第一性原理：第11章 腦

第一性原理：21堂科學通識課

作者：[英]馬庫斯·喬恩

第11章　腦

腦的主要活動就是改變它自身。

在頭腦中，罌粟花是紅的，蘋果是香的，雲雀是唱的。

——奧斯卡·王爾德(Oscar Wilde)

人腦包含大約1000億個神經元以及1萬億個支持細胞，這些支持細胞為神經元提供能量並維持它們的健康，但僅憑龐大的細胞數量並不能說明人腦到底是如何工作的。美國神經科學家傑拉德·費施巴赫(Gerald Fischbach)指出：“肝臟大約包含1億個細胞，但是把1000個肝臟連起來並不能創造出豐富的內心世界。”

人腦能產生豐富內心世界的秘密在於神經元之間的連接。人腦能編碼大量的信息、記憶和思想，都是基於連接的力量。萬維網(World Wide Web)的發明者蒂姆·伯納斯-李(Tim Berners-Lee)說：“我們所知道的，我們所成為的，全部都來自我們的神經細胞進行聯繫的方式。”

人腦在持續地改變自身，它會根據通過身體感官湧入的外部信息更新神經元之間的連接。美國科學作家喬治·約翰遜(George Johnson)說：“當你讀一本書或與他人對話時，這一經歷就會在腦中產生物理改變。你每次結束一段經歷，你的腦就會被改變，有時是永久性的改變，這想想還是有點兒可怕的。”

和普通細胞一樣，神經元也有一個細胞體，其中包含一個細胞核。但不同的是，從神經元的一側會伸出一條細長的纜繩狀結構，稱為“軸突”，在神經元的另一側則有數個像手指一樣的突起，稱為“樹突”。軸突可以向另一個神經元發送電脈衝，而樹突則可以接收其他神經元通過軸突發送的電信號（見圖11-1）。

一個神經元可擁有多達約一萬個樹突，因此它能夠與約一萬個其他神經元產生交互。這意味著人腦中可形成多達一千萬億個連接，這或許能夠解釋人腦為什麼能儲存如此大量的信息，而正是這些信息讓你成為你。

關鍵在於，一個神經元的軸突並不是與另一個神經元的樹突直接接觸的，它們之間有一個間隙，稱為“突觸”。在這裡，來自軸突的電信號會被轉化為化學信使，並在軸突末端的一個稱為“終扣”的結構處被釋放到突觸間隙中。然後，這些化學信使會在突觸間隙中擴散，並與受體結合，打開離子通道從而觸發一個新的電信號。

通過化學信使來介導電信號可以讓神經元產生非常豐富的反應。這是因為化學信使（或稱為“神經遞質”）有很多不同的種類，當且僅當樹突具備相應的受體時，神經遞質就會對樹突產生不同的作用。有些神經遞質會觸發（激發）樹突中的電流，而另一些則會阻斷（抑制）樹突中的電流。

人腦中最重要的兩種神經遞質都是簡單的氨基酸：γ-氨基丁酸(GABA)和谷氨酸，後者是一種化石級的古老化學信使系統，細菌從十多億年前就在使用它。用舊方案來解決新問題是演化的一個常見特性，幾乎所有神經元之間的通信都是由GABA和谷氨酸介導的。其他神經遞質，如多巴胺和乙酰膽鹼，只是對其發揮一定的調控作用。大多數可以影響行為的藥物，其原理都是通過阻斷或模擬某種神經遞質來刺激特定受體或者產生與該神經遞質相同的效果。

神經元經常被類比為計算機中的邏輯門。邏輯門由晶體管構成，多種邏輯門連接在一起就可以構成電路，實現諸如將兩個數相加之類的功能。不過，邏輯門只是輸入兩個電信號，並根據輸入的電流產生一個輸出信號，而神經元則可以接受來自一萬多個樹突的輸入，其輸出的信號取決於所有這些輸入信號與神經突觸處的大量神經遞質和受體之間的複雜相互作用。因此，神經元是一台生物計算機的基本構件，正如邏輯門是硅基計算機的基本構件一樣，這種說法並沒有錯，但神經元的功能遠不止於此，實際上，一個神經元本身就是一台計算機。

人腦的重量約為1.4千克，通常是與我們大小相當的動物腦重量的約3倍。它是我們已知宇宙中（當然，已知宇宙也是人腦自己已知的！）最複雜的物體。根據美國神經科學家保羅·麥克萊恩(Paul MacLean)的理論，在演化過程中依次產生了3種不同的腦，它們一層一層疊加起來形成了現在的人腦。美國記者莎朗·伯格利(Sharon Begley)說：“人腦中的現代部分疊加在古老部分之上，就像是在一台八軌磁帶播放機的上面又造了一台iPod。”

