互动科普

小时候，我用菜刀切开猪的心脏，里面的一切都一目了然：柔软湿滑的瓣膜将心脏分成4个腔，血液被引入心房，再从心室挤出。11岁的我好奇地问母亲，下次能不能给我带个大脑回来。她果然从肉店里给我带回一个牛脑，当我满心欢喜地破开这个甜瓜大小的东西，除了这团血肉中的一个空洞以外，我什么都没看见。

那么，大脑是怎样工作的呢？书上只能找到大脑上那些隆起和折痕的名称，却对这个最高级器官如何运作语焉不详。就连我的父母和老师也不明究竟——似乎没人知道答案。

今天，我们知道大脑的功能源于其中微小而不可见的结构。不过，就算现在的技术可以观察到每一个神经元个体，科学家们仍然没有找到一个合适的模型，来描述它们作为一个整体的运作机制。通常，我们会把每个神经细胞看作与其他数十亿个细胞相连的微处理器。但我们如何才能确定这种类比是准确的呢？我们是不是被自己作的类比束缚了手脚——就像以前的一些科学家一样，被那些现在已经过时的概念局限了思想？

事实确实如此。新发现让神经科学家确信，我们对大脑如何运行的基本认识，其实十分幼稚。关于大脑的运行原理，一直存在着两种流行模型。自从它们的建立者在100年前共同获得诺贝尔奖之后，这两种模型就一直针锋相对，争论不休。然而现在看来，它们似乎密切相关，这多少有些讽刺的意味。事实上，如果将这两个模型结合起来，再加上最近关于脑细胞如何形成脑波的研究中提出的、目前尚未解决的第三个假设，我们最终不仅可以解释人脑怎样工作，而且还能知道人脑为何在动物王国里如此独一无二。

相连还是相隔

类比可以简化复杂的问题，易于研究。不过，简化也可能导致思维的僵化。在19世纪末，解剖学家们用当时最先进的仪器——刚刚改进过的显微镜来探索人脑。他们看到了一个结构繁复玄妙、纤维错综相连的显微世界。解剖学家们自然而然地认为，这些被称为轴突（axon）的细管子，就像水管一样接入四通八达的网络，让感觉和指令自由地流向它们的目的地。神经元只是这个网络中的一个节点。

不过，有一个人眼中看到的大脑世界却与众不同。他就是西班牙的圣地亚哥·拉蒙·y·卡哈尔（Santiago Ramon y Cajal）—— 一位拥有艺术家气质的伟大解剖学家。孩提时代的卡扎尔喜欢画当医生的父亲解剖过的尸体，后来他自己也成了一名医生。他那双艺术家的眼睛能看到线条的流动，于是，他开始从纷乱的细胞和管子中理出头绪。卡哈尔的理论被称为神经元法则(neuron doctrine)，在随后的50年中，这个法则备受争议。

卡哈尔发现，从一个神经元发出的轴突往往会终止于另一个神经元的树突(dendrites)上，树突是神经元上伸出的较短细管。不过他认为，这些管子并不会相互连接到任意位置。他像个天才一样推断，每个神经元都是一个孤岛，而不是网络中的一个节点，并进一步猜想信息是单向流动的：从树突进入神经元，穿过细胞体，再从轴突释放出去。

事实上，轴突并没有与树突相连。它们之间由一个微小的间隙隔开，这个间隙叫做突触（synapse）。突触的作用和闸门一样，决定信息能否进入下一个神经元。但这个间隙实在太小了，就连最先进的显微镜也无力分辨。直到20世纪50年代聚焦电子显微镜发明之后，科学家才首次一睹突触的概貌。

1906年的诺贝尔生理学或医学奖同时颁给了卡哈尔和他的竞争对手——意大利医生卡米洛·戈尔吉(Camillo Golgi)。这个不同寻常的获奖组合使大脑工作模式的争论打成了平局，并从此陷入僵局。直到这个奖项颁发100年后的今天，谜团才出现了破解的希望。戈尔吉像很多人一样，强烈质疑神经元法则的正确性，并积极为大脑的信息自由流动网络说辩护。最具讽刺意味的是，卡哈尔用来为自己的神经元法则寻找证据的实验技术，正是戈尔吉独创的。戈尔吉开创了这种方法，用硝酸银给神经细胞染色，使它与背景的组织形成反差而被突显出来。戈尔吉的方法只能使一份样品的部分神经元染色，原因至今不明。不过，被染色的那部分神经元上，每个细节都能被详尽地展现出来。利用戈尔吉的方法染色的神经元描绘出来的图像，成了卡哈尔神经元法则的理论基础。戈尔吉陷入了一种尴尬的困境之中，只好无奈地反驳说，使他获得诺贝尔奖的技术所展示的独立神经元个体只是一种假象。

