人人都该懂的脑科学（上）

　　伟大的创世故事中，在有光之前，首先存在的是拥有智慧的头脑，因为宇宙的设计和创造需要足够的智慧。而在现代科学版本的故事中，我们相信智慧的头脑是最后形成的事物之一，因为如此复杂的事物只有经过数百万年的进化才能产生。无论是哪种情况，智力（脑）都拥有特殊的地位。

　　脑是目前我们已知的最复杂的存在，它是化学和电的能量所，以一种完美的定位方式向需要能量的部位传递信息。这个柔软的、呈灰色的、约1.35千克重的器官，不仅是我们体验和操纵世界的部位，也是我们控制呼吸、体温、血压和激素的部位。其数以十亿计的神经元中，每一个都与成千上万的神经元相联系，这便是脑的本质。要让这些细胞完好地存活，不仅需要身体其他部位提供大量复杂的支持，还需要一个完整的生命保障系统。为了保护脑免受外界影响，它被包裹在膜中，被浸泡在减震液里，外部还覆盖着非常坚硬的骨骼外壳。

　　然而，对于回答“为什么我们需要脑”这个最简单的问题，这些描述仍然不够。许多生物在没有脑的情况下也能生活得很好，甚至有些生物只是某种微不足道的神经纤维集合。在本书中，我们将尝试回答这个问题，同时解释脑是由什么组成的，这些组成部分是如何组合在一起的，脑是做什么的，以及脑是如何运作的。

　　现代医学将关于脑的问题分为两类：神经病理学问题和精神病学问题，这两类问题分别对应神经系统疾病和精神疾病。这些学科试图解释经验、行为、感觉、运动和言语中出现的失调现象，并将它们与神经系统相关区域的物理、化学或电信号的紊乱联系起来。我们的祖先对这样的联系并没有建立足够的认识。例如，他们认为癫痫是由恶魔控制所导致的，幻听可能是因为上帝在说话，等等。很多人始终坚信脑有另外一种能力：精神力量或超自然力量。对脑的这些方式进行思考很重要，我们部分与生俱来的天性使得我们尝试对周围的世界归类并赋予其意义。甚至，现代物理学也认识到，有意识的生命进行的简单观察能够影响亚原子世界的行为。事实上，这就是量子理论的基石。这也给我们带来了一个棘手的问题：意识。

　　什么是意识？意识是如何产生的？人在睡眠中有意识吗？人死了之后还有意识吗？这些问题困扰了人类数个世纪，我们将在本书进行讨论，并试图找到一个具有现代意义的答案。

　　富有想象力的脑把人类同其他动物区分开来。而一些研究表明，人类与它们也许并没有太多的不同。在本书中，我们想要表明，人脑很特别，也令人感到很不可思议。尽管我们对它已经有了深入的了解，但是依然有很多东西需要我们进一步探索。

　　首先，我们来回顾一下，看一看人们是如何认识到脑是一个重要器官的。

　　测一测　你对脑科学的了解有多少？

　　1．如果一个人出现了表达性语言障碍，即能够理解事物，但无法说话来回应，可能是脑的哪一区域受到了损伤？

　　A．威尔尼克区

　　B．杏仁核

　　C．布洛卡区

　　D．边缘系统

　　2．以下哪种说法是错误的？

　　A．人的反应和行为倾向都是后天习得的

　　B．人类是靠电来维持身体运转的

　　C．通常，脑是动物最大的神经节或神经节的集合

　　D．如果神经网络的一部分受到损害，其他部分将接管受损区域的功能

　　3．我们能记住各种各样的信息，主要与脑的哪一区域有关？

　　A．额叶

　　B．颞叶

　　C．枕叶

　　D．顶叶

　　4．想要形成一种单一的整体感觉，以下哪种感觉不是必需的？

　　A．痛觉

　　B．振动觉

　　C．关节位置觉

　　D．视觉

　　

　　

　　脑是一个世界，包括许多未被探索的区域和广阔延展的未知领域。

　　——圣地亚哥·拉蒙-卡哈尔（Santiago Ramon y Cajal）

　　我赞同开放的思想，但是不要太开放，以免让人头脑崩溃。

　　——阿瑟·海斯·苏兹贝格（Arthur Hays Sulzberger）

　　脑没有活动的部分：它不像心脏、肺或肠道那样能跳动、膨胀或收缩；也无法像肾脏能制造尿液、肝脏能分泌胆汁、脾能产生淋巴液那样产生任何物质；与皮肤或者骨骼也不同，脑没有显而易见的作用。但是，我们现在认为脑负责思想、情绪和自由意志。我们是怎样得出这种结论的？关于这一点，人们以前的看法又是怎样的？要回答这些问题，我们必须回溯历史，然后一步步从推理到结论，再到当下。进行这项任务之前，有三点注意事项。

　　第一，尽管关于思想和情绪的观点可以追溯到最早有记录的文明，但我们对这些早期观点的认识建立在考古证据的基础之上，因此十分零碎。第二，医学研究史主要倚重来自西方的历史文献，所以我们不可避免地主要介绍这方面的观点。第三，在过去，人们对待动物和人体实验的态度与现在非常不同，因而书中描述的一些实验可能会让人感到不悦，甚至在今天几乎不可能被允许开展，特此说明。

　　古希腊思想家对脑的认识及其遗产

　　永远不要相信任何能够独立思考的东西，除非你看清了它把头脑藏在什么地方。

　　——《哈利·波特与密室》

　　关于“脑是所有器官中最基本的器官”这一简单的观点，现在听起来可能相当浅显，但这一看似浅显的设想，是建立在过去200年所获知识的基础之上的。在希腊哲学家之前，心脏被广泛认为是智力所在。古埃及学者希罗多德（Herodotus）在写木乃伊化（mummification）时记录到，当时人们在为心脏、肺、肝脏、胃和肠等器官做准备工作时异常谨慎，脑则被草草地从颅骨中挖出来。古埃及人把进出心脏的大量可观察到的连接作为心脏重要性的证据，同理，脑似乎就没有多么重要了。然而，也是在同一时期，有关脑的真实功能的第一篇文献的观点被古希腊人记录了下来。

　　这一时期，三位重要的哲学家主导着有关思想和情绪的观点，其中只有两位认为脑很重要。“医学之父”希波克拉底（Hippocrates）在《论圣病》（On the Sacred Disease）一书中写道：

　　人们应该知道，快乐、愉悦、欢笑、嘲笑，以及悲哀、痛苦、悲伤和眼泪……都是从人脑中产生的，而且只能从脑中产生。它同样也会让我们发疯或者神志不清，让我们无论昼夜都会感到恐惧与害怕，并让我们失眠、犯不该犯的错误、心不在焉、漫无目的地焦虑，以及产生一些违反习惯的行为。

　　希波克拉底还指出了脑回路的一个基本特性：一侧脑受损会导致对侧的身体缺陷。

　　哲学家柏拉图提出“生命原则”（vital principle）存在于脑中，它与脊髓共同负责控制“生命力”（vital force）。我们不妨引用他作品中的一段话：“复制一个圆球，将它比作宇宙，他们（上帝）将两个神圣的东西（眼睛）放在这个圆球中——如今我们称之为头，头是人体最神圣的部分并控制着其他所有的部分。”

　　然而，亚里士多德认为，脑的功能是“冷却心脏”，不过，他也曾认为脑这一“冷却装置”可能与智力有关。他的“心脏中心说”是基于自己的观察，他发现在胚胎中，心脏是首个发育的器官，且温度更高。于是认为这是器官参与生命过程的直接测量标准。他还注意到，鸡在头被砍掉后还能四处奔跑，这进一步证明，行动需要的是心脏，而不是脑。

　　多年来，一大批古希腊医学家逐渐将我们引向了“脑中心”的观点上。起初，斯特拉图（Strato）将柏拉图对“生命原则”最初的定位限定到了两眉之间的额部。后来，色诺克拉底（Xenocrates）则将定位限定在头顶。随后，赫罗菲拉斯（Herophilus）对人体进行了全面的解剖，意识到脑（尤其是脑的基部）是神经系统的中枢，他甚至注意到了负责感觉的神经与负责运动的神经之间的差异。此外，他还发现了脑内的液体腔，即脑室，这为后来关于脑功能的“脑室定位学说”奠定了基础。

　　最后，内科医生埃拉西斯特拉图斯（Erasistratus）提出，与其他动物相比，人类的智力高可能是由于人脑中拥有更多的褶皱。然而，尽管更多“脑中心”的观点已经开始发展，但亚里士多德关于脑只是一个美化的“空调机”的观点则一直持续到中世纪。

