从完全清醒，到麻醉，的问题所困扰，但科学家们直到最近才终于承认这个题目的合理性，才

    意识就是个大大的未解之谜。虽然哲学家们长期以来都被自我觉知

    古怪问题，并加深了对未解之谜的了解。

    找新的方式让大脑成为更好的“司机”，在这个过程中，他们发现了新的

    病和衰老等问题的认识一直在加深，不断取得重要进展。研究人员在寻

    谜。神经科学家们对指引我们行为的神经回路、外伤造成的脑损伤、疾

    指引着我们的反应。尽管科学家们对大脑所知不少，但还有许多未解之

    ——大脑。如果身体是汽车，那么大脑就是司机，掌控着我们的行动，我们是谁？这个问题很大程度上取决于我们头部这三磅重的器官

    序言·PREFACE美国《科学新闻》杂志社(Science News)

    2017年11月

    9美国科学与公众协会(The Society for

    Science the Public)介绍

    美国科学与公众协会(The Society for Science the Public)是美国

    历史悠久的非营利机构之一，致力于鼓励公众参与科学研究和科学教

    育。美国科学与公众协会成立于1921 年，总部设在华盛顿特区，实施

    会员制。作为倡导公众了解科学、重视科学的前沿阵地，协会始终坚持

    传播科学在人类进步过程中所起到的重要作用。

    美国科学与公众协会以“传播知识、教育公众、启迪智慧”为宗旨，发起了众多备受赞誉的教育类竞赛，比如英特尔少年科学天才奖、英特

    尔国际科学与工程大奖赛、博通MASTERS?

    国际中学生科学与工程设计

    竞赛。此外，协会出版的《科学新闻》杂志(Science News)和《科学

    新闻(学生版)》杂志(Science News for Students)也屡获大奖。协会

    拥有近9 万订阅会员，网站每年吸引1500 万用户，拥有近400 万社交媒

    体粉丝，以及5 万名参加过科教竞赛的选手。不仅如此，协会还得到了

    众多慈善人士、一流公司和基金会以及其他机构的鼎力相助。

    如果您想了解美国科学与公众协会的更多信息，请访问其官方网站

    societyforscience.org，也可以在脸谱网(Facebook)或推特(Twitter)

    上加关注。

    10美国《科学新闻》杂志(Science News)

    介绍

    美国《科学新闻》杂志(Science News)由非营利机构美国科学与

    公众协会(The Society for Science the Public)出版，出版地为华盛顿

    特区。纸质版《科学新闻》杂志(Science News)为双周刊，同时开通

    了的新闻网站 (www.ScienceNews.org)。

    纸质版《科学新闻》杂志拥有超过 9.3 万的付费订阅者，网站年独

    立访问量高达 1200 万。此外，《科学新闻》杂志在社交媒体上也十分

    活跃，拥有 220 万脸谱网粉丝和 150 万推特粉丝。

    《科学新闻》杂志已有 94 年的历史，一直致力于为公众提供值得

    信赖的科学信息。1922 年，报纸出版人爱德华·W.斯克里普斯(Edward

    W.Scripps)创办了《科学新闻》杂志，最初名为Science News-letter，这是美国第一份旨在为公众提供客观严谨的科学新闻的出版物。如今，《科学新闻》杂志的使命依然没有改变，始终以“传播育人”为己任，继

    续将各个科学领域的重要发现传递给公众。

    《科学新闻》杂志由顶尖的团队撰写、编辑和设计，面向科学爱好

    者、希望更深了解前沿科学成果的学者，以及时刻关注其他领域发展的

    科学家。

    《科学新闻》杂志多年来屡获大奖：

    ●由美国杂志Folio 主办的“埃迪和奥兹奖”(2013，2014，2015)

    ●华盛顿科学作家协会“新闻摘要奖”(2012，2013，2014，2015)

    ●威比奖 (2014)

    ●美国物理联合会“科学传播奖”(2013，2014，2015)

    ●美国环境记者协会“ 戴维·施托尔贝格功勋奖 ”(2012)

    ●美国气象学会“大气及相关科学杰出新闻奖”(2009，2013)

    ●科维理美国科学发展协会“儿童科学新闻奖” (2009)

    11目 录

    美国科学与公众协会(The Society for Science the

    Public)介绍

    Know Thyself: Neural Activity, Brain and

    Consciousness

    12

    向大脑进军

    人类大脑组计划

    编制神经连接的目录

    大脑区域解决道德困境

    在猴子身上发现神秘神经元，这有助于揭开意识之谜

    信息聚合

    意识形成

    作为象征符号的自我

    意识的标志

    也许意识终有一天会理解自身

    I 认识自我：神经活动、大脑和意识

    美国《科学新闻》杂志(Science News)介绍

    序言·PREFACE

    内容简介

    静息状态的大脑有助于了解帕金森症和阿尔茨海默症

    之谜

    13

    III 幻觉之渊：毒品和成瘾

    健忘症：记忆扰乱了大脑

    治疗阿尔茨海默症的新靶点

    中枢出错，大脑发病

    阿尔茨海默症也许是“朊病毒”蛋白的作品

    冥思苦想会让大脑变重

    睡眠增强大脑连接

    失眠削弱意志

    大脑的排污系统现身了

    睡眠有助于大脑清除垃圾

    失眠让大脑兴奋

    年龄，经验重构成年大脑的连接

    松开枷锁，放飞大脑

    Youthful Possibilities: Plasticity, Sleep and Memory

    II 青春的梦：可塑性、睡眠和记忆

    环球神经实验室

    把大脑看穿

    一个闪光的念头

    新的图谱揭开了大脑生长及网络的神秘面纱

    Where We will Go: Human-computer Interactions

    Create the Future

    14

    女子用思想控制机器臂喝咖啡

    IV 往何处去：开创未来的人机融合技术

    禁烟法令降低了心脏病发病率

    禁烟令降低了早产率

    科学统计

    千杯不醉的大鼠

    新陈代谢适应了饮酒

    老年人的药物滥用率上升

    有些大脑，可能为受疼而生

    致幻药会“冻结”大脑

    可卡因成瘾真相大白

    “浴盐”可以降低大脑的连接性

    激素阻断大麻的效应

    频繁使用大麻会影响多巴胺应答

    大麻不损伤肺功能

    日光浴可增加身体和大脑里的内啡肽

    黑化学制毒

    成瘾悖论：药物依赖的两面性

    Drugs and Addictions

    15

    大脑防粘有妙招

    没新药了

    DSM-5面世起风波

    越少疼痛，越长寿命

    疼痛阻滞剂

    光照大脑，改变动物行为

    脑刺激帮助自闭症男童更好地生活

    可帮助自闭症患儿的疗法

    与世界失联

    活体大脑中显露出头部创伤的影响

    肌肉可以制造天然的抗抑郁剂

    位移：恐惧记忆的大脑之行

    生物钟与抑郁有关

    孕期妈妈的压力会改变宝宝

    严重的压力让身体发炎

    困境压垮精神

    Mental Illnesses in this Era

    V 这个时代的精神病

    大脑黑客

    心动到行动抗精神病药物需要累积

    VI 食欲背后：肥胖、饮食与健康

    Behind the Appetite: Obesity, Diet and Health

    肥胖研究的分量越来越重了

    食物耍花招

    零热量汽水欺骗大脑

    甜甜的困惑

    身体在燃烧

    大脑厌食了

    治疗肥胖的新靶点

    糖尿病人瘦未必好

    早产与孕前饮食有关

    自闭症与肥胖症母亲有关

    减肥可降低癌症风险

    16I 认识自我：神经活动、大脑和意识

    Know Thyself: Neural Activity, Brain and

    Consciousness

    也许意识终有一天会理解自身

    汤姆·齐格弗里德

    人类大脑非常善于理解问题，除了它本身。

    能够进行精巧推理的大脑肯定会很复杂——以至于需要更精细的大

    脑去理解其是如何工作的。但要理解更精细的大脑，也会更加艰难。大

    脑越来越聪明，因而也越来越复杂，要解释其是如何工作的，就变得更

    加困难了。人类大脑是奇妙的构造，只是没有奇妙到足以解释其一切奇

    妙的能力而已。

    17

    人们一般称其为知觉。

    久地感受到自身？其如何产生自我意识感(乃是对自我意识的意识)，了。但是仔细分析这些机制，并不能让科学家说出为什么这台机器能持

    细胞机制是思想、学习和记忆，甚至情感的基础，已经被详细地阐述过

    实际上，人类大脑对其如何工作的已经有很多理解了。很多分子和

    图片权利和来源(IMAGE CREDIT)：Jim Webb几千年来，哲学家们已经把握了意识，试着去分辨心灵和身体之间

    的差异，或者去说明，这样的差异，乃是幻觉。但是只有在这个千年，科学家才利用坚实的科学数据，以一种严肃的方式参与了这些论辩。

    从这点出发，劳拉·桑德斯(Laura Sanders)探讨了意识研究，他用

    三篇系列文章，描述了人们为揭开头脑的神秘面纱而做的努力。长期以

    来，被神经科学家视为禁忌的意识话题，最终进入了科学探索的合法区

    域。研究结果开始积累，而理论家对意识的解释，开始从哲学思索转向

    定量的概念和方程。

    建立意识理论的一条共同的主线，就是信息的作用。利用信息论的

    数学，科学家已经开始掌握了意识测量的方法，让其更易于鉴别，也许

    会在某一天，创造一个非生物的信息加工系统。有意识的计算机——这

    种前景，可能会吓到电影《终结者》的粉丝(或者，年纪稍长的，可能

    会是《巨人：福宾计划》的粉丝)。尽管如此，如果能看到一台有意识

    的机器，能理解自己是如何工作的，将会是件很有意思的事。

    18

    19

    循环。新的实验结果已经在引导意识的概念的理论发展，其本身已经做

    从这些工作中积累而来的知识，能把研究人员带入一种丰富的发展

    些问题，利用美好的、古老的科学手段，设法来扫清迷雾。”

    Koch)说，“过去是一团迷雾，但现在我们能用实验方法来动手解决这

    Brain Science in Seattle)的神经科学家克里斯托夫·科赫(Christof 州理工学院(Caltech)和西雅图艾伦脑科学研究所(Allen Institute for “你并非注定就行走在那只有哲学和猜测的认识论的迷雾之中，”加

    据的有意义的讨论。

    远远地超越了他们的直觉，这让关于意识本质的讨论第一次成为基于证

    那种说顽皮话带来的兴奋感了。数据洪流涤荡着脑科学家们的头脑，这

    今天，对很多科学家来说，意识研究已经成为一种热情，不仅仅是

    员开发出了方法，利用仪器向内探究，来研究这些特别的东西。

    在猜测意识是什么，却没有掌握实际的数据。尽管一段时间后，研究人

    不清的：就像孩子模仿大人说脏话，但不知道这些话的意思。科学家们

    低级话语而发生改变。最初，这些讨论撩起人们的好奇心，但却是模糊

    到了20世纪末，人们的看法随着某些受人尊敬的科学家开始大声说

    到文雅的科学界的轻蔑。

    学沉思，但始终处于真正的科学之外。低声说低级话语(C-word)，受

    长期以来，这个特别的问题被认为是低级趣味，人们会对其进行哲

    们如何创造心灵——乃是科学界面临的最终的主要挑战之一。

    但与此同时，人们对意识也是全然陌生的。解码大脑的秘密图谋——它

    虽然对被意识掌控的人们来说，某种程度上，其对意识非常熟悉，学见解和伟大的成绩成为可能的特质，却依然很神秘：意识。

    星系，还有显微镜，能照亮单个原子的轮廓。但是让这些光芒万丈的科

    上？人类已经设计并建造出巨大的望远镜，可以看见几十亿光年之外的

    么太阳普照？人类如何从单细胞生命进化而来？为什么苹果会落到地

    人类最敏锐的心灵，已经理解了大自然的某些最深刻的秘密。为什

    劳拉·桑德斯

    大脑的特征性活动引导科学家接近意识的宝座

    意识的标志

    20

    “不但丘脑本身受牵连，甚至它的连接——输送神经信号的白质束

    脑萎缩的现象。

    志》(Journal of Neurotrauma)发表过一个研究，发现植物人身上有丘

    了可能承载意识的宝座的头号嫌犯。举个例子，2010年《神经创伤杂

    这些强连接，连同从植物人状态的病人身上得到的证据，让丘脑成

    皮质上的正确的区域连接到一起。

    后，就沿着特殊的神经纤维发射信号，把正确的信号和大脑布满褶皱的

    进入大脑的第一站。丘脑就像一位接线员，收集到来自特定感官的信息

    忙的“大忙人”，这个位置很完美。这是眼睛、耳朵、舌头和皮肤的刺激

    丘脑由两个知更鸟蛋状的结构组成，居于脑干上方要充当大脑中最

    是大脑的外层，思想就在这里形成，但丘脑损坏了。

    现了令人惊讶的消息：昆兰的大脑皮质，似乎相对完整，未受损伤，这

    入无反应、无意识的植物人状态达十年之久。她最终自然死亡，尸检发

    年，21岁的凯伦·安·昆兰(Karen Ann Quinlan)心脏病发作，这让她陷

    严重受损的丘脑成了美国第一例主张死亡权利的斗争的核心。1975

    活动枢纽

    构。关键可能在于大脑里数万亿连接的精细复杂的涨落起伏。

    区域和信号的协作，而不是某个特殊的动作，或是某个统领全局的脑结

    号，当大脑察觉到外界的事物时，就会产生电信号。但意识有赖于很多

    不息的神经信息。其他有关意识的线索来自大脑所产生的特殊的电信

    大脑深处的中枢，这个中枢被称为丘脑，这个结构负责发送并接收川流

    仔细研究与这类意识水平相应的大脑变化，促使某些科学家去探究

    平升高或降低的调节开关。

    其他人在研究麻醉甚至昏迷状态下的熟睡的大脑，寻找能让整体意识水

    变。”威斯康星麦迪逊大学的朱利奥·托诺尼(Giulio Tononi)说。他和

    “在寻找这些关键要素的过程中，我们决定去研究重大的意识改

    一个意识清醒的大脑所需的某些关键要素。

    研究人员比较了这类大脑和其他不同的知觉状态的大脑，鉴别出了

    能构筑体验的大脑，可以说是完全有意识的。

    上熟睡之时会失去、你早上清醒之时会得到的东西。一个完全清醒并且

    虽然精细的定义依然晦涩难懂，不过用简单的话说，意识就是你晚

    是否会拥有意识的问题。

    的见解可以回答很多问题，比如动物，或是互联网，或是下一代iPhone

    出一些预测，而且可以用更精确的试验来检验这些预测。最终，这些新

    21

    在像记忆、注意力，聆听声音或是看见物体这样的心理过程中，都

    一点。

    波——比如说那些被认为是极度专注或者说注意力的标志的波——要慢

    复合电活动生成。γ波在大脑里传递，速率大约为40赫兹每秒；其他脑

    注。这些脑波有时候是从丘脑扩散而出的，由行为相似的神经细胞群的

    是丘脑本身。在这样的波动里，一个被称为γ波的电信号得到了很多关

    有些研究人员关注的是皮质上起伏波动的长距离扩散的脑波，而不

    读波

    人有意识，但丘脑不会让意识产生。

    你，得拿件外套穿，但事实上不会让天气变凉；丘脑可以告诉你，这个

    丘脑可能是作为意识的测量仪，而非传动器。同样，温度计能告诉

    者，那么丘脑行为的变化，应该要先于皮质行为的变化。

    定，但丘脑依然正常运作了10分钟左右。如果丘脑是意识的最终裁决

    所暗示的那样。研究的参与者们都处在麻醉状态，皮质的活动并不稳

    为读出器，就像一篇发表在2007年《麻醉学》(Anesthesiology)的报告

    有大量信息从皮质流入，可能意味着丘脑只是个非常灵敏的皮质行

    丘脑，”他说，“ ‘大脑里闲聊’有好多。”

    魂接收来自大脑其他部位的信息。“其实，有更多的连接是从皮质回到

    (Martin Monti)说。一个灵魂接收直接来自外界的信息，而另一个灵

    “丘脑有两个灵魂。”加州大学洛杉矶分校的神经科学家马丁·蒙蒂 杂。

    部位的连接，如蜘蛛网般复错综杂，而它的作用也像那些连接一样复

    但是丘脑在意识中发挥的作用，并不是一目了然的。它与大脑其他

    反应，能活动肌肉，甚至讲话。

    入他的脑中，以刺激丘脑，手术之后，这个人开始对指令做出更一致的

    意识状态的病人偶尔进入或出离意识。医生对他实施了手术，把电极植

    最令人吃惊的一条指向丘脑的证据，来自一位已有六年都处于最低

    量。”