无缝焊接

卡哈尔神经元法则的支持者和戈尔吉网络说的支持者持续激烈争论了几十年，因为此后出现的每一项新技术，都可以同时为双方提供新的论据。比如，电生理学家们用电极和电子扩增器来研究从轴突到树突的电信号传导，从而证实了当信号冲动到达轴突末端时，轴突会释放出一种称为神经递质(neurotransmitter)的化学物质。当这些物质穿过突触的间隙，扩散到邻近的树突时，便会刺激树突产生电反应，这个过程大约会产生1/1000秒的延迟。不过，在某些情况下，电生理记录并没有显示任何延迟，电信号直接从轴突传播到树突，仿佛这两个神经细胞是融合在一起的。这个过程不需要神经递质，只依赖电信号，并且，细胞间似乎是直接相连的。

1955年，突触的结构终于在电子显微镜下展露无遗。科学家们却不得不再次面对这个证据同时支持双方观点的事实。此时，大家对于神经元是独立的实体，并且在突触间通过化学信使相互联系已经毫无异议了。但是，有些显微图片显示神经元间彼此相连，就像点焊在一起一样。研究人员很快发现，是一些叫做“间隙连接”(gap junction)的蛋白质通道构成了这些焊点，就像连接两条水管的接头一样。离子和有机分子可以自由通过其间，使信号冲动在神经元间迅速传播。

信号在“化学”突触间的传导是学习和记忆的基础，这个过程可以通过释放和吸收神经递质来调节，这引起了许多神经科学家的关注。与此相对的是，“电”突触似乎无法调节，它们在脑中的功能也无趣得多。电突触似乎是特殊的，只有在需要迅速信息交流，或者一群细胞需要联合在一起时，才会发挥作用。

但是就在最近，美国阿尔伯特·爱因斯坦医学院的神经科学家迈克尔·V·L·贝内特（Michael V. L. Benett）及同事研究发现，传统的简单看法是错误的：间隙连接的导电性，既可以通过细胞膜电压的改变来调控，也可以由生化反应来调节间隙连接中通道的大小，从而达到调控导电性的目的。甚至有时候，一个连接可以同时具有化学突触和电突触。因此可以肯定戈尔吉是对的：神经元确实可以相互连接成网络。

逆潮

信号究竟是沿着神经元组成的链条一路下行，还是可以在网络中往复传递？它的传递借助于化学信使还是电信使？还有一些更基本的问题：这些信号意味着什么？这些传输中的神经冲动怎样转译成一个视觉图像、一种感觉或一个念头？它们又是怎样编码的？两个模型都没有回答这些问题。不过，研究人员通过更深入研究有了惊人的发现，使这两个模型不再如此互不相容、彼此对立。

重新审视神经元法则后，研究人员有了一个重大发现：被称为动作电位（action potential）的神经冲动携带着信息，从细胞体到轴突末端单向流动。我们品尝到的每一种味道、想出的每一个主意，都由特定形式的神经冲动来描述，并沿着轴突传输。神经科学家们急于破解这种编码，最终如愿以偿。他们发现编码规律会根据先前受过的刺激而不停地改变。相同频率的神经冲动，在我们白天进行户外活动时，可能代表了非常明亮的强光，而当我们夜晚呆在室内时，也可以代表相当昏暗的微光。这是因为，神经冲动编码并不是盲目地转译我们的每一种感觉，而是专注于状态的改变。这种现象可以解释：为什么我们早上刚刚穿上纯棉T恤时，可以感觉到它柔软的质地，而此后不久，衣服的感觉便会消失不见。

尽管动作电位可以解释很多东西，但并不是全部。同样的冲动规则也适用于像蚯蚓这样的低等生物。所以对于复杂的高等动物来说，一定还有其他的机制。20世纪神经科学的巨匠之一、美国人西奥多·H·布洛克(Theodore H. Bullock)在充实编码理论方面做出的贡献无人能及。这位电生理学家兼比较神经解剖学家对各种动物（从蜗牛到鲸鱼）的神经系统中信息如何编码的问题，怀有浓厚的兴趣。他带着电极和显微镜走遍了亚马孙热带雨林和各处的潮水坑。1959年布洛克在《科学》上撰文称，除了沿轴突快速传播的神经冲动之外，他还探测到许多其他的电活动，这些活动并不遵循神经元法则。特别是，他观察到了神经细胞膜电压的缓慢增加和减弱。这些电位强烈地影响着轴突在突然之间产生冲动的次数，以及轴突产生冲动的概率。

此外，只有在长距离传输信息时才需要强烈的冲动。缓慢的电压波很容易在微小而排列紧密的神经元中，向各个方向蔓延开来。布洛克的电生理学记录也证实，这类神经元根本不会发出强烈而高频的冲动。