　　从公元3世纪开始，一位解剖学家主导了所有的思想，他就是希腊医生兼哲学家盖仑（Galen）。在当时，所有医学院都会将他提出的解剖学概念教授给学生。他提出的“精神生理学”的概念描述了一种被称为“灵魂”（pneuma）的生命力，它与血液混合，传播到脑，然后被赋予“动物精神”。这种“动物精神”会控制脑、神经和思维。“动物精神”被存储在脑室中，通过空心的神经传递来产生运动和感觉。公元4世纪的神学家、主教尼梅修斯（Nemesius）在他关于人的本质的著作中进一步阐述了这种观点，并提出了所谓的“脑室定位学说”：想象、智力和记忆的关键要素都位于脑室。

　　一千多年之后的1543年，文艺复兴时期的解剖学家安德烈·维萨里（Andreas Vesalius）在解剖人体尸体的基础上，撰写了一份详尽的解剖学图册。这份图册挑战了盖仑的观点，并从此彻底改变了西方教授解剖学的方式。这份图册被称为《人体构造》（ De Humanis Corpora Fabrica），描述了人脑的5个脑室。

　　维萨里还把三种灵魂赋予人类，并认为脑包含“主要灵魂，即动物精神总和，其功能无疑是精神层面的”。他也是第一个发现脑灰质和白质之间存在区别的人。他指出，围绕脑主体的薄薄的、呈灰色的物质（皮质），与脑组织呈现白色的部分不同，正如我们如今所知，其外观是由包裹神经纤维的绝缘层所致。

　　【“无头鸡”麦克】

　　为了能更准确地理解为什么心脏而非脑一直被认为是思想和情绪的来源，我们不妨来了解一个可怕的实例：“无头鸡”麦克。1945年，这只叫麦克的鸡本来要成为主人餐桌上的一道菜，但当主人用斧子砍下它的头之后，它的身体仍四处奔跑，就跟正常的鸡一样。它停下之后非但没有死去，反而“做回了正常的鸡应该有的样子”——它开始用脖子梳理羽毛、啄食，通过滴眼液的瓶子进食，直到18个月后的一天晚上死于窒息。它之所以能存活下来，很可能是因为许多反射功能被储存在脊髓和脑干中，而当初砍的位置偏高，保住了它大部分的脊髓和脑干。据说它在被砍时未伤及颈部的静脉，并且溢出的血液及时在伤口上凝固了，这避免了它因流血过多而死。在“无头鸡”麦克的家乡，也就是美国科罗拉多州的弗鲁塔市，人们每年5月都会为这只无头鸡顽强的精神而举办纪念活动。

　　颅相学：通过颅骨的隆起来评判他人

　　颅相学是由著名的维也纳神经解剖学家弗朗茨·约瑟夫·高尔（Franz Joseph Gall）提出的，伴随着这一学说的发展，人类开始首次对脑功能的定位进行认真的研究。这一学说在高尔的一本有关解剖学和生理学的著作中有所描述，他认为，精神能力或精神特质的卓越性取决于它们所依赖的脑区的大小，在某种程度上，这一说法被我们接受了。相应地，他还认为，这些脑区的大小可以通过颅骨的发育和覆盖区域的隆起来判断，如今看来，这一想法非常荒谬。

　　高尔及其同事约翰·施普尔茨海姆（Johnn Spurzheim）确定了37种“心理和道德本能”，他们认为这些“本能”能在颅骨的表面表现出来。这些本能被分为几个领域，如智力、洞察力、精神能量和爱。大多数本能与抽象的人格特征有关，如坚定、谨慎、好奇和灵性。研究人员绘制了一份颅骨图，并标出了与这些特征相关的颅骨隆起和凹陷的部位，通过这些区域可以进行触诊、测量和诊断。在世界各地的古董店里，都能够看到绘有这种图的白色陶瓷头模型。

　　颅相学在全科医疗中也得到了广泛的应用。然而，这一学说也不可避免地受到挑战，尤其是来自法国的科学家乔治·居维叶（Georges Cuvier）。高尔本人被宗教和政治力量赶出了维也纳，只能定居在法国。据说，对颅相学给出最后一击的，是高尔对拿破仑颅骨特征的解释，因为这种解释无法证明拿破仑拥有的全部高贵品质。尽管英国精神病学家伯纳德（Bernard）坚持颅相学观点，英国颅相学协会在20世纪60年代末也被认可了，但在19世纪末，颅相学作为一种被普遍接受的概念几乎已经消亡了。事实上，今天仍在使用的一些英文短语，如high-brow（有学问的人），就有颅相学的基础。

　　19世纪的科学家，用实验探究脑的功能

　　19世纪是一个知识爆炸的时代。对一名医生来说，能够活在这个时代一定是让人感到兴奋的一件事。这个时代有很多人从事科学研究，但只有少数几个人经受住了时间的考验。

　　法国生理学家玛丽·让·皮埃尔·弗卢朗（Marie Jean Pierre Flourens）进行了实验，旨在研究高尔的观点是否正确。他选择性地破坏了动物脑的很多部位，并用电流刺激动物和人类的脑。他还对曾经患有严重精神障碍或神经病理缺陷患者的尸体的脑进行解剖研究。他注意到，当去掉了动物脑的两个脑半球后，动物所有的“知觉和判断”都消失了。于是，他得出了正确的结论：脑半球具有更高级的认知功能。他还切除了位于脑半球后部和下方的小脑，结果导致动物失去了协调性。后来，他注意到，损毁脑干下部（延髓，位于脑的底部并与脊髓相连）会致死。他推断，诸如呼吸和循环等重要功能受脑干控制。

　　虽然弗卢朗通过动物的脑进行研究无法提供关于人脑功能详细定位的信息，但是通过电流精确刺激脑开始成为可以实现的技术，而如今人们能够利用灵长类动物和狗的脑来进行实验。皮埃尔·保罗·布洛卡（Pierre Paul Broca）是法国一位才华横溢的外科医生和人类学家，他的经典实验是对患有严重语言障碍的患者进行研究，而该实验将语言功能定位到了脑前部左侧的一个区域。他曾经的一位患者只能发出“tan”的音。该患者死后，布洛卡发现，其脑前部左侧的一小部分区域被梅毒破坏了。现在，这一脑区被称为布洛卡区。

　　英国神经病理学家约翰·休林斯·杰克逊（John Hughlings Jackson）进一步发展了布洛卡的观点，提出该脑区是语言输出或表达的中心。几乎在同一时间，德国神经病理学家卡尔·威尔尼克（Carl Wernicke）在脑左侧发现了一个与语言理解有关的区域，该区域通过神经纤维通路与布洛卡区相连。由此，语言加工模型的基础就此诞生。

　　另两位德国生理学家——古斯塔夫·弗里奇（Gustav Fritsch）和爱德华·希齐格（Eduard Hitzig），通过对狗脑进行电刺激，观察狗不同肢体对不同刺激的反应，开始绘制脑运动皮质上各种功能的对应点。之后，英国神经病理学家、生理学家大卫·费里尔（David Ferrier）爵士对他们的理论进行了改进和发展，他通过切除受刺激的脑区来证明特定的运动功能会消失。1876年，他在《脑的功能》（The Functions of the Brain）一书中，将自己的所有想法都汇集其中。

　　以上这些以及其他实验表明，我们现在对脑的许多功能以及相应区域有了合理的理解，但是仍有一个问题尚未解决：我们为什么会发育出这么大的脑？

　　章末总结

　　1　颅相学：神经解剖学家弗朗兹·约瑟夫·高尔认为精神能力或精神特质的卓越性取决于它们所依赖的脑区的大小，而这些脑区的大小可以通过颅骨的发育和覆盖每个区域的隆起来判断。

　　2　玛丽·让·皮埃尔·弗卢朗：通过实验得出脑半球具有更高级的认知功能的结论，并且推断出呼吸和循环等重要功能均受脑干控制。

　　3　皮埃尔·保罗·布洛卡：通过对患有严重语言障碍的患者进行研究，他将语言功能定位到脑前部左侧的一个区域，也就是布洛卡区。

　　4　约翰·休林斯·杰克逊：进一步发展了布洛卡的观点，提出布洛卡区是语言输出或表达的中心。

　　5　卡尔·威尔尼克：在脑左侧发现了一个与语言理解有关的区域，该区域通过神经纤维通路与布洛卡区相连。

　　6　古斯塔夫·弗里奇和爱德华·希齐格：绘制了运动皮质上各种功能的对应点。

　　