    坏连接，那个人就不会有意识了，永远不会有，不论以什么标准来衡

    个基本的环存在于……丘脑和皮质之间。如果这些连接切断，如果你损

    经科学研究所的神经科学家大卫·埃尔德曼(David Edelman)说，“有一

    “我忍不住想，关于功能回路，有些基本的东西存在，”圣地亚哥神

    年的《神经图像》(Neuro Image)上发表报告说。

    ——在神智不完全清醒的人身上似乎也有功能失调。”研究人员在2011发现过γ波的存在。还有研究发现，快速动眼睡眠(REM)中也有γ波的

    出现，这个阶段的标志是频繁做梦。

    这种关联使得某些研究人员提出，γ波把不相干的情景片段结合到

    一起——舷窗外的阵阵轰鸣，清爽的微风，和黑色的拉布拉多狗的记忆

    ——使之成为一种统一的湖上乘船体验。

    但是某些新的数据发现，信号也会在没有意识的情况下出现，因此

    人们对γ波在意识中的作用产生了疑问。包括托诺尼在内的一组研究人

    员监测了人在麻醉状态下的大脑中的电信号。八位健康人接受了二丙泊

    酚(强效麻醉剂，迈克尔·杰克逊用来睡觉)麻醉，他们在麻醉状态

    下，γ波确实增强了。该团队在去年的《睡眠》(Sleep)杂志中发表了

    报告。显然，虽然意识减弱了，但是γ波持续存在。

    特殊的大脑信号，比如说γ波，可能是意识的重要的表现，但不是

    大脑里主要的驱动力量。“我可以把γ波放进任何机器，”托诺尼说，“但

    这么做，并不会让机器有自主意识。”

    22

    23

    这种恒常的信息流动，创造了意识——而信息流的中断，会破坏意识。

    机，每一个弹珠都沿着规定好的、负责关键任务的路线移动。可能就是

    的模式活跃在大脑各处，就好像是数以万亿的小弹珠，同时掉进弹珠

    为意识的基础的根本不是一种东西，而是一种过程。信息一直都以复杂

    微的见解越来越多，这让一些科学家有了新的怀疑：也许在大脑里，成

    意识清晰的大脑在运行的时候，究竟有哪些要素在参与？对此，精

    的那薄薄的扁平状结构。

    其中包括顶叶和额叶皮质、脑干里的网状激活系统，以及被称为屏状核

    这同样适用于丘脑这样的脑结构，还有科学家们关注的其他脑区，情况下，人看来是觉醒的，有时候甚至能动，但是不能觉知周围的环境。

    知迹象的熟睡。有时候，觉醒和觉知会相互分离，比如说持续的植物人状态。这种

    态下(粗体字)。昏迷或全身麻醉的人，在两项测量上的得分都低，看起来像无觉

    思想的不同层级 典型情况下，觉醒就会有觉知——尤其是在正常的意识状

    图片权利和来源(IMAGE CREDIT)：E.Otwell

    24

    觉的人的大脑里，是一种复杂的、广泛传播的模式持续大约300毫秒。

    就像池塘里的涟漪，来自TMS的反响(reverberation)，在健康的、警

    我们用这个脉冲来敲击大脑，然后我们见到这种敲击是如何传播的。” “基本上，这触发了大脑皮质上的反应链，”马西米尼说，“就像是

    产生的信号进行监测。

    Magnetic Stimulation，TMS)的技术来电击一小块大脑，并用电极对所

    其连接情况。团队想到利用一种被称为经颅磁刺激(Transcranial Massimini)和同事决定直接处理大脑，而不只是观察大脑行为，推测

    意大利米兰大学的托诺尼，马塞洛·马西米尼(Marcello

    一。

    和它的名字一样，可能是麻醉药压制大脑里来回传递的信息的方法之

    取了缓慢的、统一的行为。这种同步性过强(hypersynchrony)的行为

    (Current Biology)上发表了报告。在麻醉药起效的时候，很多脑区采

    心的诺特祖普(Gernot Supp)在2011年12月的《当代生物学》 样违反直觉——也许是同步性的过载，德国汉堡-埃普多夫大学医学中

    是什么导致了这种断开，原因并不清楚。可能的疑凶和其看上去一

    五月的《科学》上发表了这一报告。

    样移动的信息，无法回到最初对音调有响应的听觉区域。该团队在去年

    那里停了下来。和健康人不一样，从皮质上不同部位发出的、像弹珠一

    信号似乎是从大脑的听觉区域传递到皮质上其他区域，但是信号在

    人身上是正常的，如EEG的监测结果所示。

    出现，大脑会有明显的反应。这种初始的大脑反应，在植物人状态的病

    给受试者听一系列的音调，大多数都很相似，但偶尔会有奇特的“怪”调

    妮·波利(Mélanie Boly)和同事发现，植物人也表明有脑连接的中断。

    把植物人状态的病人和健康志愿者做了比较之后，列日大学的梅兰

    碎了。

    告说。特定脑区内部，以及相距遥远的脑区之间的交流，都变得支离破

    步性。”比利时列日大学的杰西卡·施勒夫(Jessica Schrouff)和同事报

    “深度麻醉的时候，有些在正常情况下会协同工作的脑区丧失了同

    解脑区活动：哪个脑区越忙碌，该处的脑血流就越丰富。

    MRI，fMRI)脑扫描仪进行扫描。fMRI是通过测定脑血流来近似地了

    给18位健康志愿者打上麻醉药，用功能性核磁共振成像(functional

    脑扫描。2011年7月发表在《神经图像》上的一个研究报告称，该研究

    寻找信息流中断的信号的一个方法，是在二丙泊酚起效之际进行大

    关键的连接在大脑处在深度睡眠状态的时候这种复杂的表现也会大为简化。这

    个信号在其开始的地方会很快消退，大约150毫秒后信号消失，而不像

    食物色素滴落水中，先搅浑周围然后消失那样，从一种形态变成另一种

    形态。在麻醉的大脑中，也见到了同样简化的模式。

    “要是敲击木头桌子，或者敲击没装东西的空桶，你听到的声音是

    不一样的。而要是敲击健康的有意识的大脑，你会听到一个非常复杂的

    声音。” 马西米尼说。

    马西米尼、托诺尼和同事近来发现植物人状态的病人身上有同样的

    响应受阻的情况。团队测试了五位植物人，五位最低意识状态的病人和

    两位完全有意识但不能活动的病人(这种状态被称为闭锁综合征)。很

    大程度上，闭锁综合征的病人和最低意识状态的病人表现出了复杂且持

    久的大脑信号，和完全有意识的人类似。但是植物人的大脑显示出短暂

    的、停滞的信号，该团队在1月的《大脑》(Brain)上发表了在线报

    告。

    大脑的这种明确差异，终有一天能帮助诊断那些拥有少许意识但是

    不能与医生交流的患者。当研究人员对五位新的病人进行实验，这些病

    人昏迷几个月之后成了植物人，五个人里面有三个恢复了意识。在医生

    看到临床症状改善之前，他们所使用的方法提高了大脑的连接水平。

    马西米尼认为，在这个阶段，在某种程度上，测量的手段很粗糙，但是进一步的改进，可能会让医生更好地评估意识的水平。

    观察大脑里的这些大范围的变化，可能会给那些对意识的含义苦思

    不得其解的科学家提供新的思路。其他的灵感很可能来自科学家在不同

    方面开展的意识研究：大脑是如何利用许许多多的小片段，比如说苹果

    脆甜的口感，落叶的沙沙声以及喜悦之感，来构建完整的经验的。

    “从多个不同的角度来研究意识是最终理解意识的最好的办法。”英

    国伯明顿的赛克勒意识科学中心(Sackler Centre for Consciousness

    Science)的神经科学家阿尼尔·赛斯(Anil Seth)说。

    同样地，既然无法对“生命”做出一种单一的、明确的定义(生长、繁殖或健康的新陈代谢均适用)，那么意识也许原本是很多不同寻常的

    现象的集合，赛斯说：“如果我们能解释意识的不同方面，既然意识在

    宇宙中普遍存在，我希望它开始看起来不那么神秘。”

    25

    26

    虽然已有了这些进步，意识问题依然属于可能永远无法解决的问题之

    位在不同的脑区上；领会了觉知、注意力和主观印象之间细微的差别。

    理解了大脑是如何加工信息的；把伴随有特定的意识认知的神经活动定

    迄今为止，大家对别人的工作都不满意，但是，还是有些进展的：

    释的“对自觉性的觉知”的问题。

    统一，以及科学家和哲学家一直都想了解、争论不休、有时甚至做出解

    过程，是如何以及为何产生主观的持久的身份认同感、自觉性和经验的

    家也仍在继续类似的工作——鉴别构建意识的生物学过程，并解释那些

    家克里斯托夫·科赫，直至今日，仍在继续他们的工作，正如很多科学

    不倦地工作，直到2004年过世。他的合作者，加州理工学院的神经科学

    清楚了。克里克本人花了二十多年的时间，试图解开意识之谜，他孜孜

    实际上，破解意识肯定比描述DNA的动力学要更困难，这已经相当

    清楚。”

    单，”克里克在1998年的一次访谈中说，“大脑里有没有类似的东西还不

    “双螺旋很简单，可追溯到生命的起源，那时候，事情不得不简

    不断加强的结果。

    面，意识则代表了进化的顶点，是千万年来生物化学信息处理的复杂性

    就如我们所知，遗传复制的双螺旋模板标志了进化的开端。而另一方

    题要艰难得多。理解DNA比较容易，因为其在生命的历史上出现较早；

    似于DNA的双螺旋结构解释了遗传机制。但是不久，他就意识到意识问

    最初，克里克相信，解答意识的奥秘会是一种引人注目的洞察，类

    力转向了大脑——具体来说，就是意识之谜。

    四分之一个世纪之后，他觉得是时候试试没走过的路，于是把注意

    奠定了基础。

    与合作者詹姆斯·沃森一起，鉴定出了DNA的分子结构，为现代遗传学

    子基础和大脑的奥秘，他决定先处理生物学上的分子。1953年，克里克

    测试”来选择专业方向的。他注意到自己最喜欢两个话题——遗传的分

    弗朗西斯·克里克(Francis Crick)步入科研生涯时，他是利用“八卦

    汤姆·齐格弗里德

    意识具有循环性，科学家在研究自身时栽了跟头

    作为象征符号的自我

    27

    环。声反馈环产生不了象征符号，只能产生声音。人类的大脑能赋予模

    描述为能够感知其环境模式并赋予非常相似的模式以共同的象征意义的

    但意识不止是一个常规的反馈环路，它是个奇异的环，侯世达把其

    当用来说话的麦克风与扩音器距离过近时，就会发出那种刺耳的声音。

    环。这是个反馈的环路，就像是把低语变成刺耳的尖叫的那样的回路，的东西而来的、一种固定的身份认同，一个 “我”——是某种意义上的循

    说，他本人成了个环，而是指向了个体的观念——随着被人们称为意识

    所以当他把书命名为“我是一个奇异的环”的时候，侯世达并不是

    侯世达而言，数学上的这个“奇异的循环性”类似于人类思想的产生。

    似于著名的埃舍尔的版画——右手画左手，反过来又是左手画右手。对

    里引入了特定的“循环性”(loopiness)。侯世达注意到了一些事情，类

    公式中，然后就变成关于其自身的陈述。这种自我指涉的能力，给数学

    述——本身能用数字来表现。所以你能用数字来描述公式并把数字插入

    特别地，侯世达把握了哥德尔对数学公式的洞见——有关数字的陈

    进入循环

    以捉摸性——所以是关于人类头脑本身的神秘性。”

    论开启了“意味深长的问题，关于推理的本质——所以是关于思想的难

    学深刻地关注逻辑和推理——思想的原材料。侯世达指出，数学上的悖

    在他看来，把头脑和意识比作数学和数字并不那么奇怪。毕竟，数

    算机科学家，他是透过大多数神经科学家并不熟悉的透镜看待意识。

    a Strange Loop)中所阐述的意识观中扮演了中心角色。侯世达是一位计

    (Douglas Hofstadter)2007年出版的新书《我是一个奇异的环》(I Am 自我指涉、反馈回路、悖论和哥德尔的证据，都在侯世达

    知，是自身的自我存在感。试图来解释意识的正是意识本身。

    程度上，意识也有相同的逻辑处境。究其核心，意识是指向自身的觉

    逻辑上得到解决——所以原则上，某些问题是不可能有答案的。在某种

    刻洞察。他说明了，一个指向自身的体系。如何造成悖论，悖论不能在

    哥德尔的证据来自对数学命题的自我指涉性(self referential)的深

    包含有不能在这个系统内证明的真命题。

    证明的，这样的公理系统是不可能的；任何像算术一样复杂的系统，都

    理集合。就像奥地利逻辑学者库尔特·哥德尔(Kurt Go¨del)在80年前所

    那个问题已经被证明是无解的：找到一个自洽的可推导出一切数学的公

    也许，那是因为意识问题本质上与另一个著名的问题类似，事实上

    一。

    28

    的诗歌的意思。

    语的字母表的每个字母(甚至也了解语法规则)，就要告诉你莎士比亚

    信息从这个脑区发送到另一个——没有哪个能解释意识，就好比认识英

    经细胞传导，小分子如何从一个细胞跃迁到另一个，这样的信号如何把

    成其组成部分，是不可能对其进行解释的。简单地描述电荷如何沿着神

    所以知觉系统能把本身象征化——自我指涉的头脑——光靠理解组

    者，两边都顾不上。

    就是真的，只是其不可能为真。自我指涉的语句似乎两边兼顾——或

    那句子为真吗？显然不是，因为它说它不真。可是且慢——那么它

    (This sentence cannot be true)。

    下面的句子就是个哥德尔悖论的典型例子：这个句子不可能为真

    回答的问题和不能解决的难题。

    向公式的数字，表示了有关数字的事实。这种自我指涉机制带来了无法

    为产生这种符号的，乃是用符号所表示的事物本身。就像是哥德尔的指

    经生物学信号，那么其就不会这么难理解了。但是其神秘性增加了，因

    如果意识只是一张地图，一种方便快捷的符号，指向复杂混乱的神

    场里长出了不同的庄稼，红河有时候把州界向俄克拉荷马移动一点点。

    损的，正如得克萨斯依然是得克萨斯，哪怕城市里起了新的摩天楼，农

    长、成熟，在许多细小的方面发生改变，但自我身份认同依然是完好无

    也是很稳定的，尽管微观层次的蛋白和细胞一直都在改变。个体的生

    达拉斯的街道上有个新的坑洼而改变——人类的自我身份认同在一生中

    而正如得克萨斯州的地图几十年来都是非常稳定的——其不会随着

    样。

    物，正如得克萨斯州的地图上不会有青草、尘土、柏油和砖块的信息一

    过程的微观的电化学机制。意识所思索的象征看起来不像是真实的事

    行。我们无从得知神经细胞和神经递质的作用方式，也就是神经生物学

    幻影。”侯世达写道。这种自生的自我的符号，只能在象征的层面运

    时，意识就产生了。那个符号就是自我，那个我，意识。“你和我都是

    当具有这种能力的系统创造出高水平的符号，并能产生象征的符号

    能力，因而借着一个奇异的环，自己转回原处吞没自身。”

    含有这些象征符号的大量的指令系统，赋予其“表示无限复杂的现象的

    归类为所谓的代表了世界上抽象规则的象征符号。”人类大脑创造了包

    是NCIS探员。侯世达断言：“洪水般原始的感觉数据引发了认知，可被

    说，同样的点是有意义的符号象征，比如说足球运动员、脱口秀嘉宾或

    式以象征意义，电视屏幕上的点，在蚊子看来只不过是点，但对人来

    29

    “归根结底，我认为最要紧、最关键的是信息，”科赫说，“有这些

    的过程。

    乎都是可以量化的过程，也许甚至能用描述信息作用方式的数学来解释

    整合成一幅清晰连贯的现实画面，并引发适当的反应的能力，这一切似

    敏锐。大脑拥有从流入的感觉数据发现模式，来回发送信号把所有数据

    科赫相信，集中在信息上，可以让人们从科学上对意识的理解更加

    工处理能力使头脑能用符号表示自身。

    象征符号)并把信息合为一体，让世界变得有意义。正是大脑的信息加

    能得以增殖的奥秘所在。同样，意识深刻地参与其中：表示信息(利用

    百万个得克萨斯州要容易得多；DNA的基因绘图的能力，是地球上生命

    其他生命必需的分子。把得克萨斯州的地图复制一百万份，要比建造一

    工那么要紧。DNA本质上是地图，含有编码，可使一组分子能被转录成

    事实表明，基因的物理实现，并不像基因参与其中的信息储存和加

    业的人士，那时是生化专业人士，认为要处理这个问题还为时过早。”