这些微小而排列紧密的“中间神经元”（interneurons）只处理脑内部信息环路的信号，而不是像感觉和运动神经元那样，与身体或周边环境直接交流。中间神经元的功能是维持脑内部的基本运行，并不参与传输指令和感觉，对于大多数这样的内部处理器来说，神经元法则并不适用。人脑中大约有1,000亿这样的中间神经元，它们控制着学习与记忆过程中的信息处理，还与一些疾病有所牵连，比如癫痫症和帕金森综合征。

渗漏与回流

正当布洛克在深入研究中间神经元的功能时，其他研究者却发现了神经元法则的更多不足之处。美国得克萨斯大学奥斯丁分校的神经科学家丹尼尔·约翰逊（Daniel Johnson）把微电极插入大鼠海马体（大脑中与记忆的形成密切相关的一个结构）神经元的树突中，发现两件足以让卡哈尔震惊的事情。在某些情况下，动作电位不仅可以沿轴突向外传播，而且还能“逆向”传播到神经元细胞体，并沿树突向外扩展。不仅如此，树突也不仅仅是简单地收集传送来的信号，有时它们自己也会产生冲动。现在我们知道，树突的这种信号处理过程可能也是学习和记忆过程的一部分。树突不仅仅是被动的信号传导者，它们还能整合并且发送信号。

更让人意想不到的是，树突也可以通过释放荷尔蒙和肽分子，从而影响神经元细胞膜上的缓慢电压改变。这种电压改变又影响着神经元，决定它是产生一次冲动还是一组冲动。美国布兰代斯大学的伊夫·马尔德（Eve Malde）发现，在树突与轴突、树突与神经元胞体以及树突与树突之间，这些神经调质（neuromodulator）都能发挥作用。这个发现打乱了卡哈尔认识到的、有序单向的信息流动的图景。神经调质甚至可以使神经元有节律地产生冲动，迫使许多神经元同步活动，就像按照节拍合作演奏的音乐家们一样。

即便是突触也不像原来想像的那样简单。不仅是轴突和树突间可以形成突触。改进后的电子显微镜显示，突触经常在神经元胞体和树突上出现，还可以在两个树突之间和两个轴突之间形成。这样看来，神经元可能正如戈尔吉和网络说支持者曾经想象的那样，处在一个多方向连接的神经网络之中。

此外，美国俄勒冈健康科学大学沃伦研究所的分子神经生物学家克雷格·雅尔（Craig Jahr）最近证明，神经递质参与的快速信息传导，并不一定需要突触的存在。起初雅尔推测，这些神经递质是从临近的突触渗漏出来的，但他的测量显示：这些神经递质是在远离突触的位置，由神经元透过细胞膜释放出来的。到了2005年，美国加利福尼亚州拉霍亚市索尔克生物研究所（Salk Institute of Biological Studies）的计算神经科学家泰伦斯·J· 赛诺斯基（Terrence J. Sejnowski） 和加利福尼亚大学圣迭戈分校的电子显微学家马克·H·艾利斯曼（Mark H. Ellisman）总结说，这种在突触之外“异位”释放神经递质的现象，是一种十分重要但却被忽略的信号传导方式。神经递质在神经元内被储存在囊泡中。如果一个囊泡在细胞膜的某处被释放，而临近的神经元恰好在这附近有神经递质的受体，那么这个神经元就能检测到神经递质的存在。现在，在最先进的电子显微镜下可以看见，神经元的整个胞体都遍布这种囊泡。于是一时间，关于人脑怎样处理信息的模型变得异常复杂起来。

胶质细胞的作用

在20世纪90年代那个思想活跃的时代，科学家们喜欢冲破神经元法则来思考问题。这种现象一直延续至今，让许多神经科学家乐于接受这样一个显得离经叛道的观点：人脑中大部分的细胞不是神经元。一种叫做胶质(glia)的细胞填充着神经元之间的空隙，它们的数量是后者的10倍。进化树上越高等的动物，胶质细胞对神经元的这个比值就越大。从经典的“神经元法则”可以看出，不论卡哈尔还是戈尔吉都没有预料到，这些胶质细胞也有信息处理的功能。在20世纪的大部分时间里，神经科学家都认为，胶质细胞只是为神经元提供物质结构上和营养方面的支持。但过去10年的深入研究已经证明，胶质细胞一直在倾听神经元间的对话。同样不可思议的是，胶质细胞间也可以通过化学信号进行彼此交流（尽管它们并没有突触）。

除此之外，当胶质细胞监听神经元间的交流时，它们还可以控制神经元间的信息流向。这是通过释放和吸收神经递质，或控制神经元周围的离子浓度来实现的。胶质细胞也能够接通和打断神经元间的联系。