　　历史上最重要的科学革命唯一的共同特点是：推翻支撑人类自大的基座，即人是宇宙的中心。

　　——斯蒂芬·杰·古尔德（Stephen Jay Gould）

　　虽然关于进化论的文章已经有很多了，但令人感到惊讶的是，在所有现代科学理论中，可能只有进化论仍然存有争议，尽管它已有了压倒性的证据。驳斥进化论有点像驳斥原子理论或相对论。虽然少数人可能真正拥有这样的知识，但对许多人来说，这更多的是一个信仰问题。前人对这一问题曾有过多次讨论，本书并不试图为进化论才是思考“我们从何而来”的正确途径这一理念进行辩护，我们只接受进化过程是人脑发展背后的推动力这一理念。即便你不能接受这一点，也不会影响对书中其他部分概念的理解，只是需要你自己来解释为什么我们的脑是现在这样的。

　　进化是不同世代之间的变化过程，通常每种变化都很细微，但随着时间的积累，与最初相比，这种变化就显而易见了。我们不妨思考一个简单的例子：语言。南非语、荷兰语和德语都是相关联的语言，而且都被认为源自一种共同的类似德语的语言，但这是如何发生的呢？这种共同语言的最初使用者能够理解自己的孩子说的话，没有人会质疑孩子与自己说的是不同的语言，但孩子们会经常使用父母不会使用的一些词语，比如俚语，也可能会使用不同的词汇或父母不理解的短语。慢慢地，经过几代人的发展，差异变得越来越大，以至于当与原始语言及其他语言相比时，它们变成了一种不同的语言。

　　从来没有创造新语言的准确时间一说，只有起始点和结束点之别。由于地理原因，一个地区的新词、重音或短语不易被另一地区普遍使用，慢慢地，差异变得越来越明显；当差异足够大时，我们便说它们变成了不同的语言。

　　这个过程有三个重要的特点。第一，这种语言的变化是循序渐进的，每一代人都能理解彼此，也能直接被他们上下一代的人理解，所以这种语言变化在任何一个阶段都难以被察觉。第二，这种变化不是预先计划、设计或故意为之的，而是语言从上一代传递到下一代的过程中必然会发生的，因为下一代的语言并非上一代的语言的直接复制。第三，由于地理原因，一群人使用的常用词或短语未必会传递给另一群人，这便导致了其各自不同的进化路径。人们需要将其进行归类，然后才能使用。将这个连续过程中的不同点看作不连续的语言很正常。这种逐渐变化的过程被称为进化，任何涉及信息复制的系统都会出现。

　　这个变化过程还有第四个相关特点：选择性。有些单词或短语会流行起来被大众青睐，另一些则不然。流行词被越来越多的人使用，因此会代代相传，不那么流行的词则会消亡。换句话说，新语言中的有些词是由说这种语言的人选择的，有些则不然。选择的过程同样是被动的，没有人能决定哪些词会流行，之所以会流行，只是因为它们更适合当时的语言环境罢了。

　　脑，逐渐发展出复杂性

　　包括人脑在内，地球上所有的生命都经历了相似的不断变化和选择的过程。正如语言是后代脑言语区域对声音和语法规则发展的复制产物一样，生物体也是后代细胞对基因和遗传密码发展的复制产物，其发展成效不仅体现在完整的生物体中，也体现在脑中。在脑中，复杂的布局结构在某些情况下具有优势，因此这种结构便会进一步进化。原始的神经样细胞形成更复杂的细胞结构和具有神经网络的生物体，然后进一步形成神经节，最后形成数十亿神经元的复杂集合体，也就是我们所说的脑。

　　任何时候，亲代都不会生出一个新物种，但细微的差异会慢慢地累积起来。因为我们能看到这个连续过程的“快照”，所以可以看到不同物种的独特的脑。这有点像在树枝上截一个横截面，我们会看到明显不相连的原木圆圈，但它们实际上是同一根树枝的一部分。我们可以把看起来相似或相近的原木圆圈归为一类，但如果不了解树的完整形状，这种归类就会充满不确定性。

　　乍一听，人脑似乎是一团混乱无序的神经集合，但事实远非如此。人脑中神经之间的潜在联系比已知宇宙中的原子还要多。人脑有一个可预测且高度组织化的结构，这是进化的产物。为了理解导致这种结构的事件链，我们需要接受一些源自进化和选择的被动过程衍生出来的观念。

　　第一个观念是，复杂性其实源于简单性，当然，这并不意味着简单性不会因复杂性而生。例如，我们认为哺乳动物的祖先比它们简单，而其祖先的祖先可能更简单，由此可以追溯到生命的起源。这与神创论和智能设计的基本概念形成了鲜明的对比，在后两者的概念中，万能的上帝和终极的复杂性先于其创造的更简单的形式出现，任何程度的复杂性都可以被创造出来。

　　第二个观念是，有机体的发育过程与过去的进化相呼应。例如，人类胚胎在发育过程中曾有鳃、鳃弓和尾巴，而这实际上与哺乳动物的胚胎几乎无法区分。此外，鸟类和哺乳动物的胚胎在发育早期也非常相似，但随着生物体的成长，它们的相似度会降低。同样，正如我们所期待的那样，两个种群都是陆栖脊椎动物，因此也有一个遥远的共同祖先。

　　第三个观念是，因为所有生物都“带着”自己进化的产物，所以自然界中必然存在各种相似性。就像南非语、荷兰语和德语都用相似的词来表达“谢谢”一样，所有现代生物体都拥有相同的细胞组成、细胞结构和蛋白质，人类与酵母有90%的相同基因……成千上万类似的例子都有力地支持着“生物有共同的起源”这一观点。

　　自然界中还存在其他能说明相似性的例子。它们有时是解决进化问题的唯一方案，如物种经历的平行进化。在最基础的层面，这些相似性包括对称性、有头有尾或能感应环境等特征，这种现象甚至可以拓展到分子水平。最引人注目的是有袋的狼和有胎盘的狼，这两种狼各自都为适应环境发展出了“狼性”的应对策略。在语言层面，与之对应的大概是“妈妈”这个词，这是婴儿最早能发出的声音之一。事实上，所有的语言都有相似的词。这并不是说所有语言都来自同一种语言，而是说人们出于同样的原因独立地想出了同样的词。

　　脑是如何进化出来的

　　事物越复杂，其需要进化的时间就越长。人脑是高度复杂的，所以经过了很长时间的进化。此外，因为每一代都是对上一代的改进，而不是全新的改变，所以有些东西看起来似乎不合逻辑。为了理解脑是如何形成的，我们需要借助一个简单而普通的蓝本——鱼脑。

　　鱼类神经系统的基本结构是一个一端有3个突起的管子，对应于前脑、中脑和后脑，并且管子上还有一系列隆起。这些排成一行4对的隆起被称为“丘”（colliculi，来自拉丁语，意为“小山”）。第一对位于前脑，负责嗅觉；第二对和第三对位于中脑，其中第二对负责处理视觉和眼球运动的反射，第三对负责处理声音；第四对位于后脑，处理位置信息。在鱼类和人之间的进化树上的所有动物中，我们可以清楚地看到这种组织结构，但是这些成对的隆起大小各不相同。在一些动物中，它们被称为“叶”（lobe），而在其他一些动物中，则被称为“半球”（hemisphere）。

　　对早期的生物而言，处理气味信息和视觉信息的能力对确保生存来说非常重要，而有关身体位置的信号以及由此产生的协调性同样重要。因此，第一对和第二对隆起进化得更大，变成“叶”；第四对也在扩大，但扩大的程度较小。随着运动越来越重要，第四对隆起也开始扩展成“叶”。对哺乳动物来说，良好的嗅觉和运动能力对生存最重要，因此第一对和第四对隆起急剧扩大，而人类脑叶的扩张过程发挥到了极致。原本处理嗅觉的第一对隆起已经极大地扩张，成为脑的两个半球。在扩张的过程中，它们首先向前生长，越过前脑，直到被颅骨前部限制；它们继续扩张，环绕自己向后扩张，直到被颅骨后部限制。然后，它们不得不再次重复向前，通过两侧，让脑的两个半球形成熟悉的“拳击手套”形状，并将内部空腔（侧脑室）“拉伸”成螺旋状。

　　对人类而言，原本负责嗅觉功能的第一对隆起如今局限在脑半球前部的内部和脑半球前表面的下方。这一负责嗅觉的区域与控制情绪的边缘系统有重要联系。两个半球的其余部分则接管了视觉功能和听觉功能，以及运动功能和感觉功能。第二对和第三对隆起如今看来基本上是多余的，成为中脑后部上的“小肿块”（上丘脑和下丘脑），负责处理视觉反射和听觉反射。与此同时，第四对隆起进一步发育和扩大，如今大约是脑其余部分大小的1/8，即小脑，它对复杂的、习得的协调性运动以及与平衡、关节位置和空间信息的整合至关重要。因此，我们拥有一个非常大的、复杂的脑，专门处理感觉信息并将其转化为行动。尽管如此，我们仍不清楚为什么脑需要长这么大。许多获得“成功”的动物的脑就很小，比如，地球上能找到的拥有最小的脑的恐龙。