    纪20年代的人们对基因是什么那样模糊，” 克里克说，“该领域中较为专

    “在某种意义上，现在人们对于意识的认识非常模糊，就像是20世

    推论，但没有人真正获得了基因究竟是什么的线索。

    长久留存的单位；20世纪早期的多个实验，使遗传学家对基因做了许多

    位”要难以捉摸很多。后来造了基因这个词，是用一个符号来描述这种

    的基因，最终也被证明比19世纪的孟德尔(Gregor Mendel)的“遗传单

    里的原始观念没有任何相似之处。甚至弗朗西斯·克里克从DNA里得到

    符号，而现代物理学对原子的理解，实际上与古希腊命名原子的人头脑

    子与其说是一种东西，不如说是一种观念，一种象征物质的终极成分的

    意识被视为一种符号，和许多别的美妙的科学观念非常像。一个原

    信息处理器

    的，也能让人对词语的意义有更深刻的理解——它象征着什么？

    对数学的认识，反而是丰富了这种理解。所以认识到意识是自我指涉

    这并不是说意识永远都无法被理解——哥德尔的工作并未削弱人类

    单由分子和细胞组成的系统内被领会。

    的”，其包含了无法被证明的事实。而意识也是一种事实，无法在一个

    经验的复杂性(包括大脑本身)。哥德尔的证据表明，数学是“不完全

    和欲望。正如数字可表示数学(包括数字)的复杂性，那么大脑能表示

    并不是自己去处理分子和细胞，它应对思想、情感、希望、恐惧、观念

    无关。其提供感知和符号化的机制让意识这个奇异的环成为可能。意识

    当然，侯世达并不是在说，这一切的生物化学和细胞通信都与意识因果关系能用信息理论对它们加以量化。通过某种方法就会产生意

    识。” 这种观点不可避免会带来如下推论：意识根本不在意是哪种信息

    处理器在干活——不管是神经细胞还是晶体管。

    “不是构成你大脑的那种东西，”科赫说，“而是表现出意识的东

    西，而且能告诉我们，有很多别的系统也可以拥有意识。”

    也许，到最后，人们能在不同于生物的大脑的某些材料上创造出明

    确无误的意识的特性，其将成功地发出寻求解释的信号。但令人生疑的

    是，在实验上意识被作为一种并非人类独有的东西，这是否会动摇人类

    对自己主导地位的信念。人们很可能总是会相信，只有那奇异的人类意

    识的环才能让世界转动。

    “我们在存在的周围画出了我们可轻松感知到的观念的边界，这样

    我们就得到了我们眼中的现实。”侯世达写道，“我们每个人为自己创造

    出的这个‘我’，都是这种感知到的现实，或者创造的现实的典型例子，而意识对我们行为的解释是如此出色，以至于其变成了一个枢纽，世界

    的其余部分似乎都在围绕这个枢纽运转。”

    30

    31

    通道，根本不足以形成一种经验。有研究把意识与相关却不相同的注意

    近期有关视觉系统的研究表明，视觉若只是通过大脑里必要的视觉

    的信息碎片——比如说，苹果的红色——在其进入某人内心之时。

    类似地，科学家想要廓清通往意识的道路，就来追踪单一的、很小

    其编号来追踪这一美元钱，而不是只看整体的财政状况。

    济。不过，在一美元从钱包跑到收银机，再跑到银行的过程，可以通过

    任务，类似于通过绘出美国所有钱币的流动情况的图来理解整个美国经

    理解一种丰富的内在经验是如何从数据片段中涌现而出是个庞大的

    个世界。”

    学院的神经科学家拉尔夫·阿道夫(Ralph Adolphs)说，“它完全就是整

    得以存在。“这种意识经验，不是个微不足道的有趣的现象，”加州理工

    上，大脑都以某种方式赋予外在环境以意义，让思想、自我反省和发现

    而那秘密，不仅仅是牛顿那样的大脑的秘密。在一切有意识的人身

    单一的、天衣无缝的经验。

    的秘密：他的大脑如何从混乱无序的内部和外在的信息流里创造出一种

    太阳，把苹果拉回了地球。但他是如何做到这些的呢？靠的是更为深邃

    牛顿备享殊荣，因为他计算出乃是同一种神秘的力量把行星拉向了

    不向上掉落，而是直直落下。灵感乍现，带来了对重力的崭新的理解。

    说)引起了牛顿的好奇心，他想知道为什么苹果不掉落到侧面，甚至也

    正是这个偶然的经验——对这个好主意来说，完全够了——(据

    觉、情感和记忆汇聚成了有关那天的果园中的完整的、丰富的经验。

    个小男孩的时候，他怎样摆脱地面的束缚，爬到树上。突然，视觉、听

    知识储备，他内在的沉思、他独特的好奇心，甚至他温柔的回忆：还是

    这些感觉输入他的大脑，在那里，这些输入的信息遇到了他丰富的

    了正喝着的茶的温度。

    的苹果闪过的红光。那时候，他听到树叶在微风中沙沙作响，并感觉到

    这是科学上最具标志性的时刻之一，那一刻，牛顿看到了正在落地

    劳拉·桑德斯

    视觉、听觉和理解力，从一条复杂通路的某处突然进入意识

    意识形成

    32

    动来追踪这种知觉的转换。

    觉在来回翻转——无论图像是否被意识到。科学家可以通过测量大脑活

    人们总是在来回切换。输入到每只眼睛视网膜的信息保持稳定，同时知

    另一张不同的图片。因为人们不能把两个图像整合成单一的视觉，所以

    科学家能做到这些，可以给一只眼睛看一张图片，而给另一只眼看

    过它。

    时又让头脑意识不到。眼睛可以完好地看到这个物体，但大脑会完全错

    研究V1的一种关键方法，是拿一个物体，让视网膜可以看见，同

    朗克生物控制学研究所渡边正孝(Masataka Watanabe)说。

    了什么是意识，什么不是。“V1是一个战场。” 德国图宾根的马克斯·普

    信息传递到更上层，更专门的脑区，这些脑区的话语权更大，它们决定

    但有的研究人员提出说，V1过于简单了：V1可能是个中继站，把

    意识的合理的部位。

    想形成的复杂精细大脑外层——在很多人看来，V1似乎是个产生视觉

    被称为初级视皮质，或者V1。由于其在皮质上的位置久负盛名——思

    有一小片褶皱最富有争议的视觉信息站点之一，其位于大脑后方，找到视觉进入意识的途径。

    过大脑。观察者感知到视觉的时候，向他们提问，研究人员可以精确地

    给人的视网膜上植入视觉之后，接下来科学家就能看到图像如何穿

    向了规定好的方向。

    条连在一起。但这种视觉上的疯狂，却有一种基本的方法：信息似乎流

    意大利面被丢在了地上，带着长长的、简练的线条，有缠结点把这些线

    经过了数十年的研究，今天的视觉系统的示意图看起来就像是一碗

    颜色、运动、定位和特性的部位。

    后部，然后再到专门化程度越来越强的细胞组群中，也就是分辨物体的

    见的大脑结构。眼睛中的视网膜细胞上的痕迹，会传递到丘脑，到大脑

    大脑里被认识最透彻的系统之一是复杂的神经细胞网络，和使人看

    心灵之眼

    如何构建意识经验的线索，正在乘胜追击。

    单个路径还不够多，不足以得到一幅完整的图景。但是他们发现了大脑

    形成中不同类型的输入信息是融合在一起的。迄今为止，科学家追踪的

    别的一些实验仅仅利用视觉就生成了触觉或听觉，暗示了在经验的

    中，视觉传递途径的关键几站都发挥了什么作用？

    力的过程给巧妙地区分开了，这就带来了问题：意识经验在产生过程和预期的一样，无论人们感知到的是哪个图像，每个视网膜上的细

    胞对信息的反应方式相同。“眼球并不真在意其后方的大脑是否意识到

    (图像)。” 加州理工学院和西雅图艾伦脑科学研究所的神经科学家克

    里斯托夫·科赫说。

    信息在丘脑做短暂停留，就去往V1，在那里故事变得复杂了。功

    能性核磁共振扫描可测量血流的巨大变化，发现知觉切换时V1的活动

    轨迹。但其他数据让人们对V1的守门人角色产生疑问。比如说，有一

    种技术利用电极测量神经细胞的行为，发现知觉转换之际，V1的行为

    并未发生变化。

    在两个新的研究把污染因素的混淆效应给仔细地分离开之前，科学

    家一直受困于这些不一致的研究结果——那污染因素就是注意力。注意

    力是把心神集中到特定的主体上，通常被描述为心神的聚光灯。

    “如果你想要做真正理解意识，那么你需要把注意力的效应分离出

    去。”澳大利亚莫纳什大学的神经科学家土谷尚嗣(Naotsugu Tsuchiya)

    说。

    不过直到最近，分离两种效应才不是什么问题，因为人们相信它们

    是一件事，毕竟，这两种效应通常一起出现：聚焦在澳洲绿苹果的酸脆

    的口感上，会让经验更具体，强化了你对绿苹果的意识。转移注意力的

    时候，对明显的事物没有察觉——这种疏忽被称为无意视盲

    (inattentional blindness)。研究中最著名的例子是，要求观察者计算两

    个人交换篮球的次数。由于专注于看球，很多观察者都没注意到一个穿

    着大猩猩装的人慢慢走进了现场中间，拍拍自己的胸膛又慢慢走了出

    去。

    33

    2005

    图片权利和来源(IMAGE CREDIT)：C.Y.Kim and R.BlakeTrends in Cognitive Sciences

    34

    实验结束的时候，关上屏幕上所有的信号，志愿者指出了后像持续

    识)。

    的注意力)并能看到某些他们没注意到的东西(没有注意过但产生意

    用这种方法，受试者能注意到某些他们没看见的东西(不产生意识

    脑切换到这种令人眼花缭乱的模式图时，圆圈依然处在意识之外。

    前闪过棋盘格的模式图，这样团队就能操控受试者对圆圈的意识。当头

    算。同时，通过让受试者单眼看这能产生后像的圆圈，同时在另一只眼

    看，那里有一半黑一半白的圆圈，能产生后像，另一组要分心去做计

    粉色正方形浮现出来。在研究中，受试者一组全神贯注地盯着部分屏幕

    正方形看上一分钟，然后把目光移到白色的屏幕上，就会看到幽灵似的

    开。凡·波斯特和同事研究了后像(afterimages)，人如果先盯着绿色的

    van Boxtel)和同事们做了个研究，着手把意识和注意力明确地分离

    最近，加州大学洛杉矶分校的神经科学家杰伦·凡·波斯特(Jeroen 工作任务的情况下。

    图书馆，还是一所花园——抑或是在把大量的注意力转移到要求较高的

    楚。有些研究表明，有人能说出场景的要旨——比如说，描述其是一座

    的观念是：在没有注意力的情况下，是否能存在自觉的意识还不那么清

    大多数科学家承认，注意力能在没有意识的情况下出现。但是相反

    知》(Consciousness and Cognition)上发表了这一报告。

    学家乔尔·魏因贝格尔(Joel Weinberger)及同事在2011年的《意识和认

    州花园市艾德菲大学(Adelphi University in Garden City，N.Y.)的心理

    到。虽然图片闪得太快，以至不能进入意识，但是头脑注意到了。纽约

    中的蜘蛛，让人们对蜘蛛脱敏，减少了他们的恐惧，即使受试者没注意

    蛛。那些看蜘蛛图片的人比那些看到自然场景的人更靠近蜘蛛。潜意识

    之后，受试者被要求走进一个房间，去摸一种真正的塔蓝图拉毒

    是蜘蛛。

    没有一位受试者能说出闪过的是什么，表明看到蜘蛛的人并没有意识到

    显示20毫秒——一刹那的工夫，很多科学家认为这快得让人无法察觉。

    怕蜘蛛的受试者看屏幕上快速闪过的蜘蛛图片，或是户外的场景，图片

    一件事。最近的一个有关潜意识中的蜘蛛的实验证明了这种说法。给害

    只是因为意识和注意力经常联系在一起，这并不意味着它们就是同

    注意注意

    rivalry)，大脑会感知其中一个图像，而不是把两个图像融合到一起(右图)。

    (中)之间转换。给每只眼睛看不一样的图像，这种情况叫双眼竞争(binocular 变，但心神在感知到花瓶和人脸(左图)之间转换，或者红面在盒子的前方和后方 突然改变的感知 错觉是研究觉知的好方法。虽然输入视网膜的信息保持不的时间。出人意料的是，注意力和意识具有不同的效应，该团队在2010

    年的《美国国家科学院院刊》(Proceedings of the National Academy of

    Sciences)上发表了报告：人给予的注意力越多，后像持续的时间就越

    短。人对刺激的意识越丰富，后像持续的时间就越长。

    35

    像(fMRI)的研究报告中，让受试者意识到屏幕上的条纹图样，或者

    在2011年11月11日的《科学》杂志上发表的一个功能性核磁共振成

    态中移除，V1 的行为就不再与意识相关。

    近期的为阐明V1的工作而特别设计的研究表明，把注意力从平衡

    进一个更广阔的图景里。

    出。” 凡·波斯特说。相比之下，意识可能是个合成器，把信息碎片融合

    其作用。“注意力就像个聚光灯，能分辨出环境的样子，并对其加以突

    果，可以看出注意力和意识是可以分离开的，意味着二者在大脑里各有

    虽然某些科学家对此仍有怀疑，但是通过这些以及其他相似的结

    许多科学家之前设想的一样。

    中分离出去。这类研究已经揭示，视觉输入不会刚到达初级视皮质就触及意识，和

    现在你看到了吧 仔细设计实验，可以让科学家把注意力的混淆效应从意识

    Science 2011

    图片权利和来源(IMAGE CREDIT)：Adapted by B.Rakouskas, Source: M.Watanabe et al让他们意识不到，接着，他们或者集中注意力到图样上，或者避免去

    看。

    和后效应的研究一样，这种设置能让科学家把意识和注意力分离

    开。如果注意力保持不变，那么能看到条纹或是看不到，V1上的fMRI

    扫描信号都未发生变化。但是当注意力转移的时候，V1的活动也随之

    转移。

    更多的证据来自近期的对猴子的研究，田纳西州纳什维尔的范德堡

    大学(Vanderbilt University in Nashville)神经科学家亚历山大·迈尔

    (Alexander Maier)及同事，去年在神经科学学会(Society for

    Neuroscience)的年会上报告过。在这个实验中，利用电极测量猴子V1

    神经细胞活动，在其注意或未注意的情况下，测量对物体的感知到或未

    感知的情况。

    fMRI研究和电极研究一致，结果表明来自外界的视觉信号不会一

    到达V1就进入意识。对于听觉、触觉和别的感觉输入信号来说，也不

    会刚到达其相应的初级皮质中继站就进入意识。

    “注意力和意识的分离是个出色的例子，说明大家能在这麻烦的心

    灵—身体问题上取得进步。”科赫说。“需要仔细地查看初期的研究，以

    确保那些归结给意识的结果，并不是注意力导致的。”他和土屋

    (Tsuchiya)在2月的《认知科学趋势》(Trends in Cognitive Sciences)

    上写道。

    来自顶层的信息

    新的发现并不是说V1对意识不重要。从V1离开的信号，流向了愈

    加复杂的区域：皮质上的部位，记忆、技能和思想的部位。“当这些信

    号又返回到较简单的皮质区域的时候，意识的体验就产生了。”南加州

    大学洛杉矶分校(University of Southern California in Los Angeles)的认

    知神经科学家卡什帕·迈耶(Kaspar Meyer)提出说。

    也许，迈耶的想法的最佳证据来自他自己的工作：刺激了一个感官

    的一小段信息，查看其如何在别处形成知觉。志愿者们在看有人摆弄纱

    线球的视频剪辑时，他们大脑里充满着一种“心灵的感触”(mind’s

    touch)，重新创造一种柔软的纱线的知觉，迈耶和同事在去年的《脑

    皮质》(Cerebral Cortex)杂志上发表了报告。

    36

    37

    没有输入信号的时候，隐藏的记忆碎片也足以能开启大脑了。每当

    脱这种想法。”

    息的影响，这时候，就不能认为其准确地反映了外部世界，我们需要摆

    西，”迈耶说，“我们感受到的图像，可能在一定程度上受进入大脑的信

    变为意识经验。“我们所意识到的东西，是大脑让我们意识到的东

    如今明确的是，大脑并不是刺激驱动的机器人，把外界信息直接转

    一些候选站点，比如说被称为颞上沟的皮质褶皱部位)。

    要经过的所有的停靠站，也不知道哪个停靠站最重要(尽管已经鉴别出

    大脑内在经验的路径，并不是一条直线。科学家们还没能了解这条路径

    易唤起爱狗之人)更容易唤起人们的感觉。这些结果表明，从外界通往

    觉，该团队在2010年发表了报告。另外，有声视频(比如嚎叫的狗就容

    影——打鸣的公鸡或者手指敲击琴键——给人带来听到那种声音的感

    视觉和听觉表现出了类似的效应。观看能让人联想到声音的无声电

    声音的感觉。

    一段用手敲击琴键的无声视频(如图示)触发了人们的听觉皮质的活动和对

    图片权利和来源(IMAGE CREDIT)：K.Meyer et alNature Neuroscience 2010人们想象，或是做梦的时候，这种能力就展示出来了。坐在静悄悄的黑