胶质细胞的特性在两方面违背了神经元法则。首先，脑中的信息可在这些非神经元的细胞间传播。其次，神经元就像电话座机一样，它们之间的联系依赖于类似电话线的一系列连接，而胶质细胞则是在“广播”信号，就像手机一样。胶质细胞的无形连接穿过神经元的“电话线”，这样就可以把不同的神经元耦合起来，构成功能基团（也就是把多个神经元相互协调起来，使它们能够实现某种功能）。胶质细胞的信号交流比神经元的要慢得多，但对于许多不需要闪电般传递信息的过程，比如情绪和行为的调节机制，这样的速度也许是适宜的。

这样一来，在神经元法则以外，我们还要加上胶质细胞法则：胶质细胞是神经元在信息处理过程中平等的伙伴。胶质细胞不仅介入突触间的交流，还可以沿着轴突监测它们间的冲动传播方向。当轴突产生一组动作电位时，它们会同时释放三磷酸腺苷（ATP）分子，这些分子可以被全部4种胶质细胞的受体探测到。探测到的信息将开启或关闭胶质细胞的基因，从而影响它们在轴突周围形成层叠包裹的形式，这又反过来影响了轴突传播冲动的速度。所有这些信息交流都不需要突触的参与——这是大脑中一种完全不同的信息流动方式。

超越法则

神经科学的发展早已突破了神经元法则的局限。那么这门科学将走向何方？在布洛克首次向神经元法则发难46年之后，2005年，他又在《科学》杂志上发表了一篇论文，提出了一个发人深思的问题：为什么人类大脑的功能会如此优于其他所有的动物？其他动物脑中的神经元并没有太大不同；就连苍蝇也拥有同样的神经递质。更大的尺寸和更多的神经元能不能解释人脑的独特优越性呢？细致的解剖学研究并不支持这种观点。布洛克的看法是，人脑的过人之处就在于，它的某些特性让神经元可以像一个网络那样协同工作（布洛克于2005年12月去世，享年90岁）。戈尔吉会因此而自豪。

从简单的螃蟹到复杂的海豚，布洛克很早就开始对各种动物的脑波展开研究。他断定人类脑波在形式上与这些较低等动物截然不同。脑波产生于几千个神经元协同工作时的总体活动，就像在棒球场里人群产生的喧哗。当布洛克检测脑波的频谱时，他发现越是在进化阶梯上处于下层的动物，其脑波中高频率波的比例就越大；而到了哺乳动物，脑波已转变为低频率了。

布洛克和其他人的研究还指出，不同神经元群体的电活动通常是耦合的，即使这些神经元间没有物质上的联系。这就像球场里坐在不同区域的人相互间在进行单独而流畅的对话一样。脑功能越强大的动物，脑波中这种有序一致的活动就越多。布洛克认为，也许人脑的无可比拟并不在于神经元或信息回路独一无二的特性，而在于出现了一种能使几十亿神经元协调运转的工作方式。

但是如何协调不同神经元的活动呢？部分答案或许可以在我们听广播时常遇到的一个现象中找到。一个广播台发出的信号频率有时会干扰其他电台的信号频率。与此类似，在一个轴突中传播的信号有时会被临近的轴突接收。这种叫做“假突触信号传导”（ephaptic transmission）的不规则行为，也许是电流的一种不可避免的特性。大脑也许正依赖这种现象来协调脑波。外来信号的电压加大了神经元同时兴奋的可能性。

2006年2月，加拿大埃德蒙顿市阿尔伯塔大学的约翰·J·格里尔（John J. Greer）及同事在报告中说，当他们把大鼠胚胎浸泡在可以阻止所有突触传导的溶液中时，大鼠胚胎的脊椎和处于发育的大脑中，神经回路仍然有规律且协调地产生兴奋。可见，在没有任何神经递质参与的情况下，神经元还是可以用某种方法协调运转。过去20年里，美国犹他大学的F·爱德华·杜德克（F. Edward Dudek）用相似的方法从事研究，他发现癫痫发作时的电信号耦合使神经元的兴奋趋于同步，而假突触信号传导则使海马体中的神经元兴奋得以耦合。假突触信号传导、间隙连接、神经调质和胶质细胞调控都是让神经元分组协作的途径。这样的协作增加了大脑中的有序活动，而所有这些过程都不按神经元法则行事。

因此，尽管戈尔吉和卡哈尔都是对的，但是他们及追随者都无法完整地解释我们脑中发生的一切。神经元法则支持者和网络说支持者长达一个世纪的争论并没有胜利者，但却磨砺了我们的想法，激发了新的实验灵感来探索自然界的终极奥秘——人类思维的运转之谜。

我们还需要回答的问题是：脑波是怎样协调的？许多神经科学家已经看到了端倪，他们只须打破一个观念，那就是神经元是独立的功能单位。或许目前的技术还不足以提供关键的数据。又或许，答案已经出现，只是等待着另一双卡哈尔那样的慧眼。