　　【“创世论者”之谜】

　　人携带着所有之前进化的特征，喉返神经就是一个很好的例子。这条神经负责喉部声带的移动，正是因为它，我们才会说话。如果人最初就是由造物主设计的，那么喉返神经本应在离开脑干后通过最短距离直接到达喉部，因为这样设计才合理。但事实并非如此：左侧喉返神经离开脑干，沿颈部向下移动，绕着主动脉（离开心脏的大动脉）循环，并沿颈部回到喉部。因为喉返神经自己绕了回来，所以说它是“循环性的”。

　　对人来说，一个10厘米就能完成的路程却跨越了半米以上；而对长颈鹿来说，几厘米的路程绕了近7米。这有点像将飞机操纵杆的控制线一直发送到飞机的尾部且一无所获。创世论者只能简单地解释这是神的奥秘之一，或者是神出于某种未知原因故意为之。进化论者的解释则简单得多：对第一个有喉返神经的共同祖先来说，这肯定是连接神经和喉最简单的方法。

　　今天的两栖动物与化石记录中的两栖动物相似，因此我们可以认为它们同现代脊椎动物简单的前体相似。因为其神经、主动脉弓和喉都在一条直线上，所以青蛙的喉返神经路径最短，也最合理。爬行动物则有了新的进化发展，其心脏位于胸部稍低的位置，喉返神经的路径呈柔和的曲线，只绕了一小段路。哺乳动物从爬行动物或更近的共同祖先进化而来，心脏被置于胸部深处，喉部则位于颈部。因此，尽管绕道很长，可一旦了解到这是对之前设计的改进，就会觉得合乎逻辑了。

　　猿猴VS.人类：为什么人类能成为社会赢家

　　目前认为，最早的灵长类动物生活在非洲，那是人类最早进化的地区。所有的灵长类动物都有一些共同的特征：眼睛朝前，能够抓握和跳跃，有指甲而无爪。然而，人类有一些特殊的生理特征。例如，人类没有全身长满毛发，有一对对生拇指（可用来触摸其他四指），鼻子朝下，身体竖直站立等。在社交方面，人类喜欢生活在30人左右的群体中，遵循一套复杂的规则来处理人际关系，而这些规则是人类在成长过程中学会的。灵长类动物花大量的时间互相梳理毛发；人类则将时间花在身体接触和语言交流上。人类的身体特征可以被看作理解我们拥有较大的脑以及社交能力的一个线索。群体生活导致的一个副作用是，人类发展出了想象他人的观点和欺骗他人的能力。这些社交和智力技能完全依赖于脑力，这可能是较大的脑发育背后的进化驱动力和结果。

　　猿类有共同的社会结构。通常情况下，一个包含30只猿左右的群体会有一个占主导地位的雄性领导，它对群体中的雌性拥有交配权，当然，前提是它们接受它。它会得到副手的支持，但通常也会遭到群体内竞争对手的反对。它们通过毛发梳理、肢体语言和身体接近来表明联盟的建立。因此，群体内权力争夺不断，雌性掌握着平衡，需要做出正确选择以表明支持谁。在正确的时间建立正确的联盟，可以使雄性成为一位成功的父亲，免于独自生活。而这就需要它们具备特别的能力，来理解复杂的社会互动，理解其他猿的意图，并控制其他猿理解自己的意图。这很可能也给了我们从他人角度看世界的能力和撒谎的能力，以及交流这些概念的能力，这些都是意识的组成要素。另外，还需要一个足够大的脑，但是多大才算足够大呢？

　　【水宝宝：水猿】

　　在类人猿中，人类是唯一能积极享受水中生活乐趣的，与生活在海洋中的哺乳动物一样拥有哭泣的能力。人类生来就有一种自然的潜水反射，即当脸部接触冷水时，心率和新陈代谢会减慢。在婴儿身上，这一潜水反射也同自发的、为防止溺水而屏住呼吸并伴随游泳动作的反射结合在一起。那么，是否存在一个单一的模型，可以解释在人类过去的进化中发生了什么？

　　有一个特别有趣的关于水猿的理论。这一理论基于这样一种观察，即人类和猿类表亲之间的许多差异，可以用以往海洋或淡水附近的祖先来解释。我们蹚水时需要保持直立的姿势，解放双臂，一些野外猿类也会这样做。我们拥有可以自由伸张的手臂，可以操纵物体，而不仅仅是用来运动。人类身体的长宽比约10：1，对水来讲这是完美的流线。鼻孔朝前容易进水，而人类的鼻孔则是朝下的。毛发太旺盛容易使人溺水，尤其是对类人猿来说，而人类毛发稀少。

　　富含鱼类的膳食为构建较大的脑提供了必要的膳食成分，而且人们普遍认为，人类的祖先必然有办法捕到鱼。在海洋哺乳动物中，哭泣可以帮助清除体内多余的盐分。在类人猿和陆地哺乳动物中，人类是唯一拥有这种能力的。人类的许多生理特征都可以用进化史上的这种适应性来解释。

　　对于这些特性，人类还有其他的解释。天文学家霍伊尔（Hoyle）和维克拉姆辛戈（Wickramsinghe）曾提出生命起源于外太空的观点，因为复杂分子发展所必需的化学物质在外太空非常丰富。他们认为彗星内核冰冷，这一想法曾被认为很荒谬，因为这意味着彗星是岩石和冰的结块，现在我们知道这一观点是正确的。他们还提出，感冒和流感席卷世界的速度如此之快，是因为病毒来自太空，而人的鼻孔朝下，可以减少这些病毒的进入。这一想法似乎很荒谬……

　　脑容量和脑力：为“大”而战

　　蚂蚁的行为非常复杂，但它的脑几乎只有针头大小。蚊子可以飞行，但在目标上吸取血液只需要一个神经节点。老鼠很聪明，但脑只有2克重，与人脑中被称为下丘脑的这一小部分质量差不多。一般来说，脑越大，智力越高。然而，这并没有严格的相关关系，事实上，脑的表面积或者脑的质量占身体的比重似乎更加重要。脑表面的褶皱被称为脑回，它们之间的凹陷被称为脑沟。相比于身体的大小，人类的脑不仅过大，而且布满褶皱，看起来就像核桃一样。这意味着我们不仅有一个相对过大的脑，而且脑还有非常大的表面积。仅仅在脑皮质上，一个成年人就有100亿～200亿个神经元和60万亿个突触。那么，这些额外的“脑力”都到哪里去了呢？我们的行为真的比狗或猪的更复杂吗？答案或许是肯定的。

　　第一，人类的人际关系非常复杂。第二，人类有高度发达的语言能力。第三，人类对未来和过去都有一种成熟的时间观念。第四，人类有抽象思维的能力。第五，人类可以设身处地为别人着想。第六，人类有能力创作艺术作品和解决问题。这些能力的结合是人类独有的，当然，其他灵长类动物和社会性哺乳动物或许可以在较低程度上做到其中一些。脑力所需的关键组成部分似乎是神经元的数量、神经连接的数量和特定神经回路的数量。

　　一般来说，一个更大的脑会提供更多的能力，但这只是一个一般性的规则。一方面，能力和力量之间需要保持进化平衡；另一方面，维持和成本也需要保持进化平衡。脑消耗了我们吸收的20%的热量，因而人需要较长时间的妊娠期（还不够长，人在出生后很长一段时间还需要被照顾）以及一个更大的脑。

　　我们通常会认为，作为人类，智慧使我们有别于其他动物。但新的理论认为，在原始人类进化中有几个平行分支，其中只有一个分支产生了智人。证据表明，尼安德特人非常聪明，有语言能力和工具制造能力，与我们的直系祖先同时存在，但尼安德特人不是现代人的祖先。这表明智力至少出现了两次，一次在现代人身上，一次在尼安德特人身上。我们还知道狗能听懂数百个单词，一些马和鸟也能听懂，一些猿类能用手语交流……看来，智力并非独一无二。

　　脑是大量神经元的集合，所有的神经都以某种方式相互联系，由此我们才可以审视和体验这个世界，继而进行思考，并根据得出的结论采取行动。但神经是什么？脑又是如何运作的呢？我们将在下一章进行讲解。

　　章末总结

　　1地球上所有生命的所有方面，包括人类的脑，都经历了相似的不断变化和选择的过程。

　　2人脑的神经之间的的潜在联系比已知宇宙中的原子还要多，它有一个可预测且高度组织化的结构。

　　3　进化的结果：

　　·从简单性进化出复杂性；

　　·有机体的发育过程与过去的进化相呼应；

　　·因为所有生物都“带着”自己进化的产物，所以自然界中必然存在各种相似性。

　　4一般来说，脑越大，个体的智力越高。不过，脑的表面积或脑的质量占身体的比重更加重要。

　　