    屋子中的人，能活灵活现地描述妈妈的面庞，哪怕妈妈远在数千里之

    外。而梦境更是难以置信地生动形象，即使是在没有感觉输入的时

    候。“这告诉我们，你的大脑在没有任何外界输入信号的时候也能产生

    出这种对你而言似乎是完全真实的影片。”迈耶说。

    在2012年1月27日的《科学》杂志上，迈耶提出，更为普遍的是，所有的意识经验都可以被看成诺贝尔奖得主，神经科学家杰拉尔德·埃

    德尔曼(Gerald Edelman)所说的“记忆的当下”(remembered

    present)。利用细小的知觉片段、记忆的碎屑和情感的光芒，头脑成就

    了更为强大的东西。一眨眼，大脑就创造出整个世界。

    38

    39

    网上迅速累积起来的万亿兆字节的信息是否拥有某种程度的意识。

    一场有无数尘埃小微粒一齐盘旋的龙卷风，2050年的 iPhone，或是互联

    性橡皮泥，方程能适用于任何系统。利用正确的计算，科学家能够测试

    学，他已经把意识理论从生理的大脑中解放出来了。就像是不定型的弹

    托诺尼的思想超越了人类自身。通过从神经细胞转向描述它们的数

    了，这会为这种工具的开发形成支撑。

    号模糊不明。研究人员已经在人失去意识的时候的大脑上测试这种数学

    相信，这些原型终有一日会成为一种能测量意识的工具，即使意识的符

    飞，但依然有助于阐明大型喷气客机是怎样维持飞行的。不过研究人员

    迄今为止，新的方程只以原型的形式存在，就像飞机模型虽然不会

    (Anil Seth) 说，“我认为，这里面有些东西很对路。”

    的，”英国伯明顿苏塞克斯大学赛克勒意识科学中心的阿尼尔·赛斯

    启发出看待意识问题的新视角。“这种洞见，对我来说是非常重要

    由于其清晰明了，这种信息的直觉也引起了其他研究人员的共鸣，密结合在一起的关键。

    息碎片在大脑里如何传递的一套方程——乃是解释头脑是怎样与经验紧

    该理论以信息流为基础。他和其他人相信数学——具体而言，是描述信

    从那个看法出发，托诺尼凭直觉提出了一种强大的新的意识理论，同于之前或之后的任何经验。

    有所领悟：每一个意识瞬间，都是一种统一的、整体性的经验，完全不

    还有实验室的忙乱，思考——很深入地思考——意识是个什么样子，他

    相反，源于某个安静沉思的时刻。那时候，他远离了扫描仪器和数据，但托诺尼最意义深远的洞见，并非发端于这海量的科学数据缓存，细复杂的计算机程序中，这些程序描述了大脑功能的方方面面。

    学的同事，经常使用顶尖的脑扫描仪把潮水般涌流而出的信息倾注到精

    要了解大脑如何产生意识。在他追寻的过程中，他和威斯康星麦迪逊大

    作为一名科学家，朱利奥·托诺尼(Giulio Tononi)目标高远：他想

    劳拉·桑德斯

    新理论让意识突破大脑的限制

    信息聚合

    40

    这是远远不够的。那些不同领域的行家必须互相交流，这是托诺尼理论

    但一个系统若只是有大量的信息存储，并孤立地存放于大脑各处，否出界。

    能记住你高中的实验搭档的名字，还能评价巨人队的接球员在接球时是

    地处理的大事：一群群神经组建了家庭作坊，它们能分辨钴蓝和品蓝，对人类大脑中专门的神经细胞群来说，所有细微的区别都是要好好

    景，” 托诺尼说，“因此这就变得极为有意义。”

    看到纯粹的黑暗，那是个独特的场景，不同于亿万个其他的特别的场

    即使是坐在完全黑暗中的人的大脑，也是一个信息的金矿。“当你

    能。

    起床，看午后足球赛的触地得分，或者只是发呆——排除了其他所有可

    发挥作用。可经验一旦定型，就别无他选了，简单的存在——周日上午

    在其被锁定之前，任何一个存在的瞬间，都几乎能以无数种方式来

    方法。

    职责描述上，信息是一种方法，是量度不确定性被削弱到了何种程度的

    密信息。但严格意义上讲，信息与所失去的东西关系更大。在其专业的

    观众打电话，以了解更多信息，犯罪调查员取得内部信息，间谍收集秘

    人们说到信息，经常是作为某种被获取的东西：商业信息广告恳求

    此简单，以至于常常被人忽略了，托诺尼说。

    瞬间的人类经验，是宇宙之中最具信息含量的事情之一；这个观察是如

    ——连接并使用信息的能力。这个理念依赖两个简单的表述：首先，一

    托诺尼的理论，把意识定位为一种能力，是一个系统——任何系统

    关于整合的一切

    论，是唯一一个阐述基本原理的理论。”

    的科学家。我们需要“为什么？”这种重要的问题的答案。“托诺尼的理

    识的感觉呢？”科赫说，他是加州理工学院和西雅图艾伦脑科学研究所

    呢？究竟是什么让这个区域，或是这块大脑，或是这些神经元产生了意

    神秘的过程做出完整的解释。“为什么是在这个区域，而不在那个区域

    生或消逝时大脑的变化，科赫说，但这个清单不能对意识经验产生这种

    科学家已经收集了一个清单，内容令人印象深刻，其记录了意识产

    托弗·科赫相信，其是“唯一正确的意识理论”。

    理解。因为托诺尼的理论聚焦在意识的本质上，所以神经科学家克里斯

    的温度)，同样，意识的码尺最终会使我们对意识自身的本质有更好的

    就像温度计让我们清楚地看到了温度(一壶沸腾的水或是人的身体

    41

    伐一起进场的数百万个士兵。这个系统是个高度整合好的，但失去了全

    候，人们没有意识，此时神经细胞的行为极度协调，就像迈着整齐的步

    但把所有东西都连接在一起也是行不通的。在遭受癫痫折磨的时

    赫说，“一个脑壳，两个心智。”

    “通过实验我们知道，这一个脑壳的里面有两个有意识的头脑，”科

    告诉位于左脑半球的言语中枢。

    边的物体的名字，因为鉴别物体的是右脑半球，没法把它见到的东西，和右侧空间。举例来说，没有了这个连接体，人就不能轻松叫出放在左

    佩里发现，切断胼胝体，人们本质上就有了两种意识经验——左侧空间

    Gazzaniga)在20世纪60年代早期研究了这种裂脑病人。加扎尼加和斯

    罗杰·斯佩里(Roger Sperry)和迈克尔·加扎尼加(Michael 号。

    的癫痫病例中，外科医生切断这个连接体，试图阻断通过其上的癫痫信

    脑左右半球之间传递信息的神经纤维组成的信息高速公路。在某些严重

    变意识。大脑交通最繁忙的连接之一是胼胝体，这是一条由2亿个在大

    如果整合对意识来说至关紧要，那么改变人脑内的连接，就会是改

    发现phi

    子。

    法，有关整合的信息——或是信息缺乏——在人类大脑里会是个什么样

    但是，即便没有准确的phi值，科学家也依然能得到一个大概的想

    动的数据，还得减去每个子系统单独拥有的数据。

    你必须得加上全部有用的数据，就是能自由地在系统里所有连接之间流

    指令系统(repertoire of states)，所以要计算准确的phi值是不可能的；

    围。对人类大脑来说，因为有大量的神经细胞连接群，还有巨大的陈述

    为phi。这单个数字表示的信息超越了系统中各个单独片段储存的范

    托诺尼用一个数值来衡量信息和整合这两项属性的组合，该数值称

    也可能是类似的情况。

    专门的能力和知识，但需要共同协作，从而保持蜂巢的繁荣昌盛。意识

    得到了丰富的经验。”。蜂巢里的采集蜂、保育工蜂和女王蜂，都具有

    脑机制以某种方式紧密联系在一起，但又以某种方式各行其是，所以你

    赛斯说：“信息和整合共同描述了意识到底是什么感觉。相关的大

    说，“你不可能经历没有左侧的右侧，没有形状的色彩。”

    验都是它本来的样子。你不可能把经验分拆成独立的片段，”托诺尼

    的第二个原则。整合让每一种意识经验成为一个统一的整体。“每种经

    42

    随着性能表现的提升，Animat的phi成功地在其多个组成部件之间传递

    一开始，Animat走迷宫很费劲。但在第14000代附近，就很好了。

    迷宫的过程中，其能随之进化。

    Animat也拥有大多数有机生物体天然就有的能力：在50000代一代代走

    过程中储存数据的部位，这个Animat自行想办法穿越计算机迷宫。

    一个仿生物。依靠探测环境的传感器，可让其移动的制动器，还有学习

    事设计了一个很简单的系统，其phi值能计算出来——被称为Aniamt的

    拟已经表明，事实上也能在别的系统里测量信息整合。托诺尼和他的同

    虽然探索人类大脑中的信息结构的实验还在初级阶段，但是数学模

    透过 Animat 洞悉意识的本质

    赛斯说，局部的升高可能会伴随有整体的信息整合度的降低。

    意外的是，意识溜走的时候，这两个脑区的因果密度值评分升高。

    域会有行为变化。

    也就是扣带回前区和后区，因为人们已经知道在麻醉状态下，这两个区

    酚麻醉之后，失去了意识。研究人员监测了两个特定脑区的脑电信号，人类大脑里的因果密度值进行测量。七位健康的志愿者接受药物二丙泊

    在一篇在线发表于1月的PLoS ONE研究报告中，赛斯的团队设法对

    其比phi计算起来要容易一些。

    些初始的假设，得到的是一种均值，而不是某个时间点的精确值，故而

    征。”他说。因为赛斯是要测量因果密度值(causal density)，依靠了某

    意识是一种过程，是随着时间过去而逐渐展露的系统的动力学特

    征，没有把其当成一种任何时刻都是静态的能力来评估。“对我而言，进行复杂交流时的整合信息。他的方法是把意识当作一种不断变化的特

    赛克勒中心的赛斯(Seth)，试图利用不同的方法来测量脑细胞间

    些碎片。

    研究把这种信号转化成估计的方法，该种估计可以捕捉全面的phi 的一

    托诺尼和他的同事认为这种信号代表了大脑整合信息的能力，他们正在

    300毫秒。但在意识减弱的状态的人身上，这种TMS信号会快速消退。

    传输到大脑上的一个点，电流四处移动、游走、渐变并位移，大约持续

    的人身上，通过一种名为经颅脑刺激，或称TMS的技术，把电击的电流

    态下的人身上进行的实验，比如说熟睡、麻醉或是植物人状态。在清醒

    迄今为止，托诺尼的理论的最好证据，来自他和别人在不同意识状

    理丰富而多变的信息。

    都无法发挥其作用了。细胞或者全都反应，或者全无反应，而不是去处

    部的差异性。专门的神经细胞的联合，比如说区分蓝色的色度的联合，的信息量有所上升。不同的片段学会了交流。到了第49000代的时候，Animat的phi值很高，迅速穿过了迷宫。托诺尼和同事在10月的《PLoS

    计算生物学》(PLoS Computational Biology)发表了该报告。

    Animat是个简单的例子。即使其最高级的一代，其phi也不能和人

    的相比。但高phi值和性能表现之间的联系，可能反映出一种更深刻的

    真实情况：意识为什么会逐渐变化。通过整合信息，Animat这个小家伙

    能了解周围的环境，并能预测即将到来的事情。

    预测能力可能是意识存在于人类中间的主要原因之一。“如果你看

    到面前有张桌子和一个电脑显示器，你知道它们为什么在那儿，也知道

    他们对你意味着什么，还有你能利用它做什么，接下来会发生什

    么。”托诺尼说，“每一种经验都让人回想起许多不同的联系、记忆和思

    想。当然，这一切，都是不完整的碎片和颗粒——有关意识为什么有适

    应性，它为什么是意义非凡的进化的产物。这让我们认识过去，并预测

    未来。”

    43

    图片权利和来源(IMAGE CREDIT)：J.A.Edlund et alPloS Computational Biology 2011人工意识 利用名为Animat的模拟生物，研究人员能够测量整合的信息，也就

    是phi。Animat经过50000代的演化，其在迷宫巡航(下图)中取得了更好的成绩。

    随着人工生物表现越来越好，其phi值不断升高。

    意识扩展

    Animat的例子说明了整合的信息可能不只存在于拥有大脑器官的物

    体中。这个简单的发现具有深远的意义：如果托诺尼是对的，并且整合

    的信息实际上就是意识，那么意识本身就不再局限于头颅之内。只要信

    息格式正确，任何系统，不论是神经细胞、硅晶片，还是光束构成的物

    质，都能拥有意识。

    这种领悟改变了关于意识的对话。在一个有各种方式可把信息快速

    传播到各处的世界里——章鱼的大脑，树的根系和因特网——讨论某个

    实体是否有意识可能会失去意义。确切地讲，问题变成了，“意识是怎

    么回事？”只拥有少量信息的小型系统，可能只有一小段意识，而诸如

    人类大脑这样的大型系统拥有巨大份的意识。

    44

    的phi值比其他的高。上图是皮质丘脑系统，下图是小脑系统(用phi来表示子系统

    大脑度量 以简化的神经解剖学为基础进行模拟，结果表明有些大脑系统生成

    图片权利和来源(IMAGE CREDIT)：G.TononiBiol.Bull.2008

    45

    那些既非特殊也不抽象的信息，才能达成意识。

    持。这种理论说，为了达成意识，数据肯定是在中间的大脑层次得到处理的。只有

    (Ray Jackendoff)提出，并得到纽约城市大学的杰西·普林茨(Jesse Prinz)的支

    中间层次学说(Intermediate Level) ：该理论由塔夫茨大学的雷·杰肯道夫 和其他精神意象。达马西奥也认为意识需要自我感知。

    奥(Antonio Damasio)提出，发送和接收信息的大脑区域帮助头脑形成记忆、情感

    会聚发散区学说(ConvergentDivergent)：南加州大学的安东尼奥·达马西

    环境时，这种波动产生意识。

    主杰拉德·埃德尔曼(Gerald Edelman)于1978年首次提出。在头脑能更好地回应其

    争，会让对选择性约束(selective constraints)的响应增强或减弱，这由诺贝尔奖得

    神经达尔文学说(Neural Darwinism) ：大量不同种类的神经细胞相互竞

    的大脑系统中心位置的信息被传播到其他脑区时，就会有意识出现。

    研究所的伯纳德·巴尔斯(Bernard Baars)首次提出，这个理论设想，当处在易接近

    全局性工作空间学说(Global Workspace) ：加利福尼亚州拉荷亚神经科学

    基于人类大脑的特征提出的。

    虽然新的意识学说依靠的是一般的数学原理，但既有的很多观念(见下)是

    意识学说

    把目光转向外面，一个全新而神秘的世界正待发掘。

    从而清楚地了解人的头脑。然后，对于脑壳内部的理解，会启发科学家

    理论上，有一天科学家就不会有那种自己是自己研究对象的困惑，终，我们必须得看向更深更远的地方。”

    “我们朝着有亮光的地方看，取得了一些进步，”科赫说，“但最

    识的真实本性。

    素，追踪了进入意识之旅的具体视觉，并产生了一大批理论，暗示了意

    的进步。系统性研究和洞见的飞跃，揭示了具有意识的大脑所需的要

    言，还无法回答，但这并不妨碍人们在有关头脑的其他问题上取得真正

    意识是否被编织进了宇宙的本质，这是个大问题，不过就目前而

    个基本性质。”

    意义。“意识并不是宇宙的现象特征(emergent feature)，”他说，“这是

    像一个电荷，是现实的构架里固有的一部分，赋予了世界形状、结构和

    其他人的观念不那么正统。科赫说他可能是错的，但他相信意识就

    身。“宇宙中我们所知的唯一的产生意识的系统是生物系统。”他说。

    了一种有趣的描述，但并不认为所整合的信息就是真正的事物本

    说，却是种令人不安的延伸。就赛斯来说，他相信意识的数学表述提供

    某些古代宗教以及较为现代泛灵论者的拥护，而对很多现在研究者来

    拓展意识的内涵把那些没有大脑的系统也纳入进来，这种看法虽受

    和完整的网络)。

    46

    会患上一种很罕见的痴呆症，丧失和其他人打交道的能力。

    这是移情作用和自我觉知的大脑中枢。而这些神经元死亡的时候，人们

    在人类大脑里，von Economo 神经元位于前岛和前扣带回皮质上，是，最近在斑马大脑里见到了)。

    身上找到：比如人类、大型猿类、大象、鲸和海豚(让人迷惑不解的

    初，von Economo 神经元只能在脑容量大的、有着复杂社会生活的动物

    家暗示说，它们的角色可能非常重要。这种看法的一个原因在于，最

    没有人知道这些笨重的、奇形怪状的神经元是做什么的，但是科学

    鬼没的von Economo神经元。

    人类的von Economo神经元要小一些，也稀疏一些，但它们确实是神出

    一角。再进行了多次试验之后，他和他的同事推论说，这种细胞虽然比

    埃夫拉尔说，首次在猕猴身上看到这种神经元，就像是看到冰山的

    每端都有接收信息的树突丛。

    Economo神经元比近旁的神经细胞大3倍，具有长长的、肥大的胞体，(Henry Evrard)无意中发现了这种稀有的、独特的神经细胞。von 宾根市马克斯·普朗克生物控制论研究所的解剖学家亨利·埃夫拉尔