我們那1.4千克的“小宇宙”中最原始的部分是腦幹和小腦，它們是爬行動物的腦的主要結構。我們的“爬行動物腦”負責控制自動化的生命功能，如體溫、呼吸、心率和平衡。包裹在爬行動物腦外面的是在大約2000萬年前由最早的哺乳動物所演化出的結構，這一被稱為“邊緣系統”的結構主要組成部分包括海馬體、杏仁核和下丘腦，它們負責將或好或壞的經歷作為記憶保存下來，因此它們也負責控制情緒。包裹在邊緣腦外面的是所有結構中最大的，它就是“大腦”，或稱為“新皮質”，它最早是在靈長類中開始發揮重要作用的。它可以駁回膝跳反射這類由原始腦結構所產生的反應，並負責語言、抽象思維、想象以及意識。它具有近乎無限的學習能力，也是我們人格的載體。簡而言之，新皮質讓我們得以成為人。

實際上，在爬行動物腦、邊緣腦和新皮質外面，還包裹著另外一層結構，那就是堅硬的頭骨。在頭骨裡面還有三層強化保護組織，稱為“腦膜”，這三層腦膜之間填充有一些特殊的緩衝液體，稱為“腦脊液”。（腦膜發生感染會導致可能致死的炎症，稱為“腦膜炎”。）

新皮質分為兩個半球，中間由一束稱為“胼胝體”的神經纖維相連。因此，我們其實有兩個腦。一般來說，左腦更擅長解決問題、數學和書寫，而右腦則更富有創造力，擅長藝術或音樂。左腦控制右側身體的運動，而右腦則控制左側身體的運動，造成這一現象的原因尚未完全清楚。也正是因為這樣，左腦發生卒中的人會喪失右側身體的活動能力，反之亦然。（卒中通常是由腦血栓導致的，它會阻塞局部血供，造成附近腦組織的損傷或壞死。）

這裡有一個大問題：這些令人眼花繚亂的複雜神經迴路是如何讓我們記憶和學習的呢？一般來說，我們會記住那些對我們重要的事，而忘記那些對我們不再重要的事。如果聽到一個新的意大利語單詞，而且你已經會說意大利語，那麼相比不會說意大利語的人來說，你會更容易記住這個新單詞。如果你已經掌握了在滑雪板上保持平衡的方法，那麼相比從沒滑過雪的人來說，你會更容易學會如何在衝浪板上保持平衡。

此外，重復似乎對於記憶和學習也至關重要。嬰兒在學說話時會不斷重復同一個詞，人們學習彈吉他時也會反復練習同一組和弦。當然，上面這些例子並不能說明人腦中的神經迴路是如何讓我們記住新東西和學習新技能的，但它可以提示我們人腦中有兩個關鍵的過程：和已有知識建立聯繫以及重復。

我們已有的知識是通過人腦中1000億個神經元之間的連接方式來編碼的。沒有人知道這些連接方式是如何編碼複雜信息的，但無論如何，所有證據都指出，神經元之間的連接方式是我們形成知識的關鍵。神經元之間的連接是通過樹突形成的，即樹突也就代表著我們的知識。因此，要記憶新東西或學習新技能，神經元之間的樹突連接一定需要發生某種變化。

假設有兩個已經建立連接的神經元——第一個神經元的軸突連接著第二個神經元的樹突。現在第一個神經元開始發送信號，因為它受到了某種刺激，可能是來自外界的感官信息。我們之前說過，兩個神經元之間的樹突連接代表我們已有的知識，如果此時的刺激是重復的並且與我們已有的知識相關——軸突和樹突之間的突觸間隙中釋放的神經遞質就會放大相關的電信號，於是樹突就會強化這一連接。這一強化有多種方式，其中一種是樹突生長出大量的“樹突棘”從而增加其連接點。

當然，僅由一個樹突相連的兩個神經元只能編碼非常少的信息，但你腦中的大量神經元聯合起來，就可以編碼你所有的知識。通過強化大量神經元而不只是一對神經元之間的連接，新知識會被永久連接到你已有的知識中並記憶下來。小說家多麗絲·萊辛(Doris Lessing)說：“這就是學習，你突然明白了一些你原本就已經明白的事，但變換了一種新的方式。”

通過神經元之間強化連接的過程，編碼這些知識的網絡持續發生著變化。它不僅會強化連接，還會產生新連接，斷開一些原有的連接。如果將人腦中的神經網絡想象成一片灌木叢，有些地方會長出新的枝葉，而有些地方則會被修剪掉，正如相互之間沒有共同信息的神經元會斷開連接一樣，這就是遺忘的過程。人腦能做到，而宇宙中其他已知的東西做不到的，就是對其自身的持續重構和重連。