　　没有人活在由盐和酸组成的外在真理中，人们都活在自己头脑中温暖而变幻莫测的房间里，这里有油漆过的窗户和层层的墙壁。

　　——罗伯特·路易斯·史蒂文森（Robert Louis Stevenson）

　　细胞结构：人体就像一座巨大的水下工厂

　　许多人得知自己靠电来维持身体运转时，都感到很惊讶。人体的主要成分是水，还有脂肪、蛋白质及少量的盐等。人体的导电性能很好，但并非通过电线导电。神经和肌肉遍布全身，它们是电流流动的主要路径。事实上，不仅仅是神经元和肌细胞，每个细胞都是带电的。

　　细胞不仅组成了生命体，其所在的部位也十分活跃。要理解细胞的复杂性，我们可以将其想象成一座漂浮在海面上的巨大的水下工厂，其形状大致是球形。工厂的墙壁是一个巨大的肥皂泡，门和水泵在上面穿了孔。虽然一些“海水”和小的“海洋居民”可以通过肥皂泡壁进出，但所有重要的或体型较大的东西都必须通过水泵或门才能进入。肥皂泡的外层布满了天线和通信面板，用来收发信号。

　　工厂里面充满了水，但与外面的海水不同，这些水不是咸的。海水进入的同时，所有的盐都要尽可能快地被抽出来。巨大的机器将物料输送到工厂的不同地方，到处都有“信使”跑来跑去负责管理，巨大的传送带将工厂的产品运送到合适的地方。巨大的脚手架连接和支撑着所有的东西，并充当工厂的单轨铁路。

　　细胞这座工厂就像一个漂浮在大海中的巨大肥皂泡，它的内部又有一些小的肥皂泡。所有小肥皂泡都通过狭窄的肥皂走廊连接在一起。每个小肥皂泡都有专门的任务，以使整个大肥皂泡工厂保持正常运转。有一种小肥皂泡是发电站，提供能量，通常每个细胞都有许多；另一种是大一些的肥皂泡，通常在产品设计团队工作的中心位置，这一部门是整个大肥皂泡工厂得以运转的保障，它们指导任务，制订运营计划，并在需要的时候建立新工厂。

　　将这座工厂缩小到只有1毫米的几分之一，就是细胞（见图3-1）。肥皂泡的泡壁好比细胞膜（见图3-2），由一种脂肪物质构成，其性质与洗涤液类似，因此肥皂泡的类比相当准确。它能溶解在脂肪或水中。在水中，其脂溶性部分会被隐藏起来；在油或脂肪中，其水溶性部分则会被隐藏起来。就像肥皂泡表面的流动一样，细胞膜也很容易流动。肥皂泡很容易破裂，所以细胞膜被特殊的蛋白质强化，并不断进行补充。大多数细胞都有一个内部支架，即细胞骨架，以保持其形状或利于运动。尽管细胞膜对水和小分子具有很强的渗透性，但它们本身有很多泵和孔隙，可以很好地控制进出细胞的大部分物质。因此，细胞膜是半渗透性的。

　　

　　图3-1　细胞结构

　　

　　图3-2　细胞膜

　　工厂外部的天线和通信面板好比细胞表面的受体，这是一种具有特殊形状的分子，每个分子都在等待一个特定的搭档分子附着。搭档分子可能被另一个细胞释放或者“漂浮”在细胞膜上。一旦搭档分子附着，受体就会被激活。就像用钥匙转动锁或者用手指按下按钮，接下来一连串的事件就会发生；就像打开一扇门，允许特定的东西进入细胞，或者打开要在细胞内转发的消息。消息会被转发到细胞内的第二个信使，它会激活或关闭细胞机器。

　　细胞内有很多小得多的结构，它们被称为线粒体。线粒体为自身和主细胞提供所需的能量（工厂的动力来源）。这种古老的伙伴关系可能始于数亿年前：当时，一个原始细胞试图吞噬和消化一个原始细菌，未能成功。但细胞存活了下来，细菌也存活了下来。细胞可以从细菌产生的能量中获益，细菌反过来则可以从细胞提供的营养中获益。如今，线粒体是所有动物细胞的组成部分，将糖和氧气有效地转化为能量，线粒体和细胞离开彼此都无法存活。

　　肥皂泡内部还有一些较大的中央气泡，被称为细胞核，类似于设计团队的办公室。细胞核中包含着生物体的DNA蓝图。相关的DNA片段被分解和读取后，会形成细胞的各个部分，并在细胞分裂时进行完整复制。

　　神经间的交流：将所有信号转化为电信号

　　在解释神经的本质之前，对“神经”下定义很重要。对一般大众来说，“神经”“紧张”“精神崩溃”可以用来描述焦虑或精神疾病患者的情绪状态。“神经”是身体的一部分，一旦受损会导致身体麻木或虚弱；对科学家来说，神经是指神经细胞或神经元（见图3-3），是单一的细胞；对外科医生或病理学家来说，神经是由许多神经元组成的呈黄白色的线状神经束。我们在本书中会用“神经元”或“神经细胞”来指代单个细胞，而用“神经”来指代大得多的、由神经元构成的神经束。

　　

　　图3-3　神经元

　　在自然界中，事物的结构与其功能密切相关。神经元是一个特别突出的例子：由于需要广泛的通信网络，原本球形的细胞通常被扭曲成海胆样的结构；脊骨则通常延伸成细长的细丝。当神经元生长时，它的丝状纤维（树突）会寻找其他神经元进行接触和交流。大多数神经元至少有一个极长的、大的管状延伸，被称为轴突。人类的神经元轴突可以超过一米长。神经元需要一个专门的运输系统，有自己的火车和隧道。除了所有细胞都有的常见的支架和支持系统，神经元还有自己更小的支架组件，即神经纤维。它们形成了分子发动机的轨道，用于运输“货物”。

　　神经元中膨胀、呈球形的部分是细胞体。神经元的细胞体聚集在一起，形成了脑和脊髓的灰质。从细胞体出发，轴突投射到目的地，但也是聚集在一起，形成一根神经。例如，连接小指肌肉的神经元在颈部脊髓的灰质中有其细胞体。它的轴突向下延伸到锁骨和肋骨之间、手臂下及肘部上，再通过前臂延伸到小指。一束轴突连接到小指的肌肉和皮肤，形成神经，如果我们敲击尺骨端就会产生刺痛。这些轴突大约有一米长。蓝鲸的轴突可能长达几十米。因此，一个神经元的形状可能非常扭曲，只有千分之几毫米宽，却可以有几米长。

　　最令人感到惊奇的是神经元的物理特性。神经元几乎可以把任何一种信号转换成电信号。最常见的转换是从化学信号到电信号，但是神经元也能将光、声音、温度、压力甚至地球磁场转换成电信号。信号从细胞体开始，沿着轴突向下传递到神经网络链上的下一个神经元，或者反过来，从轴突到神经元细胞体。一些感觉神经的神经元有两个轴突。在这些神经元中，信号从第一个轴突向上传播，进入细胞体，然后从第二个轴突向下传播，直到远端，再传递到其他细胞。

　　一些人可能会认为，神经元交流最简单的方式是像电路一样直接将电信号从一个传递到下一个，但实际上并非如此。当信号到达远端时，神经元将其转化为一种化学物质，扩散到它和相邻细胞之间的空隙中。由于是来自神经元的信息传递，所以这种化学物质被称为神经递质。释放神经递质的区域位于一个细胞的末端，也是下一个细胞的开端，被称为突触。当神经突触另一侧的神经元探测到化学信号时，它会被转换回电信号，整个过程又重新开始。这种电信号和化学信号的混合被称为电化学系统，且与神经元及其连接的物理排列相结合，这就是神经系统的工作原理。

　　神经本身不像电线那样导电，相反，它们维持着细胞膜内外盐浓度的差异。而要理解为什么会产生电，我们需要先理解盐是什么。

　　众所周知，有些原子在与其他原子结合时容易失去电子继而带正电（阳离子），有些则容易得到电子，继而带负电（阴离子）。

　　它们之间会形成所谓的化学键。盐就是通过这种阴阳离子的结合形成的。生物体中最常见的阳离子是钠离子（Na +）和钾离子（K +）。钠离子比钾离子更容易吸引电子。通常，细胞把钠离子泵出而把钾离子泵入，电荷在细胞膜上聚集起来，细胞内外之间的电位差约为70mV。