    迹。但是，采用不同的实验方法，仔细检查一小块猕猴的大脑，德国蒂

    先前的研究，没在猕猴身上见到这种名为von Economo神经元的踪

    些细胞的可能性。”

    脑里发现的这种神经元，可在实验室里进行研究，这开创了直接研究这

    经科学家和精神病学家雨果·克里奇利(Hugo Critchley)说，“在猕猴大

    的神经相关活动有关。”英国苏塞克斯大学(University of Sussex)的神

    “虽然人们不大愿意说出来，却愿意相信，这些神经元可能与意识

    元的习性，该习性对人类的自我觉知来说极为关键。

    大型猿类和其他脑容量大的生物之外。现在，科学家将会研究这类神经

    《神经元》(Neuron)杂志上，它把这类神经元的疆域扩展到了人类、情作用、自我觉知甚至意识有关。这个发现发表在2012年5月10日的

    科学家在旧世界的猴子身上，发现了一种神秘的神经细胞，这与移

    劳拉·桑德斯

    之谜

    在猴子身上发现神秘神经元，这有助于揭开意识在猴子的类似脑区中也找到了这些细胞，可能在一定程度上打击了

    这些细胞赋予动物自我觉知的观念。尽管很难评估猴子的头脑状态，但

    猕猴不能准确地认出镜中的自己，这是个简单的自我觉知试验。

    在猕猴身上，von Economo神经元的位置表明，它们可能在处理更

    为基础的身体意识。前岛可帮助大脑感知内在的状态，比如说饥饿、压

    力和疼痛。“von Economo神经元在人类身上可能发挥着更为精细复杂的

    作用。” 埃夫拉尔说。

    加州大学圣地亚哥分校的威廉·西利(William Seeley)说，这结果

    很有临床意义，最近他发现患有某些类型的额颞痴呆的病人，von

    Economo 神经元有选择性地丢失，影响了他们的移情作用和自我觉知。

    多多地了解猕猴的神经元行为，可能会帮助科学家理解，对特定的人类

    疾病来说是哪儿出了问题。

    47

    48

    仁核的情感评估，这是我们迄今为止见到的支持这个学说的最好的证

    区游说之后，vmPFC最终做出了决定。“有学说认为vmPFC整合来自杏

    (ventromedial prefrontal cortex，vmPFC)的活性增大了。在被其他脑

    考虑情感相比，这时候，靠近大脑前部的一块组织，腹内侧前额叶皮质 时候，另一个不同的脑区登场了。而要求人们做出全面的抉择，与仅仅

    当要求人们对道德困境进行全面考量，不同的方案之间决定一个的

    大的善”的考量是在哪儿做出的。

    们左侧杏仁核的活性越高。这个试验不可能准确地描述功利主义的“更

    结构体。舍恩哈和格林尼发现，受试者对某种做法的厌恶之情越强，他

    糟糕)，左侧杏仁核的活性增强，杏仁核是位于大脑深处一对杏仁状的

    一名外面的用餐者。当研究的受试者只考虑情感(哪种做法让你感觉更

    人等死，或是把手榴弹扔到屋外的露台上，救这10个人的命，但会杀死

    馆里坐了10个人。他们告诉受试者，他们可以忽略手榴弹，留下那10个

    在这样一个困境中，一个点燃的手榴弹被扔进了一个咖啡馆，咖啡

    感折磨，或者只考虑更大的善，如此就把这些考量各自分开了。

    的行为。在试验中，研究人员要求受试者考虑某种行为会带来怎样的情

    一方面有冲动要拯救最大数量的人，一方面却想要避免情感上让人厌恶

    避免车上的五个人丧命？这种道德困境，激起了相互抵触的行事动机：

    做出决定，是否要把一个无辜的人推出去挡住失控的电车，用他的死来

    研究人员使用的场景与著名的电车困境类似：假设的困境，迫使人

    共振扫描。

    48种令人痛苦的场景下做出权衡，同时对这些人的大脑进行功能性核磁

    Shenhav)和哈佛大学的约书亚·格林尼(Joshua Greene)要求35个人在

    普林斯顿大学的认知神经科学家阿米尼塔·舍恩哈(Amitai

    下，发生在神经中枢里的拉锯战。

    Neuroscience)的一项研究描述了在这种残忍的(即使是假设的)境况

    试题。发表在2014年3月26日的《新英格兰医学杂志》(Journal of 决定是杀死一个人还是救五个人——这是个让人深感不安的大脑测

    劳拉·桑德斯

    脑区的平衡竞争与伦理判断有关

    大脑区域解决道德困境据。”伦敦大学学院(University College London)的认知神经科学家莫

    莉·克罗克特(Molly Crockett )说。

    之前有研究表明，vmPFC是其他类型的决策的最后仲裁者。比如

    说，这个脑区会参与抉择——是去吃健康食品，还是去吃引发罪恶感的

    食物。克罗克特告诫说，试验中所用到的道德困境对绝大多数人来说，都是不可能遇到的。“我们感兴趣的是道德决策的形成，但我们研究的

    实际上却是非现实的处境，要到把人推下桥，”她说，“还不明确这些神

    经机制是否适用于真实的道德决策。”

    理解大脑里道德是如何产生的可能具有重大的法律意义。比如，律

    师可争辩说被告的罪责取决于某些神经特征。一项2011年的研究发现，精神病患者的杏仁核与vmPFC 之间的连接较弱。“了解支配做道德决策

    的是哪些脑区，可以对这些脑区受损会带来的行为变化有更好的预

    见。”舍恩哈说。

    49编制神经连接的目录

    把大脑看成一个网络，可帮助科学家处理大脑的复杂性

    劳拉·桑德斯

    绘出人类大脑图谱，这个目标很宏伟，但是很不明确。就像是要画

    出美国的地图，你可以只示明法定的边界和城市的位置，或者你可以描

    绘山脉河流的地理特征，或者交通路线，像州际高速公路和铁路轨道，你甚至也可以到谷歌地图那种程度，示明每所房子的位置。

    大脑也分为多个层级，有着类似的多样性：灰质绕结成左右半球，每个半球又有四个叶(额叶，顶叶，颞叶，枕叶)，又有白质纤维这样

    的超级高速公路与亿万个个体细胞交流横亘其中。因此有些脑图谱的重

    点是画出解剖区域的轮廓，有的是追踪白质的布线，还有的是把灰质分

    成极其微小的团块，记录这些团块不同的心理测试任务中的活性。可是

    归根结底，科学家是想绘制出每一个细节。他们的终极目标是编建出一

    个目录，包含所有脑细胞及脑区之间的全部连接，是大师级的图谱——

    称之为神经连接体图谱。

    50

    51

    回路，测量那些脑回路内部通行的电活性和化学活性的波动模式，理解

    “我们认为大脑行动的首要目标就是这些，”纽瑟姆说，“绘制出脑

    划优先领域。

    意，他是国立卫生研究院专家小组的联合主席，这个小组确立了总统计

    斯坦福大学的神经科学家威廉·纽瑟姆(William Newsome)表示同

    解神经系统。”

    Emmons)说，“显然，除非我们了解了这种连接性，否则我们就不能理

    接性，”纽约爱因斯坦医学院的神经科学家斯科特·埃蒙斯(Scott “奥巴马总统的大脑行动(BRAIN Initiative)强调要确定大脑的连

    可或缺的工作。

    提出的——理解大脑如何思想和学习——宏伟的目标而言，甚至会是不

    把所有这些连接绘制出来，可能的回报会很丰厚。而对追求奥巴马总统

    踪出每个人和每台车在房屋间穿行的路线。但是，很多研究人员都说，这是个异常艰难的任务，相当于鉴别出美国的每一座房屋，还要追

    数学理论有助于填补某些空白。

    虽然要绘出完整的大脑连接的地图还需要很多年，但是有关(神经)网络的

    图片权利和来源(IMAGE CREDIT)：Courtesy of M.P.van den Heuvel

    52

    383个神经元(雌雄同体的要更少)，科学家就可以利用电镜成像编制

    elegans)，其拥有生物圈里最简单的大脑之一。雄性的新杆状线虫有

    为此，最受欢迎的模式生物是新杆状线虫(Caenorhabditis

    代，来了解神经元是如何相互作用的。

    的关联是不可行的，所以科学家找到某些较为简单的模式生物来做替

    连接紧密相关。但是，人类大脑的复杂性意味着追踪单个神经元尺度上

    毋庸置疑，这种“功能性连接体”(functional connectome)与物理性

    激活来识别。

    连在一起，功能连接可在大脑执行特定的任务时，观察有哪些脑区同步

    由白质(髓磷脂中的由髓鞘包覆的细胞突起，把不同脑区连接到一起)

    还有另一重复杂之处，是要区分物理连接与功能性连接，物理连接

    但是忽略了旁边的街道和单个的房屋。

    大概就一粒盐那么大。这就像是绘制出了连接城市和城镇之间的公路，组计划，画出了灰质部分的图谱，该图谱绘制在1立方毫米的尺度上，是小团的脑组织之间的连接。国立卫生研究院在2010年启动的人类连接

    以在人类身上，连接体研究集中在解剖学上的脑区之间的连接，或者只

    连接体是由一个不可估量的巨大网络组成的，带有千百万亿的连接。所

    到。大脑里大约有850亿个神经元，每个神经元又有成千上万的连接，之间的每个单独的连接构成。但是这样完整的图谱，目前的技术还达不

    原则上，人类的连接体由大脑里每个单独的神经细胞或者叫神经元

    简单的大脑

    (connectopathies)。”

    为，有些严重的病症，比如说精神分裂症和孤独症，实际上是连接病

    精神分裂症这种由错误的神经连接引起的疾病。埃蒙斯说，“有人认

    最终，这类洞见会对许多大脑疾病的诊断和治疗有所助益，比如说

    的所有联系的图谱，也能对大脑的连接有深刻的洞察。

    生思想和行为。实际上，网络数学表明，即使没有绘制每个单独的细胞

    而利用描述网络的数学理论，科学家开始理解，脑细胞如何协作产

    们如何进行连接的又一条线索。

    脑区联系了起来。大脑扫描揭示出哪些区域的活动是同步化的，这是它

    小的线虫。也已经开始绘制人类大脑的白质纤维的图谱，是白质把不同

    科学家已经完整地描绘出新杆状线虫的原脑里的所有连接，那是一种小

    虽然这些挑战看起来很难，但已经取得了实质性的进步。比如说，它们之间的相互作用是如何创造出我们独特的认知和行为能力。”

    53

    脑组织，而不是单个的神经元。和Twitter这样的社交网络类似，大脑网

    富社团节点也存在于人类大脑中，即使这些节点是一小团一小团的

    由连接度高的节点构成的网络，或者说一个社团。

    表了报告。这些枢纽不仅内部有丰富的连接，而且彼此相连，形成一个

    与合作者在2013年4月的《神经科学》(Journal of Neuroscience)上发

    club)枢纽，剑桥大学的神经科学家爱德华·布摩尔(Edward Bullmore)

    在雌雄同体的新杆状线虫上，有11个神经元被作为“富社团”(rich 一个节点。

    有高度连接的节点，或者叫枢纽，能把信号从一个节点有效地传输到另

    因其只需极少几步，就能连上任意两个节点而知名。这样的网络一般拥

    线虫身上有一个重要的发现，它们的大脑连接体是“小世界网络”，神经枢纽

    蒙斯说。

    connectomics)的不断发展，这是个极具挑战而又令人激动的目标。”埃

    组内部所有的连线分布情况。毫无疑问，随着大脑连接体学(brain 是，阐明网络是如何从不同的神经元组构建而成的，而无须去确定每个

    处理？” 埃蒙斯在神经科学会议上说。他认为，“也许能行得通的方法

    可以找到计算亚单元，其中的神经元功能类似，可以把其当作一个组来

    “我们必须鉴别出每一个突触才能理解大脑的连接性，还是说我们

    助。

    接体研究即使不能绘制出全部的突触图谱，也会对我们认识大脑有所帮

    络数学识别大脑的模块化结构，在人类和线虫身上都行得通，这表明连

    一个功能模块去控制行为，比如说交配这样的行为。埃蒙斯说，利用网

    新杆状线虫的网络分析揭示出：多组相互关联的神经元如何能作为

    至少需要几个连接。

    出多少个连接，以及在网络中把一个信号从一个神经元传递到另一个，信。网络数学可计算出多方面的特征，比如说，一个神经元平均能构建

    新杆状线虫上，节点是神经元，通过突触相连，神经元利用突触进行通

    相连的点表示；线被称为连接(或边)，点被称为节点(或顶点)。在

    如，通过学名为图论的网络的数学理论来描述。在图论里，网络用以线

    现出不同于人类的其他特性。线虫和人类的大脑都可被描述出来，比

    把人和线虫给分开了，但是线虫也使用一些相同的细胞信使物质，并表

    的信息。埃蒙斯在11月神经科学协会的年会上指出，尽管千万年的进化

    线虫和人有着共同的祖先，说明线虫能提供有关人类大脑如何进化

    出该线虫的全部神经元的目录，并追踪它们的2000多个连接。

    54

    态的，它能随着时间快速变化，而一些网络比其他的更灵活多变。

    如说学习和记忆有一定的帮助。相关的一个发现是，大脑网络并不是静

    利用研究网络的方法来理解大脑连接，对于了解重要的大脑功能比

    作为网络的大脑

    道。

    斯伯恩在去年9月的《神经科学期刊》(Journal of Neuroscience)上写

    离的突起构成，这不同于大脑中单一的解剖或功能模块。”冯·豪威尔和

    “全局性工作空间包括了分布广泛的神经系统，它由解剖学上长距

    域之间的通信。

    间”(global work space)，其依赖富社团的连接，来管理大脑里多个区

    的大脑过程。比如说，思想和意识可能涉及大脑里的“全局性工作空

    不同脑区的数据。冯·豪威尔认为，理解富社团会有助于领会这种高级

    发送过程中包裹内容不变。”冯·豪威尔说。大脑一直在组合并协调来自

    “在大脑或神经系统中，通信不只是把快递包裹发送到周围，并且

    社团枢纽锚定在大脑数据分享系统上，合并来自不同功能网络的信息。

    会议上说。它们出现在全功能网络中，并且还是社团成员，表明这些富

    纽之间的连接度，比我们所预期的高出约40%”，冯·豪威尔在神经科学

    此高度连接——这就是把它们变成了社团的成员。“我们观察到那些枢

    冯·豪威尔和斯伯恩发现，富节点不仅在其网络内高度连接，还彼

    态网络和大脑的表层有重叠的地方。

    接丰富的枢纽出现在“汇流区域”(confluence zones)，该区域是静息状

    纽。在研究里，这类枢纽在11个静息状态网络中都能见到。通常那些连

    被分成1170个小团，平均有17%是高度连接的，足以被当作富社团枢

    Sporns)通过绘制白质图谱研究了75个人的富社团枢纽。每个大脑灰质

    他和印第安纳大学(Indiana University)的奥拉夫·斯伯恩(Olaf (Martijn van den Heuvel)说。

    脑的全功能区域。” 荷兰乌得勒支大学医学中心的马丁·冯·豪威尔 在人类身上，富社团枢纽可见于多个脑区。“枢纽倾向于出现在大

    亮相的。

    务，把信息从一个脑区发送到另一个脑区。富社团就是在这些场所登场

    络并没有彼此紧密相连，所以大脑需要一个系统来协调其多种多样的任

    脑功能相关，比如说视觉、运动、听觉和触觉。但是不同的静息状态网

    脑扫描已经鉴别出若干这样的社区，称为静息状态网络，它们与重要的

    络由解剖区域形成的“社区”构成，其共享信息，并参与共同的任务。大

    55

    力、记忆和消极情感，都与网络的弱连接强烈度相关。

    神分裂症症状相关的大脑区域。精神分裂症症状的量度指标包括注意

    按照其解剖学位置的不同，这种弱连接也有所差异，通常涉及与精

    杂志上发表了该报道。

    准确度达75%。巴塞特和同事在2012年的《神经图像》(Neuro Image)