學習新技能的過程與產生記憶的過程非常相似。例如，學習騎車需要使用某些特定的肌肉，於是強化與控制這些肌肉的神經元相連的樹突就可以讓它更快速更容易地控制這些肌肉。因此，和記憶一樣，像騎車這樣的技能也是由一個神經元網絡來編碼的，它會自動形成永久的連接。

神經元之間連接的增強和削弱以及產生新連接來修改網絡結構的能力，稱為“神經可塑性”。我的腦需要具備神經可塑性才能寫出這些文字，而你的腦也需要具備神經可塑性才能讀懂我的文字。

人腦是一種超凡的計算機，因為普通硅基計算機只能根據人類編寫好的程序來完成一項任務，但人腦卻不需要從外部進行編程，它是一種自編程計算機。嬰兒出生時就具備一個神經網絡，其連接方式具有無數種可能性。對嬰兒的腦進行編程，即產生新連接、強化一些連接，以及剪掉更多的連接，是通過他對世界的感受，通過眼睛、耳朵、鼻子和皮膚不斷湧入的各種信息來完成的。

神經可塑性是人腦的一大秘密，正如自然選擇之於演化，DNA之於遺傳學一樣，神經可塑性是理解人腦的一個核心思想，沒有它，一切都毫無意義。神經可塑性解釋了新經歷是如何持續改變腦連接的，這是一團終極的可編程物質。它解釋了嬰兒是如何從一張白紙成長為各具特色的人，它還解釋了相鄰腦區的神經元可以接替與某些任務相關的受損神經元，使得卒中病人能夠恢復某些身體機能的現象。復健是一個漫長且艱辛的過程，因為這一重編程過程與兒童第一次學習某種技能的過程非常類似。

神經可塑性會伴隨你的一生，即便是百歲老人的腦也依然能夠建立新的連接，因此他們也能學會使用計算機。儘管不能像兒童一樣學得那麼快，但他們依然能夠學會。

神奇的是，人腦只需要大約20瓦的功率就能夠完成如此海量的計算，這相當於一顆昏暗的電燈泡所需的功率。相比之下，與人腦計算效率相近的超級計算機則需要20萬瓦的功率。換句話說，人腦的能量效率是超級計算機的1萬倍。

儘管如此，腦依然是人體所有器官中能耗最高的。雖然它的質量只佔一個成年人體重的2%～3%，但是卻消耗了全身氧氣的大約20%，也正是由於這一原因，地球上大多數生物都沒有腦。美國認知科學家和哲學家丹尼爾·丹尼特(Daniel Dennett)在他的著作《意識的解釋》中描述了幼年期的海鞘，它在海中遊蕩並尋找可以定植的岩石。當找到岩石之後，它就不再需要腦了，於是就把腦給吃了。腦的能耗太高了，即便是像幼年期海鞘這樣擁有腦的生物，也會在不再需要它時果斷地將其捨棄。哥倫比亞裔美國神經科學家魯道夫·利納斯(Rodolfo Llinás)說：“基本上，自然界有兩種動物：動物以及沒有腦的動物。後者被我們稱為植物，它們不需要神經系統，因為它們不需要主動運動，它們不會在發生森林大火的時候拔根逃跑！任何需要主動運動的東西都需要神經系統，否則它會死得很快。”

科幻作家經常會想象未來的人類會擁有更大的腦，但這一想象與化石證據不符。我們的祖先克魯馬努人是一種生活在4萬至1萬年前的史前人類，實際上他們的身體和腦比我們的要大5%～10%。一個可能的原因是他們每時每刻都要擔心自己的生死存亡。而如今，我們大部分人都生活在相對安全的環境中，不需要自己打獵和覓食，被馴化的家養動物比它們的野生近親擁有更小的腦。正如古人類學家路易斯·李奇(Louis Leakey)所說：“人類通過文明高效地馴化了自己。”因此，未來人類的腦不大可能比我們的更大，反而可能比我們的更小。

我們能否完全理解人腦？一些學者認為，這在邏輯上是不可能的。美國生物學家艾默生·M.皮尤(Emerson M.Pugh)說：“如果人腦簡單到能夠被我們理解，那就意味著我們也簡單到無法理解它。”從邏輯上說，皮尤是對的。人腦永遠無法完全理解人腦，就像你永遠不能提著自己的鞋帶讓自己停在半空中。不過，努力試圖理解人腦的並不是只有一個人的腦，而是許多人的腦，即國際科學共同體的集體智慧。正如一句意大利諺語所說：“所有的大腦並不裝在同一個腦袋里。”