　　当从邻近的细胞接收到神经递质信号时，细胞膜对钠离子的通透性增加，导致钠离子内流，使得细胞内部带更多正电荷。由于细胞膜的性质，细胞内部的正电荷越多，细胞膜就越容易让钠离子内流。逐渐地，越来越多的钠离子渗入细胞内，细胞内部正电荷越来越多。当达到临界值时，专门的钠离子通道就会打开，大量的钠离子会涌入。细胞膜的这一区域呈强阳性并使邻近区域去极化（depolarization），直到它也打开通道并去极化。去极化波沿细胞膜扩散，使下一部分泄漏，使其去极化，再使下一部分泄漏等。通过这种方式，电流沿着细胞膜扩散，永不衰减。这就是动作电位。需要注意的是，这里描述了三个阶段：第一个阶段是正常的静息状态；第二个阶段是钠离子的初始内流；第三个阶段是突发的大量钠离子内流，这只有当动作电位达到临界值时才会发生。

　　采用动作电位的方式有两个直接的优点。第一，这种方式可以进行简单的添加。如果接收到一个小信号，它本身可能不足以使细胞膜去极化以触发动作电位，但许多小信号叠加起来就可能触发动作电位。第二，由于电信号不会衰减，它可以长距离传输而无须中继站来增强功率。

　　采用动作电位的方式面临的主要问题是，电信号的传导速度受神经元直径的影响较大。直径越大，信号越快，但速度仍然十分缓慢。这就是为什么当人被踩到脚趾时，需要0.1秒的时间才能感觉到痛。高等动物已经找到了解决这一问题的方法：较大神经元的轴突（见图3-4）被包裹在绝缘体内，使轴突看起来像一串香肠。这种绝缘性提高了信号传播的速度——它沿着轴突进行“跳跃”，而不是像在连续的介质中传播那样。这就是所谓的跳跃传导，当其发生病变时，人体就会出现异常，比如患多发性硬化。

　　

　　图3-4　突触

　　当信号到达轴突末端时，钠离子通道不再打开，同时钙离子通道打开，这会激活化学神经递质释放到突触中，以准备在下一个细胞中开始另一个动作电位。

　　神经网络：自然形成的互联网

　　相互连接的几个神经元共同形成了一个神经网络。稍大一些的神经集合被称为神经节，我们通常把动物最大的神经节或神经节集合称为脑。自然界最简单的神经元集合之一是水螅（Hydra）的神经网络，这种动物是一种生活在海里的珊瑚状小珊瑚虫。

　　【肌细胞】

　　肌细胞传导电流的方式与神经相似，但两者在两个关键方面存在差异。第一个方面，肌细胞紧密相连。通常，心肌细胞非常紧密地连接在一起，以至于实际上合并在了一起（合胞体），这使得电去极化直接通过整个肌肉进行扩散。第二个方面，去极化导致钙离子渗透到肌细胞内一种特殊的膜内，这种膜含有可以收缩的蛋白质。钙离子会激活收缩过程，因此一个动作电位会导致一个肌细胞收缩，然后通过肌肉其他部位进行扩散。在心肌中，电脉冲是由一组起搏器细胞设定的，这些细胞以预设的速率输出钠离子，触发大约每秒一次的动作电位，继而再传导到心脏其他部位：心跳产生。

　　值得注意的是，如果神经网络的一部分被破坏，其他部分将接管受损区域的功能。这就像脑的部分区域受损后，其他区域会接管受损区域的功能，以便更快恢复。同样还要认识到，在上面的例子中，虽然这个学习过程是在计算机中进行的，但它与躯体内神经网络排列的神经集合中发生的过程相同。如果海洋水螅虫可以连接字母输入和输出设备（且有“老师”可用），理论上它们也可以用同样的方式学习。

　　脑与计算机究竟有什么区别

　　由于还不能很好地理解脑，我们总在试图用最新的技术作为模型来理解它。童年时代，我们一直确信脑是一个电话总机。看到伟大的英国神经科学家谢灵顿认为脑像电报系统一样运作，我觉得很好笑。弗洛伊德经常把脑比作液压系统和电磁系统。莱布尼茨把它比作磨坊，还有人告诉我，一些古希腊人认为脑像弹弓。现如今，人们则把脑比作计算机。

　　——约翰·塞尔（John R. Searle）

　　人脑有多达6层的细胞层，每一细胞层都有数千种不同的输入，并将其输出发送给大量其他以复杂三维模式连接的神经元。不同的网络本身以复杂的模式相互连接，其输出受脑部化学变化的影响。这种神经网络组织奇妙，比我们想象的要复杂得多。

　　如果神经集合能够对特定的输入产生特定的输出，这是否意味着脑只不过就是一台计算机呢？这个问题的答案取决于我们对“计算机”的定义。大多数人用这个词描述一种机器，它可以得到一列指令（一个程序），从而获得一种新的能力，如在屏幕上显示图片或表现得像一台计算器。这同神经网络很不一样。对计算机来说，它不需要训练，只需要一个程序。同样的输入进行100万次，计算机通常会产生100万次同样的输出。而给神经网络100万次同样的输入，你可能永远得不到完全相同的输出。

　　最大的不同可能是哲学意义上的。计算机不需要与其环境交互就可以“知道”要做什么，它只遵循一列指令。从这个意义上说，它的行动没有意义，也无须理解。另一方面，神经网络必须与其周围环境相互作用来学习，这表明，对所看到的做出特定的反应，对大脑而言是有意义的。

　　我们已知单个神经元是如何运作的，且一个小的神经网络具有涌现特性来进行学习。在比水螅虫稍高级一点的生物体内，神经元聚集在一起被称为神经节。通常，最大的神经节位于有机体的头部。我们可以认为它是脑的最小单位，是脑中的重要神经节。虽然每个人都不一样，但我们的脑似乎区别不大，尽管每个人的脑包含数十亿的神经，且每个神经都有成千上万的连接。那么，这一切是如何从单细胞产生的呢？

　　【机器人】

　　1999年，在比尔·迪托（Bill Ditto）的带领下，埃默里大学和佐治亚大学的一组研究人员将微电极与生长在皮氏培养皿(1)中的水蛭神经元连接起来。他们发现，这个神经网络经过训练可以进行简单的计算。他们称之为leechulator。2003年，史蒂夫 ·波特（Steve Potter）带领美国研究人员通过互联网将一系列神经元连接到澳大利亚研究人员实验室的机器人手臂上。这个被称为MEART（多电极阵列艺术）的项目，目的在于探索创作过程。“脑”和“身体”被设计来进行艺术性绘画创作。这些神经元接收到的视频图像中有一名参观画廊的游客和另一个页面，这样它们就能“看到”自己所画的东西。虽然图像远不准确，但随着时间的推移，它们越来越有条理，不再那么混乱了。

　　最近，杜克大学的米格尔·尼科莱利斯（Miguel Nicolelis）(2)实验室开发了一种设备，可以让脊髓受损的人控制计算机光标。该装置被植入运动皮质，电极与脑中的第三层神经元相连。信息由颅骨上的磁性阅读器收集，所以皮肤的任何部分都不会被破坏。最初在一名脊髓受损的男子身上进行的实验很成功，但这项工作一直存在争议，因为最初的研究是在灵长类动物身上进行的。2004年，麻省理工学院和纽约州的其他研究人员利用从含有电极的特殊帽子中拾取的脑波模式开发了系统，通过这些系统，佩戴者能够完全通过思想来操控计算机游戏或移动计算机光标。

　　这样的系统可能会导致人类神经系统与电子系统的最终整合，这将使人类未来成为真正的控制论有机体。

　　章末总结

　　1人体是靠电来维持身体运转的。人体的主要成分是水，还有脂肪、蛋白质及少量的盐等，神经和肌肉遍布全身，是电流流动的主要路径。

　　2神经元或神经细胞指的是单个的细胞，神经指的是由神经元构成的神经束。

　　3神经元几乎可以把所有信号都转换成电信号。最常见的转换是从化学信号到电信号，但是神经元也能将光、声音、温度、压力甚至地球磁场转变成电信号。

　　4如果神经网络的一部分被破坏了，其他部分将接管受损区域的功能。

　　

　　

　　一只母鸡不过是一只鸡蛋生产另一只鸡蛋的机体而已。

　　——塞缪尔·巴特勒（Samuel Butler）

　　从卵发育成胚胎

　　神经系统的发育反映了人类过去的进化。要理解这一点，我们需要把事物想象成从一种形式转变为另一种形式，就像罗伯特·帕特里克（Robert Patrick）在电影《终结者2》中扮演的邪恶的T-1000终结者一样。如果我们应用某种虚拟延时摄影技术，便可描述出一个人从受精卵到新生儿的发育过程，就像花朵加速盛开或云彩在天空中“飞奔”。