    较弱。可利用弱连接的模式，区分精神分裂症的大脑和健康的大脑，其

    此外，精神分裂症患者最不同于健康人的地方，就在于其大脑连接

    精神分裂症患者无法用同样的方式把那些功能分隔开。”巴塞特说。

    “对照组的健康人能把多种功能分割开，不同的脑区各行其是，而

    强连接，但是也会有某些弱连接，说明有专门的大脑系统的缺失。

    节点的连接度也较弱。但在精神分裂症上，一个特定的枢纽会拥有某些

    在健康的大脑上，连接度高的枢纽倾向于拥有强连接，而连接度较低的

    另一方面，虽然连接普遍都变得更弱了，但是它们也更加多变了。

    是精神分裂症患者大脑通信构造的衰退。”她说。

    强度与对照组的相比，都有所下降。这表明其可能是种全局性的下降，“实际上，在每一个单独的脑区上，我们见到精神分裂症的网络的

    连的节点被同步激活的可能性来量度。

    和健康人的大脑相比，一个主要的差异就是大脑连接的强度，共可用相

    上，巴塞特对近年来多个小组的若干研究发现做了概述。精神分裂症的

    神分裂症患者们的大脑网络，发现二者有很多差异。在神经科学会议

    其中一些证据来自巴塞特与合作者的研究。他们对比了健康人和精

    症和阿尔茨海默症上就是这样。”他说。

    常，那么可能会导致大脑功能障碍，而我们确实有证据表明，精神分裂

    “对于这样一种中心系统，人们就会怀疑，万一系统连线分布异

    的首要嫌犯。

    对大脑疾病提供帮助。冯·豪威尔指出，富社团的中心角色是大脑出错

    除了能说明正常大脑的工作方式，对于网络结构和功能的研究也能

    离，确实非常重要。”

    特说，“所以对个人的学习方式来说，这种核心区和周围区的功能分

    围区域的人，而不是那些核心区更灵活或是周围区更刻板的人，”巴赛

    “学习能力更强的人，是那些有着更刻板的核心区域和更灵活的周

    刻板，而参与思想和构造视觉关联的周围神经系统会更加灵活。”

    ·巴塞特(Danielle Bassett)说，参与感觉和运动的核心区域，通常都很

    “在大脑内部，有些区域往往非常刻板，” 宾夕法尼亚大学的丹妮尔相似的基于神经网络的研究，已经开始鉴别出注意力缺陷多动障碍

    (ADHD)和孤独症的若干重要特征，人们认为这些大脑疾病和错误的

    连接有关。波特兰俄勒冈健康与科学大学 (Oregon Health Science

    University in Portland)的达米安·费尔(Damien Fair)，在神经科学会

    议上报告说，ADHD患者的连接比正常人的稀疏，而药物似乎是通过削

    弱大脑的网络结构来起效。另一方面，自闭症患者的节点似乎比正常人

    的多。

    理解连接体的所有的复杂性，也许不能立即就治愈脑疾病，但是日

    益清楚的是，若是不利用图论——网络的数学——分析大脑连接，就不

    会在和大脑疾病作战中取得进步，对正常大脑的理解也不会更深

    入。“一般来说，大脑其实就是一个网络，我们应该把其当作网络去研

    究。” 冯·豪威尔说，“而图论可以是一种抽象出一般属性的技术或工

    具，这些属性可以提供更为丰富的信息，也就是基础解剖结构如何能形

    成大脑功能的信息。”

    56

    57

    说，新技术可能会是纳米级的，或者，它们将通过指示剂来间接检测电

    者们在3月26日的《美国化学会·纳米》(ACS Nano)杂志上撰写文章

    都是侵入性的，很难用在人类身上，或者分辨率很低，大脑计划的倡导

    为动作电位的电信号的主电流(main currency)。但是现有的工具一般

    如今，科学家能直接通过探测单个的神经元来检测神经通信、被称

    让数据供所有研究人员开放使用的工具。

    神经元进行实验操作的技术；第三个是要能进行数据储存、分析，并可

    可测量某个回路每一个神经元活动的工具；第二个是开发出可针对这些

    研究人员需要开发出三套工具，以便更好地理解脑回路。第一个是

    研究计划的倡导者之一。

    学科维理脑科学研究所的拉斐尔·尤斯蒂(Rafael Yuste)说，他是大脑

    “除非开发出适用的工具，否则没办法绘出示意图来。”哥伦比亚大

    为是在回路层面形成的，虽然我们对这些回路的描述依然贫乏。

    作“回路”的细胞群。大脑功能——很多时候，是大脑功能障碍——被认

    万的神经元，如何在互相协调的细胞群里面一起工作，也就是被称

    瞰似的大脑活动图。新工具会让实时绘图成为可能：成千上万甚至上百

    当前的工具只能同时监测少量的个别神经元，或是抓取模糊的、鸟

    测大脑活动，并具有更高分辨率。

    会开发出更先进的技术，和当前的技术能力相比，其可在更大规模上探

    其向前推进。2013年3月15日的《科学》杂志上，研究人员说这个计划

    多年来，科学家一直在讨论这类计划并在过去的几个月里，努力把

    年，为这个计划拨款1亿美元。

    为“借助先进的创新的神经技术来开展大脑研究” 行动，并提出在2014财

    的计划，旨在开发先进的工具，来追踪人类的大脑活动。政府称其

    持阿尔茨海默症的研究，到了3月，他又更进一步宣布了一项为期十年

    年2月的国情咨文(February State of the Union address)演讲中，呼吁支

    在华盛顿，大脑研究近来吸引了很多人的注意。奥巴马总统在2013

    普尼特·科里帕拉

    具

    奥巴马宣布了一项雄心勃勃的计划，要开发探索神经回路的新工

    人类大脑组计划

    58

    研究人员希望通过这些发现，发展出药物成瘾的新疗法，但是通往

    (compulsive cocaine use)。

    鼠特定的神经元群的活动，可促成或减少强迫性的可卡因用药

    所和加州大学圣地亚哥分校的研究人员使用光遗传学技术，通过操控大

    2013年4月3日的《自然》杂志报道说，巴尔的摩国家药物滥用研究

    学家克雷·里德(Clay Reid)说。

    做，你会真正地把握因果关系。” 西雅图阿伦脑科学研究所的神经生物

    元，神经元就打开或者关闭。“我们能选择性地激活个别神经元，这么

    在迅速发展的光遗传学领域，用光照刺激经过基因工程改造的神经

    更多有力的实验，同时，也能带来临床上的应用。

    大脑特定的功能或是功能障碍联系起来，操控单个神经元的行为会促成

    成像和测量工具使研究人员能够把神经元活性或是神经递质水平与

    按开关

    类基因组计划的领军人物。

    络员。”哈佛大学的遗传学家乔治·丘奇(George Church)说，他曾是人

    “研究人员甚至预想出人工细胞可充当测量工具和神经元之间的联

    递质的水平。

    料经过合理设计，可发出不同颜色或亮度的光，这取决于电压或是神经

    另一个令人振奋的前景是量子点、纳米级的半导体的使用，这类材

    大变革，这也是科学家们所期待的。

    进一步以每秒一千次的速度捕捉大脑的工作方式，需要显微镜技术的重

    动第一次被揭示得这般细致，这是前所未有的创举。阿伦斯说，为了更

    月18日的《自然—方法》(Nature Methods)上。脊椎动物的大脑活

    上述图谱记录了每秒一次的活动情况，该实验结果发表在2013年3

    受的散射会远远小于发散的灯光所受的散射。

    薄薄的光片去照明，而不是用灯泡；光会被雾给散射开来，但薄层光所

    米莎·阿伦斯(Misha Ahrens )把这个方法比作：在雾蒙蒙的地方，用

    州阿什本霍华德修斯医学研究所(Howard Hughes Medical Institute)的

    100 000个神经元组成，图谱涉及80%的神经元。文章的作者，弗尼吉亚

    sheet)去检测钙离子，绘出了斑马鱼幼鱼的大脑活动图谱，该大脑约由

    指示电压。最近一个研究用到了特殊的激光显微镜发射“光片”(light- 举个例子，研究人员已经利用激光显微镜来测量钙离子，钙离子可

    子，这些信使经由突触使动作电位在神经元之间传递。

    压。其他可能的测定目标，其中包括人们称为神经递质的化学信使分临床应用的道路困难重重，需要持续不断地投入。“光遗传学或类似技

    术的发展需要很多的帮助，因为其带来的好处极大，会远远地超过成

    本。”国家药物滥用研究所的安东尼洛·邦奇(Antonello Bonci)说。

    他说，光遗传学的一个很大的优势，在于其几乎能实时操作神经

    元。但其不能长期使用。在邦奇的实验室中，邦奇把光遗传学与另一种

    很有希望的技术加以互补，这项技术的时间分辨率较低，但可长时间持

    续使用。该技术涉及神经元的移植，神经元经过设计改造，可对特定的

    化合物产生反应。注射特定的化合物，可使细胞激活或失活。

    迎接正在涌来的数据洪流

    监测并操作单个的细胞只是部分挑战，每秒一千次地追踪一百万个

    神经元将会产生大量数据，需要软件、数据库和硬件来储存并分配这些

    信息，还要对其进行加工处理、分析。项目的倡议者们2013年1月在加

    州理工学院开了个会，讨论如何应对数据需求——同时处理一百万个神

    经元的话，大概需要每秒处理1GB(千兆字节)的数据。

    会上的一份报告称，研究人员可以把数据压缩10倍，且不会牺牲关

    键的细节，最终，数据问题应该会有办法解决。另一个拟议的大科学项

    目，“大型综合巡天望远镜”(Large Synoptic Survey Telescope，LSST)

    项目，每年会产生大约10 000 000GB的天文学数据，从21世纪20年代初

    期开始，正好是百万级神经元工具上线的时候。

    技术障碍并不是尤斯蒂和他的同事唯一担心的事，华盛顿又发生财

    政危机，很难去启动什么大项目。资金的不确定性，让科学家们又添疑

    虑，他们想知道，是否会从其他科学研究中拿出钱来，去资助一个缺乏

    具体的最终目标的“大科学”项目。

    59图片权利和来源(IMAGE CREDIT)：R.YusteColumbia Univ

    一种追踪钙的技术已经能测量小型的神经元群的活性。

    国立卫生研究院院长弗朗西斯·柯林斯(Francis Collins )说，他的

    机构已经组建了一个工作小组，由神经科学家和一些纳米科学家组成，来管理项目的时间表和科学目标。洛克菲勒大学的神经科学家科莉·巴

    格曼(Cori Bargmann)是联合主席之一，他之前表示过担忧，项目可能

    会拿走其他神经科学工作的资金。

    纽约大学的神经科学家盖瑞·马库斯(Gary Marcus)说，该项目过

    多地集中在工具开发上了，不过他也注意到政府的提案也许足够灵活，可以资助其他神经科学研究领域的项目。

    他担心如果工具开发出来了，但没有带来人们预期的各种希望，不

    知道到时候会出现什么状况。“我们肯定会了解到一些东西，”马库斯

    说，“但是否了解到了我们想知道的一切，则是另一个问题。”

    60

    61

    要编制出大脑里所有的零部件和活动过程的目录，探索细胞和分子如何

    控制大脑。最终，如果要成为又一个由总统促成的科学成就，该计划就

    了1.1亿美元的联邦经费支持，旨在激励科学家开发新技术，去测量并

    要理解大脑如何运作，科学家需要工具来研究。“大脑行动”第一年获得

    单：在医生们能修复大脑之前，科学家先得理解大脑是如何运作的。而

    through Advancing Innovative Neurotechnologies)的简称。其出发点很简

    是“借助先进的、创新的神经科学技术来开展大脑研究”(Brain Research 这就是为什么奥巴马总统支持“大脑行动”(BRAIN Initiative)，这

    的折磨。

    抑郁和药物成瘾——而在世界各地，数以百万计的人们饱受着这些疾病

    题，会帮助提供各种大脑疾病治疗方法——从自闭症和阿尔茨海默症到

    话会改变世界。深入理解大脑如何运作以及运作失常时是哪里出了问

    但是，与因总统提议而促成的其他具有挑战性的事业一样，成功的

    秘。

    度上依然模糊难辨，思想、学习、情感和记忆的背后，隐藏着无尽的奥

    于图书馆里井然有序的书架和编目完备图书，大脑的组织结构在很大程

    质。一块豌豆大小的脑组织，包含的信息比国会图书馆还多。但是不同

    行通信，而通信利用的是复杂的电活动模式和100多种不同的化学物

    人类大脑里有850亿个神经细胞，它们通过数以万亿的神经连接进

    其他那些事业在一开始，就能看得到终点，可认识大脑不一样。

    这些类比可能不那么确切。相对于理解神秘的大脑内部工作机制，基因组计划，或者下一个登月计划。

    来认识大脑，人们迅速就把其视为下一个曼哈顿计划，或者下一个人类

    所以，当奥巴马总统在2013年4月宣布了一项雄心勃勃的计划——

    物学家给欣赏他们工作的克林顿总统呈上了第一份人类遗传目录草图。

    总统造出了原子弹；NASA的工程师为肯尼迪总统把人送上了月球；生

    要是美国总统提出请求，科学家一般都会响应。物理学家为罗斯福

    劳拉·桑德斯

    破译大脑思想及行为的密码

    总统振臂一呼，神经科学家应者云集，大家一起来解谜，最终将

    向大脑进军创造出思想和行为，并造出强大的新武器来消灭大脑和精神疾病。

    然而，且不说那些科学挑战——每个挑战都巨大无比，这个计划还

    面临着很多重大的后勤方面的障碍。比如说，还不清楚各个政府机构和

    私人研究所参与这个项目会如何协调各自的工作。同样不清楚的是，大

    脑行动将怎样和欧盟的13亿美金的人类大脑计划(Human Brain

    Project)结合起来。有的科学家说，大脑行动的初始资金太微不足道

    了，以至于无法取得真正的进步，况且未来的资金还有政治上的不确定

    因素。

    很多科学家都说，可能最令人困扰的问题是大脑行动没有明确的目

    标。不像蘑菇云、收集月球岩石或是为人类编写软件，大脑计划未展望

    任何实质性的结果。“这个计划上，成功会是个什么样子，还不清楚。”

    托马斯·因泽尔(Thomas Insel)说，他是马里兰州贝塞斯达国家精神卫

    生研究所的主任。

    尽管有这些警告，可是很多神经科学家还是非常感谢奥巴马总统的

    宣告，因为这提升了大脑研究的地位，也让人来关注他们的团体。“总

    统说的时候，人们听到了，”西雅图艾伦脑科学研究所的克里斯托夫·科

    赫说，“我认为，这本身就是件非常重要的事。实际上这说明神经科学

    的时代到来了。”

    62

    虽然大脑行动的目的很难用具体的语言表述，但这个计划富有远

    雄心勃勃的目标

    图片权利和来源(IMAGE CREDIT)：E.Otwell

    63

    问题。”

    室的副主任杰弗里·凌(Geoffrey Ling)说：“如今现役士兵有很多医疗

    有针对性，2014年他们投入了5000万美元用于治疗士兵。国防科学办公

    和NIH一样，DARPA 也强调要开发新工具，但是他们的目标更富

    说，其目标、里程碑和时间轴还要再打磨。

    对容易达成，也许花上几年甚至几十年就可以了，但就最终的报告来

    专家小组的成员谢诺沃斯基说，这里的每一个目标，单独来说，相

    计和建模方法。

    这些神经元行为。为了让这一切数据有意义，报告呼吁要改进理论的统

    能在同一时间侦听多个神经元，并允许科学家不单可以听、还可以改变

    进一步的重点领域包括了技术开发，拟开发出一种新技术，该技术

    具，可以清晰生成人类大脑解剖图谱。

    单，对开发强有力的新工具也很重视。其中一个目标是要求开发一种工

    者说神经元进行普查，是这些细胞共同作用产生了行为。这个愿望清

    域，他们都极具雄心。比如，NIH小组想要对各种不同类型的脑细胞或

    2013年9月，委员会发布了一份初步的报告，描述了九个重点领

    须包含哪些内容。

    夏天举办了四场研讨会，和参会的神经科学家们一起讨论了这个行动必

    克菲勒大学的科妮莉亚·巴格曼(Cornelia Bargmann)领导，在2013年的

    个专家小组由斯坦福大学的威廉·纽瑟姆(William Newsome)和纽约洛

    紊的研究路径，一开始就委任了一个16位神经科学家组成的委员会。这

    NIH为2014财年提供了4000万美元的经费，他们走的是一条有条不

    究所的珍利亚农场研究园区。

    研究所、Kavli基金会和位于弗尼吉亚州阿什本市的霍华德休斯医学研

    大脑行动的使命。参与这个行动的私人机构，包括索尔克研究所、艾伦

    (National Science Foundation，NSF)——大家都用自己的方式来解释

    Advanced Research Projects Agency，DARPA)和国家科学基金会 (National Institutes of Health，NIH)，国防高级研究计划局(Defense 心的组织机构，仅有三个政府机构参与的情况下——国立卫生研究院

    方式来定义他们的任务。但是要如何进行，还没有达成共识。在没有核

    负责把这些深奥的目标转化成了具体的行动的人，开始用更精确的

    协调庞杂的知识？”

    看到外面的世界，理解万事万物呢？为何我们能做出决定？为何我们能

    研究所的特里·谢诺沃斯基(Terry Sejnowski)说，“为何我们的大脑能

    见，前景光明。“最终目标是理解我们是谁，”加州拉霍亚的索尔克生物“当前，死于自杀的军队士兵比打仗伤亡的还多，”凌说，“而这只

    是冰山一角。” DARPA 解释了其在大脑行动中的角色，用来缓和士兵

    中蔓延的某些致命的精神健康问题。

    64

    去制造新的医疗器械，需要计算神经科学家去发展神经元如何传递信息

    疗，首先是侦听异常的电信号，然后校正这些信号。该计划需要工程师

    DARPA期望设计一种器械，该器械能用于精神健康问题的诊断和治

    性脑损伤和其他疾病患者的大脑的神经活性，并刺激他们的大脑。

    统性神经科技) ，寻找新的方法记录创伤后应激障碍、焦虑症、外伤

    (Systems Based Neurotechnology for Emerging Therapies，新型疗法的系

    2013年10月和11月，DARPA 宣布了两项计划，称为SUBNETS 作机制。

    是专注于改善现有的技术并开发新技术，在越来越小的尺度上，探索大脑的内部工

    过程进行精心编排，让大脑能进行思想、学习并能控制其行为的。行动的核心内容

    脑科技 奥巴马总统的“大脑行动”想要全面理解：神经细胞是如何对分子和电

    Karl DeisserothHHMI, Stanford Univ.

    图片权利和来源(IMAGE CREDIT)：Y.Kaneonke et alPloS One 2012; Kwanghun Chun 的理论，还要有临床医师来测试设计原型。

    65

    第二个计划，称为RAM (Restoring Active Memory，恢复活跃的记

    图片权利和来源(IMAGE CREDIT)：Gyorgy Buzsaki LabNYU; E.Otwell

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    举个例子，精神病药物能改变神经元行为，但是结果不精确，就像

    人类神经元的活动。

    生成特殊的光敏蛋白。现在，科学家被迫依赖精确度较低的方法来改变

    但是其在人类身上行不通，因为该技术需要进行遗传改造，使神经元能

    工具——光遗传学，研究人员可以用光来控制动物身上特定的脑细胞，还需要全新的方法来精确地控制神经元的行为。有一种强有力的新

    要有全新的理念。”

    呢？你要放的话，会毁掉大约七个街区。超大号的现有技术行不通，需

    磁场。让我们做一个50特斯拉的磁体，你想把这个磁体放在哪个城市

    却有解析度的局限，”凌说，“我们能怎样改进它呢？容易，建造更大的

    的最小单位。“MRI向你展示了精彩的神经解剖学细节，很出色，但是

    节。一百万个神经元可存在于一个像素里，像素是功能性MRI能检测到

    其广泛活动模式的解剖图谱。MRI技术虽然不错，但依然丢失了很多细

    磁共振成像技术(或称MRI)可以让科学家获得良好的有关全脑及

    线化、小型化了。”

    用20世纪50年代的技术，”因泽尔说，“然而其他领域已经学会怎样去无

    依靠几十年前设计的电极去侦听神经元行为。“神经科学领域依然在沿

    能放大来观察，甚至还能处理那些神经元。现今常用的方法之一，乃是

    科学家想要同时监测多种神经元的电信号和化学信号，这期间还要

    解。” 因泽尔说。

    位，这样我们就能对健康人和病人的大脑都是怎样运行的有更深刻的了

    个计划都描述了建造工具的方案。“我们力图让工具和基础设施都到

    拟资助的项目发布了六个要求，这些项目是大脑行动的一部分。其中每

    NIH最初的计划反映了这种信念。2013年12月17日，这个机构针对

    位。在我们拥有这些工具之前，真是无法取得进展的。”

    “工具必须成为焦点，” 谢诺沃斯基说，“我们必须让那些工具到

    远远不够的。

    学家们侦听并操纵神经元的能力已有巨大的飞跃，但是当前的方法还是

    精神疾病并恢复失去的记忆，仅仅利用今天的技术是不可能的。即使科

    要达成这些雄心勃勃的目标——弄清楚神经元如何创造行为，治疗

    寻找新工具

    时间线是四到五年，这不是开玩笑。”他说。

    去的记忆。该计划由凌设计提出，打算将观念迅速变成装置。“我们的

    忆)，旨在开发一种可植入大脑的装置，能帮助士兵或退伍军人恢复失是用油去熄灭整个汽车引擎。大脑里每个细胞都接受了药物，而只有少

    数神经元真正需要药物。此外，大多数情况下，科学家依然不理解精神

    病药物是如何发挥作用的。一种不同的、不需要药物的方法可能会发挥

    更好的作用：深脑刺激(deep brain stimulation)。它可以作为大脑的起

    搏器，用植入脑内的电极电击神经通路，这种深度脑刺激在治疗帕金森

    和严重性抑郁症的患者方面显示出广阔的前景。然而，与精神病药物一

    样，这个技术依然不精确，人们对其的认识也不充分。

    67

    科学家们需要更新更强有力的工具，而不是更多的扳手。艾伦研究

    些工具太粗糙了，” 谢诺沃斯基说，“就像是用扳手处理计算机。”

    “我认为人们利用当前的工具处理不了像大脑那般复杂的东西，这

    身上不可行。

    光有反应。虽然已经在小鼠这样的动物身上得出了有用的结果，但是光遗传学在人

    在光遗传学中，科学家利用光去控制脑细胞，这些细胞经过基因改造，会对

    图片权利和来源(IMAGE CREDIT)：Inbal Goshen Karl Deisseroth

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    个政府机构参与(DARPA、NIH 和NSF)，但他们都很清楚其他机构

    会带来迅速的进步，不会有无谓的重复劳动，也不会有麻烦。尽管有三

    当前没有哪个机构或是哪个人负责该行动。这种权力的分散，可能

    政府机构来说，也一样需要改革研究方法。”

    们需要改革人们做研究的方法，” 谢诺沃斯基说，“对参与大脑行动的非

    到一起，也需要神经科学家协调他们的工作，并自由地分享数据。“我

    生物学多加了解。为了成功，大脑行动需要把这些不同领域的专家凝聚

    大量复杂数据也日渐增多，神经科学家将需要对统计学、工程学和计算

    的问题上必然要面临巨大的变化。但是，随着神经科技的进步，产生的

    要让这些愿景成为现实，意味着神经科学家在如何进行自己的工作

    都不要去想的事，” 纽瑟姆说，“这是激动人心的愿景。”

    将是在完全清醒的活体动物或人身上进行，“这是神经科学的历史上想

    为、绘制这些神经元间连接的图谱，以及控制这些神经元，而这一切都

    其回报将是巨大的。技术能力要能容许同时记录好几万个神经元的行

    纽瑟姆说，如果大脑行动是要做出下一种伟大的脑技术的孵化器，愿景成真

    么要算出整个小鼠皮层中每一个突触，花几千美元就够了。

    胞上取得过成功。扎多尔估计，如果这个技术可以在动物身上使用，那

    能重建大脑里所有的物理连接。迄今为止，这个团队只在培养皿里的细

    DNA标签与突触——(神经元之间的通信连接)的融合方式，计算机就

    们的方法用的是遗传手法去标记带有独特的DNA链的神经元。通过那些

    扎多尔和同事试着利用DNA序列来解决问题，而不是用显微镜。他

    (Anthony Zador)认为可能还有更好的方法。

    试靠的是强有力的显微技术。但是纽约冷泉港实验室的安东尼·扎多尔 科学家也在绘制神经元连接图谱方面取得了一定的进步。大多数尝

    士的一致赞叹。

    珍利亚农场的研究人员播放了一段斑马鱼脑活动的影片，赢得了业内人

    利亚农场的执行总裁杰拉尔德·鲁宾(Gerald Rubin)说。2013年3月，动的想法并不新鲜，但是这种新方法的敏感性比以往的方法都高。”珍

    白，研究人员能观察到单个的神经元发送信息。“利用蛋白探测神经活

    和小鼠的神经行为。经过遗传工程改造的神经元，会生成GCaMP蛋

    珍利亚农场的科学家设计出了若干复杂的方法来说明斑马鱼、果蝇

    数百个神经元的行为。

    作，要制造一种微小但强劲的电极，这种电极能够以极高的精确度记录

    所、HHMI和其他机构已经与一家名为IMEC的纳米电子学研究中心合在做什么，彼此的优先度各异，不会合并在一起。“我们都忙着让这些

    项目启动，我觉得我们没有时间去想它们要怎么整合。”因泽尔说。

    被白宫称为“合作伙伴”的私有集团也确立了自己的路线，在他们认

    为合适的地方花自己的钱。由于艾伦研究所、索尔克研究所和珍利亚农

    场的目标与联邦政府的目标非常一致，这些研究所预计不会改变他们之

    前所设定的研究议程。

    “合作伙伴关系是个很有趣的说法。” 珍利亚农场的鲁宾说。在某种

    意义上，珍利亚农场是合作伙伴，因为他们把很大一笔钱(每年3000万

    美元)投向了那些与大脑行动目标相一致的项目。那些研究大多聚焦于

    果蝇大脑中的信息是如何储存和如何加工处理的。“我们与NIH、NSF和

    DARPA这些人一起围坐在一起，确定目标是什么，然后共同决定我们

    要做什么，在这个意义上，我们并非合作伙伴。”鲁宾说。

    同样，科赫说艾伦研究所已经在着手解决NIH小组提出的大多数问

    题。“我们正在完成大脑行动的部分使命。”他说。艾伦研究所的科学家

    正在构建详细的小鼠大脑图谱，这可能有助于理解人类大脑是如何运作

    的。

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    作体系，计算机也会变得前所未有的强大。教室、军队训练营和审判室

    病，比如说自闭症、阿尔茨海默症和外伤性脑损伤。通过照搬大脑的运

    处几乎是难以想象的。临床医师能够中和——乃至预防——毁灭性的疾

    即使这个计划失败，科学家依然会有很多收获。如果计划成功，好

    划相比，大脑最有价值。

    型工具库，一齐猛攻大脑这荒凉之地。和奥巴马总统可能支持的其他计

    大脑行动成功的愿景大到惊人——成千上万名神经科学家配备了新

    大脑细分领域做出新的成就。”

    索神经科学研究的全新领域，这会促使世界各地的无数实验室在各自的

    (Current Biology)上写道：“利用精细复杂的工具，大脑计划承诺去探

    或是开启记忆、情感和思维的奥秘。”埃迪在4月下旬的《当代生物学》 描述是：这是一个楔子，而不是一种允诺，答应人们来治愈大脑疾病，珍利亚农场的肖恩·埃迪(Sean Eddy)说：“也许对大脑计划的最好

    人们会很失望。”

    说，经费支出必须得有正当的理由。如果大脑行动未能如期做出成果，是一个开放型的项目？推销很重要。当前经济紧缩，对政客和公众来

    动口号和一个具体的可交付的成果。或者，在多大程度上你们能承认这

    罗计划那样的项目，要到什么程度呢？在这种情况下，你们要找一句行

    髓。”扎多尔说：“这个问题至关重要。我们力图把其描述为一个像阿波

    说，“但是这个小组还没能推出一种有力的方式，把握这项目的精

    明确的方式。“我们委员会已经讨论过很多，也想了很多，” 纽瑟姆

    号，需要用一种简单的方式说明大脑行动的重要性。迄今为止，还没有

    为了让给政府预算投票的政客们接受项目，科学家需要标语、口

    提供更多的支持。

    很小，这些钱就是预付的订金，但雪球会越滚越大，希望国会将为项目

    因泽尔说，尽管对很多科学家来说，大脑行动初始的经费规模似乎

    上。

    元在其新宣布的项目上，而NSF将花2000万美元在已经开展的相关项目

    是57亿美元，投给大脑行动的还不到1%。2014年DARPA将花5000万美

    4000万美元到大脑行动上，而这个机构每年花在神经科学研究上的资金

    新的联邦资金。而到目前为止，新的联邦资金不足。2014年NIH投入了

    除了正在开展的私人资助的研究，大部分新的大脑行动研究会需要

    的连接图谱。

    艾伦脑科学研究所是与大脑行动合作的一个机构，他们一直在绘制小鼠大脑

    图片权利和来源(IMAGE CREDIT)：Courtesy of the Allen Institute for Brain Science都能被优化，以发挥人类大脑的优势。这些都是神经科学家们的动力，而就其不足之处来说，大脑行动已经成功地让人们去梦想种种可能了。

    “我无法告诉你，从现在起这两年时间会发展到什么地步，” 谢诺沃

    斯基说，“但我能说的是，一定会是很超前的进步。”

    大脑行动的优先领域

    为了回应奥巴马总统提出的新的重大行动——理解大脑——要求，国立卫生

    研究院组建了一个委员会，拟定出一份优先领域的名单。这个小组列出了9个重点

    领域，简述如下：

    1.进行细胞类型普查

    描述神经系统中各类细胞的特征，并开发工具来观测并控制它们。

    2.建立大脑的结构图谱

    绘制局部和分散各处的神经回路中参与连接的神经元的图谱，以便理解神经

    元结构和功能之间的关系。开发工具，以在各个尺度上重建神经回路解剖学，并识

    别回路输入和输出信号。

    3.开发新的大尺度网络记录功能

    利用现有技术的改进，以及全新的技术，记录各个脑区长期的完整网络中的

    神经元活动。

    4.开发一套神经回路控制工具

    利用光遗传学、药理学、生物化学和电磁学工具，激活或抑制神经回路的活

    动。

    5.关联神经活动和行为

    理解认知和行为的神经基础，利用各种技术测量和操控神经元活动，同时在

    各种条件下进行精确观察。

    6.整合理论、建模、统计学、计算结果和实验

    利用新的挖掘、分析和解释数据的方法，用理论和统计学来理解无法依赖人

    类直觉的复杂的大脑功能。

    7.描述人类成像技术的基础机制

    提高人类大脑成像技术的空间和时间分辨率，更深入地理解用以构成图像的

    多种信号的细胞机制。

    8.建立机制，以确保人类数据的收集

    发展用于临床治疗研究的高伦理标准，同时收集人类在进行诊断性脑监测或

    是接受神经学技术临床应用时所产生的有用信息。

    9.知识普及和培训

    在科学和医学团体里中，通过迅速普及新发展出的技能和工具，推进项目的

    发展。

    71新的图谱揭开了大脑生长及网络的神秘面纱

    劳拉·桑德斯

    最近出现的两个新的图谱清晰地示明了人类和小鼠的大脑，可供人

    们深入地理解大脑是如何构建并运行的。该研究由西雅图艾伦脑科学研

    究所(Allen Institute for Brain Science in Seattle)的科学家领导，发表在

    2014年4月10日的《自然》(Nature)杂志上，和近期其他研究一样，该研究在大尺度水平上对大脑进行了描述。

    这个新的大脑图谱所覆盖的区域仍在发育中。通过研究四个死去的

    胎儿的大脑，研究人员能够描述不同区域的基因是如何调控人类大脑的

    成长的。有图谱可以展示出这些基因激活的时间和位置，可以为复杂的

    神经疾病提供线索。

    小鼠图谱(如图所示)显示了成年小鼠大脑里星罗棋布如蜘蛛网一

    般的神经连接。这个图是以位于295个特征脑区的15%～20%的神经元为

    基础生成的。该图谱将帮助有志于此的科学家弄清楚大脑是如何处理信

    息的。

    72图片权利和来源(IMAGE CREDIT)：Qian Chen

    73一个闪光的念头

    劳拉·桑德斯

    最近出现的一项基因微调技术，可以让人们更容易观察活着的、有

    气息的动物的神经元运作状态。2012年10月18日的《神经元》杂志介绍

    了这种方法，利用的是活动中的神经元的性质：细胞放电的时候，钙离

    子流入。对GFP蛋白进行基因调节，会使GFP蛋白在钙离子出现时发

    光。这就像个信标，发光的蛋白(观察这些中心为粉色的神经元上的绿

    光)会告诉科学家哪个神经被激活了。麻省理工学院的神经科学家冯国

    平(Guoping Feng)和同事利用小鼠的蛋白来观察嗅觉感受神经元对气

    味的响应，也观察了行走时运动神经元的发光情况。这个团队也观察到

    了气息掠过胡须时会发光的神经元。将来，这项技术可让人对复杂的大

    脑任务有更清晰的认识，比如说记忆、问题解决和社会交流，可以用实

    验揭示像自闭症患者的神经细胞的行为有何异常。

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    图片权利和来源(IMAGE CREDIT)：Kwanghun Chung Karl DeisserothHoward HughesMedical Institute and Stanford Univ.