　　人的生命一旦存在，受精卵含有的高度浓缩的遗传信息就会以不可思议的方式扩展，从单个细胞逐渐发展成整个生命。这是真正的生命奇迹。最初的事件源于首次细胞分裂，从一个细胞分裂成两个细胞，大约发生在怀孕30小时后。细胞分裂以各种形式在生命中继续，但首先是细胞在每次分裂时进行简单复制，大约持续3天，直到有一个实心细胞球体产生。接下来的几天，球体中会出现一些腔室，这些腔室逐渐合并成两个大腔室。在此过程中，发育中的胚胎一直沿着输卵管向子宫移动。一旦进入子宫，球体就会钻进子宫壁，开始“成人”的任务。

　　早期胚胎（见图4-1）类似于两个粘在一起的空心半球。两个相邻的扁平表面最终会发育成人体，进入子宫壁的半球会发育成胎盘，另一个会发育成包裹和保护发育中的胎儿的膜。

　　

　　图4-1　早期胚胎或囊胚

　　原条：形成头和尾

　　在此阶段，胚胎发育成一个双层圆盘，位于球体的中心。不过从现在起，我们只考虑圆盘，不管球体，因为正是这个圆盘让我们发育成了人。

　　此时，胚胎有一个明显的顶部和底部表面，顶部是最接近膜半球的层，底部是最接近胎盘的层。到第15天左右，顶层会出现一些新细胞，并逐渐形成一条细胞索，即原条。它最初在圆盘（原结）一侧边缘开始变暗，然后从中心到另一侧边缘扩散成一条直线。随着扩散，它逐渐形成一个凹槽，并在远端一个小凹陷（原窝）中完成，这里将形成顶端，另一端则形成尾端。原条是中线，界定左右两侧。接下来的第二天，原条两侧的一组细胞沿着凹槽向下移动，完全取代圆盘的底层。最下面的这层细胞，即内胚层，形成肠壁和内脏的主要器官（肝脏和胰腺）。另一组细胞向下移动，将自己置于圆盘的两层之间，形成第三层，即中胚层，将来发育成肌肉、骨骼、肾脏、膀胱、生殖系统，以及一些内部器官覆盖物和皮肤深层。最上面的一层，即外胚层，则发育成皮肤的其他部分和神经系统。到第16天，胚胎看起来像一个三层圆盘，上面有一沟槽，其中，沟槽的一端比另一端稍微深一些。

　　脊索：定义神经系统的时刻

　　在第16天左右，在原条的头端，原窝周围的细胞群会迁移到中间层。这些细胞进一步行进并与底层的内胚层结合。因此，在这一阶段，从头端的胚胎顶面到底面出现了一个中空的管道。这个管道的最底端最终发育成口部，其余部分则会稳固在一起并向下移动，直到占据中间层，并在延中线的胚胎下形成一个实心条索，即脊索。脊索是脊椎的前身，在所有脊椎动物及许多更原始的动物中都能找到。在成年哺乳动物中，脊索的残余存在于脊椎之间的椎间盘中。脊索的存在将人类这样具有神经系统（见图4-2）的动物与没有神经系统的动物（如水母或昆虫）区别开来。

　　

　　图4-2　神经系统的最初迹象

　　脊索发育并促使上面的外胚层发育成神经组织，然后再下沉成为一个神经组织，即未来的脊髓和脑。

　　与此同时，从原条周围外部区域向下迁移的中胚层细胞开始向侧面移动，并开始形成圆形结构，将来发育成主要的肌肉群。这些结构很有规则，且是分段形成的（和蚯蚓分段一样）。这些分段可以进行编号。例如，前7段将发育成头部的组成部分。在此阶段，胚胎看起来就像一块三明治，里面填了一根香肠，两边各有一块肉。三明治的最上面一层相当于外胚层，最下面一层相当于内胚层，肉块相当于中胚层，而香肠则相当于脊索。

　　神经管：迈向思想的第一步

　　大约在第18天，通过释放化学信号，脊索诱导外胚层中的细胞生长成前体神经元，促进神经系统的形成。它还发出信号让细胞开始进行自我复制。就这样，这些细胞以每分钟25万个神经元的速度，逐渐发展出1 000亿个神经元。此过程的第一步是形成神经板。作为对一种叫作SHH（Sanic Hedgehog）的脊索蛋白的反应，这个外胚层区域逐渐下沉形成一个沟（神经沟），同时两侧区域上升形成一个脊（神经脊）。离脊索最近的细胞，即接受最大量的SHH，将成为运动神经元。与此同时，在顶部表面，波峰靠得更近，而沟槽进一步下沉，形成一个管状结构，将神经嵴细胞“拉”上去。上拉从第四节开始，然后向下和向上扩展，直到只剩两个开口：胚胎两端各一个。在第24天左右，顶端开始闭合，在未来的前脑水平上完成；尾端开口则在第26天左右开始闭合，并在第二骶骨椎板（腰部下方）水平上完成。

　　到第28天左右，神经管完全闭合。中空的中心将发育成脊髓管和脑室。当神经嵴封闭时，一些多余的细胞会被挤压到两侧。这些细胞之后形成外周神经系统和自主神经系统，以及一些释放激素的腺体（如甲状腺、肾上腺和黑色素细胞）。

　　【脊柱裂】

　　神经管无法闭合会导致神经管畸形，其中最为人所知的是脊柱裂——神经管末端无法融合。鲜为人知的一种情况是无脑儿（源自拉丁语anbrain，意为“没有头”），其神经管上端无法闭合。如果母亲在怀孕前和怀孕期间缺乏叶酸，胎儿出现神经管缺陷的可能性更大，因此，建议孕妇在这两个阶段服用叶酸补充剂。

　　神经管的分割：塑造脑的形状

　　第30～60天，脑开始发育成大家熟知的形状（见图4-3）。神经管首先在顶端产生三个隆起，之后分别发育成前脑、中脑和后脑。前脑一部分将发育成脑半球的端脑，包括脑皮质和深层的基底神经节等脑结构及间脑，间脑将发育成丘脑，并促进眼球形成。中脑则未进行分裂。后脑分裂产生脑桥（位于后脑）、小脑和延髓（脑髓）。延髓是脑干最下面的部分，在某种程度上是脊髓进入头颅的延续。随着发育，这些隆起变为成对且对称的结构，位于中线两侧。

　　

　　图4-3　胚胎时期的脑

　　由于快速的生长，发育中的脑出现了3种皱褶。第一种是颈褶，使脑在脊髓和延髓之间向前弯曲。第二种是中脑皱褶，使脑在前脑和中脑之间向前弯曲。而在两者之间是第三种，即脑桥皱褶，促使脑向后弯曲，使得中脑被迫向上，再通过挤压神经管的中心部分，导致宽阔的腔室形成，即第四脑室。顶部伸展的细胞层则形成一层薄膜。脑桥皱褶将后脑分割成后脑和延髓。这个阶段的脑有点像由神经管中的隆起形成的锯齿，呈“M”形。

　　脑的成熟化

　　至此，脑已经开始走向成熟（见图4-4）。而在发育成熟之前，脑所面临的任务是扩大脑容量和增加神经连接数量。为了完成这一点，脑将遵循一组遗传指令，这些指令会根据经验进行修改。与此同时，由于脑能够拥有的各种经验是由神经连接决定的，因此存在着一个因果循环——脑的神经通路会改变经验，而反过来，经验也会改变脑的神经通路。

　　

　　图4-4　怀孕4～9个月脑的成熟化

　　随着婴儿的成长发育，脑半球逐渐扩大并溢出，覆盖了脑的其他部分。小脑也在扩大，在脑后突出来。颞叶越来越明显，成人脑具有的裂、脑沟和脑回也发育起来。

　　例如，天生斜视的人眼球会朝向不同方向。因此，每个眼球的中心视觉不可能固定在同一物体上。为了防止复视，发育中的脑会抑制其中一幅图像的产生。最终，由于被抑制，眼球会功能性失明，因为用来解释信号的脑回路不存在了。即使进行了手术，脑也无法“读取”来自眼球的信号。遗传程序设定的脑的神经通路已经被生命中的事件更改了（虽然脑的神经通路已经以遗传设定的程序开始发育）。现如今，为了纠正这一问题，人们会交替遮住孩子的眼球，直到他们长大，再对其进行矫正手术。这能迫使脑接受来自双眼的图像，并迫使其神经通路正常发育。但即便如此，由于实现三维视觉的神经通路需要同时来自双眼的输入信息，所以这些孩子的深度感知永远不会像双眼正常的人一样。这涉及一个问题：感觉输入的缺乏可导致脑神经通路的变化，那如果有多余的信息会怎样？