    75把大脑看穿

    更换脂肪分子，让小鼠器官通体透明

    普尼特·科里帕拉

    为了迎接大脑成像领域的巨大进步，科学家们只需要去除脂肪。洗

    掉不透光的脂肪分子，就会让小鼠大脑变得几乎完全透明了，同时脑结

    构和差不多所有的重要特征还得以保留。研究人员在2013年4月10日的

    《自然》(Nature)杂志上报告了这个成果。

    “这种新方法能帮助研究人员进行全脑成像和脑内的线路组成，同

    时还能做精细的分子和细胞分析。”克雷·里德(Clay Reid)说，他是哈

    佛大学和位于西雅图的艾伦脑科学研究所(Allen Institute for Brain

    Science)的神经生物学家。并未参与该项研究的里德说，“这篇论文很

    好看，很多人都想用这种技术。”

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    一项新技术可以让小鼠大脑变成透明的，让研究人员更方便观察神经元(绿

    图片权利和来源(IMAGE CREDIT)：B.G.Wilhelm et alScience 2011色)是如何连接的。

    一般情况下，研究人员为了仔细地观察细胞和分子结构，要切出薄

    薄的大脑切片，但这样做，就无从了解神经元是如何与远处的脑区进行

    连接的。另外，利用光学显微镜观察全脑存在隐患。

    光不能照亮器官内部，主要是因为脂质(这是一类含有脂肪的分

    子)能阻断并驱散光。脂质有助于维持大脑的结构，移除脂质会造成大

    脑解体。斯坦福大学的卡尔·戴瑟罗斯(Karl Deisseroth)和同事设计出

    了一种方法，尽量减少那些权衡取舍。他们把小鼠的大脑拿出来，放在

    一种含有类似塑料物的化学溶液里。加热后，化学混合物就变成了透明

    的胶状物，像胶一样把大脑除脂质之外的各个部分粘在一起。接着研究

    人员用清洁剂冲洗大脑，结果，大脑变成透明的了，但神经元、神经连

    接、蛋白质，DNA以及其他重要的结构则依然如故。大脑是如此透明，因此研究人员能用显微镜来观察神经元和神经纤维这些精巧的细节构

    造。科学家利用给某些类型的分子染色或是让它们发光的标记技术，也

    能测量大脑里特定分子的水平。

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    有人正在数据里搜寻阿尔茨海默症的细微特征。还有人利用跨文化的研

    可，可以在他们自己的研究中使用Lumosity的数据。这些研究人员里，实验室研究挖掘数据。别的研究人员也注意到了这点，有些已经得到许

    有关大脑的一切，否则就要花很多很多钱、很多很多年，去利用标准的

    他们相信他们有了一种灵活的、可定制的而且便宜的方法，去发现

    人类头脑运行的深奥。

    而言，Lumos实验室的研究人员希望，他们的大脑训练数据能揭示有关

    钱去学习并提高自己的副产品，这将会彻底改革人类健康和行为。具体

    Lumosity的游戏。有些科学家认为，像这样巨大的数据集，成了人们花

    中。在最近的记录中，用户花了3800多万个小时，玩了十多亿轮

    脑数据集中，并入其他遍布全球的用户所生成的数十亿计的电子记录

    开发者们手中。在那里，你的每一个反应都会被存放进世界上最大的大

    据都会通过互联网进到Lumos实验室的科学家手中，也就是Lumosity的

    但你不是唯一一位能使用这个信息的人。每点击一次，你的表现数

    10：34喝了一杯半中度烘焙的咖啡之后，脑力达到了最佳状态。

    化其表现。比如说，通过详细的记录保存，你会发现，你在周四上午

    来的进步。这些个人的电子账簿记录提供了许多线索，可以帮助人们优

    的项目也有衡量指标，能让用户记录跟踪他们几周、几个月，甚至几年

    脑力，而这些游戏承诺他们用简单、有趣的方法来达成目的。Lumosity

    五千万人注册了Lumosity，他们这么做，大概是因为想提升自己的

    等。

    初衷，是为了训练简单的认知技能，比如说算术、专心程度和短期记忆

    节。完成这电子简介之后，你就能进去开始玩游戏了。这些游戏设计的

    年龄、睡眠情况、一天中最有效率的时段，以及其他的生活和习惯细

    你要是被广告吸引，首先你会去Lumosity注册个人信息，包括你的

    到更好的生活质量。

    Lumosity的广告，这是个大脑训练计划，允诺会让你变得更聪明，享受

    如果你有一台电视、一台计算机或是一部智能手机，你可能看到过

    劳拉·桑德斯

    海量的大脑训练数据集受到科学家的青睐

    环球神经实验室究去探究更根本的奥秘：大脑如何构筑情感，记忆如何运作。

    在纯洁的、无菌的实验室之外所收集的数据，可能会凌乱不堪，也

    缺乏传统研究所具有的保护措施和质量控制手段。而巨大的数据集会很

    难处理，也不透明，真正的结果可能会被埋没在堆积如山的无关信息之

    下。但是，即便有这些瑕疵，希望还是很大，数据集有多大，希望就有

    多大。斯坦福大学的阿内特·朱拉克(Anett Gyurak)说：“我刚启动对

    Lumosity数据的研究，科学上，这真是个不可思议的机会。”

    谋大事

    Lumos实验室的联合创始人迈克尔·斯坎伦(Michael Scanlon)和他

    的合作者开创公司的初衷，并不是要让科学家能用到大量免费的电子化

    大脑数据。创始人的想法是，人们能通过玩在线游戏来提升其思考和记

    忆能力。依然有科学家在力图去证明大脑训练是否真正有用。但是他们

    努力经营的副产品——Lumosity数据集，却成了意外之喜。“我之前不

    知道我们会积累这么多的数据。” 斯坎伦说。斯坎伦在创业之前曾在斯

    坦福大学受过神经科学的训练。

    广撒网 近来使用Lumos实验室数据集的研究，与类似的实验室中睡眠和记忆

    研究相比，样本的数量要大得多，也宽广得多。不过那些广泛的数据没有实验室研

    究数据针对性强。

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    的测试数据就相当于把这些人带进了实验室。“而且，如果是2000人，供反馈和评分。测试结束后，斯坎伦意识到他在一小段时间内所收集到

    游戏原型。一个小型测试小组里有30人左右，他们在线玩某些游戏并提

    用的大脑数据是在2006年。当时斯坎伦和同事设计出了一些用于测试的

    首次有迹象表明Lumosity也许能提供一种简单的方法来收集大量有

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    “大量价廉的数据集最终会改变阿尔茨海默症研究所用的方法。而

    说。

    些游戏，一年四次，’我们将用这个来确定你大脑的功能表现。”韦纳

    疾病诊断。“你可以想象一下，你的医生会说‘你应该到这个网站来玩这

    个团队成功，游戏表现可作为认知减退的标记，那么这些游戏就可用于

    的迹象，通过这些迹象去探求阿尔茨海默症的病因和治疗方略。如果这

    微症状。他和同事打算跟踪人们一段时间内的游戏表现，寻找认知减退

    海默症研究，他刚开始梳理Lumosity的数据，以搜寻阿尔茨海默症的细

    迈克尔·韦纳(Michael Weiner)在加州大学圣地亚哥分校做阿尔茨

    表现，以了解麻醉后是否可发现认知减退的现象。

    题。在将来的研究中，多来斯瓦米计划在手术前后测量人们的Lumosity

    但科学家希望这些结果能启发其他人，更深入了解数据，以厘清这些问

    饮酒的人，比滴酒不沾的人和重度饮酒的人都拥有更丰富的社交生活。

    也许还有很多其他的相关因素带来了这种影响——可能的事实是，偶尔

    这些结果并不意味着良好的睡眠和适量的饮酒会让你变得更聪明。

    上发表了报告。同时，表现最佳的人是那些每天喝一两杯酒的人。

    在6月20日的《人类神经科学前沿》(Frontiers in Human Neuroscience)

    就是这三种任务上表现最佳的人，是那些每晚睡七个小时的人。该团队

    Lumosity的数据，不过多来斯瓦米团队的研究结果与前述研究相符，也

    之前有人对伦敦约5000名白领公务员进行过研究，该研究没用过

    久、喝多少酒。

    多来斯瓦米和同事分析了1.2万人的表现，这些人已报告过他们睡多

    以下三类表现的影响：工作记忆、空间记忆和速算。针对每一个任务，和Lumos实验室的科学家们组建了团队，他们研究睡眠、酒精和年龄对

    Doraiswamy)是最早意识到Lumosity的数据集的潜能的科学家之一，他

    杜克大学的神经科学家P.穆拉里·多来斯瓦米(P.Murali

    能让我们对大脑有怎样的了解。

    得过中风的人。但是一些项目的焦点并不是产品的潜在好处，而是数据

    问题的人，比如说某些癌症幸存者、有精神病症状的年轻人，还有那些

    数据。迄今为止，这些研究项目大多聚焦在游戏是否能帮助那些有大脑

    人类认知计划(Human Cognition Project)递交提案，也能得到他们的

    化公司的产品。但是外部的使用者向Lumos实验室的学术外联机构——

    Lumosity用户数据主要被Lumos实验室内部使用，帮助科学家去优

    数据集就能成长壮大。”

    哪怕5000万人，都不会有任何困难，”斯坎伦说，“无须任何额外工作，此刻的问题并不是创意缺乏，问题在于没有资金来试验这些想法。一个

    临床试验要花数百万美元。”韦纳说，“Lumosity的数据收集，并不像临

    床试验中里那样认真仔细。但优势在于，数据有那么多!还是免费

    的。”根据最近的统计，Lumosity的用户遍及全球160个国家；相反，实

    验里开展的典型的神经科学研究，只是募集少数的当地大学生来参与。

    这种国际性的群体，可能会揭示出生活在不同国家的人们的大脑怪癖。

    来自加州大学圣地亚哥分校的布兰德利·沃特科(Bradley Voytek)

    的初步研究结果表明，生活在交通事故死亡率高的国家的人们更容易分

    心，这是通过一个特殊的Lumosity游戏测定的，该游戏要求人们把分散

    注意力的小鸟给忽略掉。他说，“我们并不知道根本的原因所在，不知

    道是教育还是营养或是其他什么原因。但是我们发现，如果所居住的州

    或国家的人们更容易分心，那么可能死于严重车祸的人占其人口比例也

    更高。这也是通过非常简单的游戏测定的。”

    这些结果来自游戏，但它们并非无足轻重。面临风险的州或国家，可以通过强化安全措施来更改其道路法规。也可以通过训练来避免分

    心：射击游戏可提高参与者专注于视觉信息的能力。

    全球性数据也可以让科学家检验，某些神经科学家深信不疑的有关

    大脑如何运行的理论，是否真的是普遍适用的。虽然研究人员一般都假

    定实验室的研究结果，可普遍适用于所有大脑，但无论在哪儿，认知特

    点的典型研究的被试对象都是通常相对富裕、工业化国家的人。所以很

    有可能，对于大脑的普遍事实，到头来也并不是那么普遍适用的。

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    饮酒和睡眠 最近一项涉及16万多名用户的研究显示，每天饮酒一两杯，每

    图片权利和来源(IMAGE CREDIT)： M Atarod晚睡7小时左右的人，在测量空间记忆的Lumosity游戏中的表现最佳。

    “理论上，我们想要找出全球通用的原则。人们是如何行事的？”沃

    特科说，“但是我们这些全局性推论，都是以带有很强偏差的群体为基

    础的。”比如说，研究已经表明，在工作记忆上，人们往往也有类似的

    因偏差而来的限制。工作记忆是头脑里同时记住某些事情的能力。利用

    Lumosity的数据集，沃特科计划找出那些限制中所表现出的地理性差

    异。

    当然，这么大的数据集也带来挑战。虽然数据集跨越全球，并且让

    人觉得数量浩大无边，可是数据本身就有选择偏差。“出现在我们数据

    集里的人，是对认知训练感兴趣的人，” Lumos实验室的研究科学家丹

    尼尔·斯腾伯格(Daniel Sternberg)说。对认知训练不感兴趣的人，还有

    没钱烧在游戏上面的人，就在这数据集里得不到很好的体现。

    多来斯瓦米并不认为所有的研究都受这些问题的限制。实验室研究

    也倾向于征募相对富裕、对神经科学感兴趣的人，他认为研究总会有选

    择偏差。

    对Lumosity的测试来说，试验环境完全不受控制。人们可以在非常

    嘈杂的火车里玩游戏，也能在通宵不眠后玩游戏，Lumosity注册用户家

    8岁的女儿也能过来玩一玩。这些数据杂乱无章，但是数据集却又是如

    此庞大。

    好梦成真

    Lumosity数据集才刚刚开始找对自己的声音，在某种程度上，这声

    音缺乏深度。Lumosity所知的唯一一件事，就是人们在屏幕上输入了什

    么。没有大脑扫描，没有遗传信息，没有面对面的评估。在数据集中纳

    入数百万人的大脑扫描和基因测试结果，还依然是个遥不可及的梦。但

    是已有人设法把更多的数据集整合到一起，那些数据集涉及数千人，已

    经被证实是有用的。

    有家名为Brain Resource 的公司，收集了大约5000人的认知调查问

    卷和测试，其中包括脑电图(EEG)结果、多种类型的大脑扫描和基因

    组数据。国立卫生研究院也资助了类似的数据集，可供研究人员使用当

    前的1500名被试者的大量数据。“这是可以用到的最丰富、最翔实的数

    据集之一。”加州大学洛杉矶分校的研究人员鲍勃·比尔德(Bob Bilder)

    说，他领导了一个NIH资助的项目。

    82图片权利和来源(IMAGE CREDIT)：Courtesy Lumos Labs

    Lumosity的一个游戏是测试多任务处理表现，其要求玩家在两个不同的任务

    之间来回切换：确定一个数字是偶数还是奇数，还有一个字母是辅音还是元音。

    Brain Resource 与科学家合作，想要弄明白哪种抗抑郁药对哪些抑

    郁症患者最有效。三藩市神经科学分析公司SharpBrains 的执行总裁阿尔

    瓦罗·费尔南德斯(Alvaro Fernandez)说：“这是个大工程，此刻，我们

    浪费了几十亿美元在对人不起效的药物和反复试错的过程上。” 希望在

    于，他们测试的165种性状里，有一些可靠的组合，比如说某些种类的

    脑活动和记忆功能，能揭示哪些人需要哪种药物。7月，Brain Resource

    向美国食品药品监督管理局(FDA)递交了申请，拟开展一个专有的30

    分钟认知试验，进行记忆、注意力和情感测试，该试验可预测三种常见

    的抗抑郁药中哪种最有效。公司还在开发类似的工具来预测人们对药物

    的反应，来治疗注意力缺陷或多动症。

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    能性，比如说ADHD或是精神分裂症患者。

    章。这个结果，提高了该装置和类似设备用于鉴别病人的大脑特征的可

    室品质的EEG仪器相媲美，科学家在2013年2月的PeerJ期刊上发表了文

    在一对一的对照研究中，Emotiv的头戴式装置的性能表现可与实验

    追求这些。”

    技术不只是跑出了实验室，还已经走向了全世界。人们正在如饥似渴地

    动，募集到100万美元，要设计更好的EEG机器。 费尔南德斯说：“这个

    众化掌握在人们自己手中。2013年9月16日，Emotiv结束了一个众筹活

    录脑电波。该公司说，他们的目标是通过穿戴上大脑工具让大脑研究大

    了一种便宜的头戴式装置，在人们忙自己工作的时候能悄悄且精确地记

    断发展，可能会有一些改变。澳大利亚的神经工程学公司Emotiv设计出

    这些方法依然要求人们进到实验室中，但即使那样，随着技术的不

    的小鸟对着哪个方向。

    另一个Lumosity游戏要求玩家忽略两侧故意让人分心的小鸟，快速报告中心

    图片权利和来源(IMAGE CREDIT)：Courtesy Lumos Labs理想的状况是，把多重证据结合起来，从整体的角度来看个人健

    康。把数百万人的基因数据、认知表现、用药和健康史、日常活动记录

    和症状表现融合到一起，将成为一个丰富的健康资源宝库。

    多来斯瓦米说：“如果世界上的三千万阿尔茨海默症患者全都能进

    入数据库，我能立即就给你看统计结果，阿尔茨海默症发病率是在升高

    还是下降？抑郁症的发病情况是什么？根据人们的报告，哪种药物治疗

    最有效？本月能找到多少合适的人来参加某个研究项目？”

    我们还到不了这一步，但多来斯瓦米的愿景会成为现实。在我们生

    活的这个世界上，我们所做的大多数事情都已经能被追踪、被图表化、被分析。我们的电子生活轨迹，显示出我们去哪儿买东西、和谁聊天、喜欢什么样的歌，以及怎样去投资。随着新的生物计量性应用程序

    (apps)的出现，这些应用程序能测定心电节律、分析睡眠模式，解析

    人的遗传密码，这一切的数据，都可以与Lumos Labs那样的数据库联

    合，从而创造出难以想象的强有力的工具来进行探索发现。

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    新焕发年轻的光芒。科学家已经尝试去逆转视觉障碍患者的大脑的刚

    结构、打断分子停止的信号、微调神经细胞活性的技术，都能让大脑重

    虽然这项研究仍处在早期阶段，但研究表明，解开束缚住脑细胞的

    森(Richard Davidson)说，“我认为其重大意义还没有完全表现出来。”

    “这是非常非常重要的变化，”威斯康星麦迪逊大学的理查德·戴维

    的魔力。

    员已经找到方法来软化石头，重新找回失去的魔力，那是年轻大脑特有

    学家的灵感，如今他们在说头脑有重塑自身的能力。近些年来，研究人

    脑从刚硬的大理石重新变回柔软的石灰岩。这种蜕变的潜能， ......