　　例如，如果孩子正在发育中的脑直接与红外线摄像机相连，脑回路是否能够适应并将摄像机当作另一个感知器官来解释图像？

　　这个问题很关键，因为脑似乎有专门的区域来处理特定信息。如天生多指的人可以正常使用多余的手指，这意味着脑中负责手指的部分并不“知道”会有多少手指。视觉区域也无法“知道”信息是否是彩色的，或者是否来自双眼。不同脑区的发育可能由松散的程序控制，然后它们通过神经彼此相连、同运动器官相连以及通过各种感觉与外部世界相连来进行改变。这种被塑造的能力被称为可塑性，在成人脑中仍然存在，不过程度较小。之所以如此，可能是因为相比于在已完成神经连接的脑中，可塑性所需的神经之间的重新连接在发育中的脑中更容易形成。

　　我们在之后关于推理和行为发展的一章中会看到，与“脑是完全灵活的系统”这一理论相比，“脑拥有以特定方式做出反应的专门脑区”的理论对研究各种能力更为重要。不过，在学习这部分内容之前，我们需要对脑的构成和每个组成部分的功能有个整体的了解。

　　【先天与后天】

　　神经系统是逐渐形成的，所以我们很难找到一个标志其开始发挥作用的明确的时间点，也就是没有一个时间点可以将无思考状态与思考状态区分开，或者将非活跃状态的脑与活动状态的脑区分开。心脏同样是逐渐形成的，但确实是在妊娠第22天左右以协调的方式自发地开始跳动，因此我们可以说，它在某一时刻开始了第一次心跳。

　　那么，脑是否有类似的过程呢？神经元确实可以“跳动”——如果没有接收到外部信号，它们就会产生一种引起有节奏的活动波的协调信号。闭上眼睛后，脑后部（枕叶）的神经元会以每秒8～11次的速度放电。这就是α节律。睁开眼睛会破坏这一节律，大概是因为细胞正在处理视觉信息。

　　有趣的是，α节律在一个人做梦时也会遭到破坏，这表明枕叶皮质的这一信号是真实的，这与我们的个人经历相符。脑深部的自然节律则较慢，即δ节律。从进化的角度看，这些深层的脑结构更原始、更古老。因此，神经元和心跳以同等的节奏放电。这种节奏必须从发育的某个阶段开始，但由于测量需要将电极连接到颅骨，所以目前我们不知道它何时或如何开始的。而这是否标志着功能性的神经系统的开始，目前也未有明确答案，不过看起来很有可能。

　　章末总结

　　1大约在怀孕30小时后，出现首次细胞分裂，从一个细胞分裂成两个细胞。

　　2第15天左右，原条出现，它将会发展成头端和尾端。

　　3第16天左右，脊索出现。脊索是脊椎的前身，正是脊索的存在，将人类这样具有神经系统的动物与没有神经系统的动物区分开来。

　　4第28天左右，神经管完全闭合，中空的中心将会成为脊髓管和脑室。

　　5第30～60天，脑开始发育成大家所熟悉的形状。

　　

　　大脑是个奇妙的器官。

　　——罗伯特·弗罗斯特（Robert Frost）

　　如果检查头部有裂口的人，摸到骨头，打碎颅骨，然后打开头颅，你会感觉（触诊）到他的伤口。你会发现伤口像坩埚里熔化的铜上的纹路，你会感觉到手指下仿佛有东西在跳动，就像触摸一个颅骨还未完全闭合的孩子头顶的软弱部位一样。

　　——《埃伯斯纸莎草书》（Ebers Papyrus）

　　成年人的脑平均重约1.35千克。为了理解脑各个区域的功能，我们需要将其分成几个部分，这样理解起来更简单。我们不妨从最大的部分开始：大脑。大脑由两个高度折叠的半球组成，看起来有点像核桃。大脑表面的褶皱被称为脑回，它们之间的凹陷被称为脑沟。两个半球通过中心的一束神经纤维（胼胝体）连接在一起，以便进行信息交流。

　　如果通过横切面观察脑半球，会发现中心部分看起来比较亮，这部分被称为“白质”。由于髓磷脂的存在，它看起来呈白色。髓磷脂是一种绝缘体，可以让神经更快地传递信号。（在多发性硬化等疾病中，髓鞘受损，整个脑中会出现多个硬化斑块或“瘢痕”。）像橙子外皮一样覆盖白质的部分，是较暗的“灰质”，或称“皮质”。

　　由于大脑的两个半球是对称的，因而我们只讨论其中的一侧。大脑皮质（见图5-1）可分为4个区域：额叶、顶叶、枕叶和颞叶。颞叶与大脑的其他部分被一个叫作外侧裂的沟分隔开来。

　　

　　图5-1　大脑皮质

　　在脑的更深处，朝向基底部的是基底神经节，这一区域与运动调节有关。运动协调是由位于脑后部的小脑控制的。脑干是源自脑基部的一根“茎”，为四肢和内脏器官的多种神经纤维通路提供出入口。它由3个部分组成：中脑、脑桥和延髓。其中，延髓连接着脑干和脊髓。

　　大脑皮质：当之无愧的智力中心

　　“皮质”一词来源于拉丁语rind，意思是“外皮”。在早期的教学中，大脑的这部分一直被忽视。早期关于大脑功能的观点有点离谱，几个世纪以来，几乎所有的研究人员都忽视了大脑皮质。我们不得不替埃拉西斯特拉图斯说句公道话，他曾指出，人类的脑比其他动物的脑有更多褶皱。然而，盖仑认为这没有任何意义，也认为大脑皮质并不重要。这种观点一直持续到18世纪。

　　英国内科医生和解剖学家托马斯·威利斯（Thomas Willis）是一个明显的例外。威利斯创立了英国皇家学会，并被认为是第一位撰写脑专著的作家。他是第一个描述脑部血液循环的人，也是第一个将记忆和自主运动功能归功于大脑皮质的人。然而，当时的主流观点却认为，大脑皮质只是一种保护性的覆盖物，而直接伤害或刺激大脑皮质不会引起疼痛这一事实被用来作为反对大脑皮质有重要功能的论据。

　　现在的观点大不相同，认为大脑皮质是个人特质的决定性部分；从进化的角度来看，它是大脑最发达的部分。“用好你的灰质”这一说法反映了大脑皮质作为智力中心的角色。和身体所有器官一样，脑内部也有显著的功能储备，因此脑具有可塑性，大脑受损的部分可以被其他区域替代。

　　运动皮质和感觉皮质

　　额叶和顶叶被一个大的裂隙（中央沟）隔开，两侧分别是运动皮质和感觉皮质（见图5-2）。运动皮质位于额叶，感觉皮质位于顶叶。（实际上，在大脑后部处理感觉信息输入和前部处理运动信息输出之间的区分，在每个系统中都会重复出现。）从广义上讲，传入的感觉信息（如温度、疼痛和触觉等）终止于感觉皮质，传出的与运动产生有关的神经冲动则产生于运动皮质。

　　

　　图5-2　左侧运动皮质和感觉皮质截面图

　　【用好你的大脑】

　　在没有任何科学依据的情况下，曾有这样一个流行的观念：我们只用了大脑的10%。考虑到身体其他器官至少有50%的功能是“备用的”（例如，切除一侧的肺或肾脏通常不会产生明显的影响），因此，认为大脑理应一样并不是没有道理的。当然，对于一些脑部疾病，在患者察觉到功能失调之前，许多神经已经退化了。此外，有一些先天性疾病，脑的大部分腔室被扩大的脑室占据，只留下薄薄的大脑外围，但这并不一定是学习或行为发展中一些明显问题的原因，当然，通过正式测试可发现能检测到的问题。

　　由于大脑消耗了我们所吸收能量的20%，因此大脑为了尽可能高效，面临着巨大的进化压力。这意味着除了允许我们不断学习与记忆，大脑不太可能存在太多冗余的空间。一些证据表明，我们“要么用好它，要么失去它”。那些经常用脑的人，比如经常玩填字游戏的人，不太可能患阿尔茨海默病等退行性疾病。因此，如果我们只使用了大脑的10%，那么它可能会小得多。

　　正如19世纪的研究者所发现的那样，运动皮质和感觉皮质都有一个显著的特点：信息以一种特定的地形图的方式排列。例如，最上面是表征腿部信息的区域，再往下是表征手臂和脸部信息的区域。身体的每个部分在大脑皮质都有自己的特定表征区域，但分配给每个部分的神经元的比例并不相等。思考一下指尖的灵敏度和灵巧度就很清楚了。如果根据赋予其功能的运动皮质和感觉皮质的数量来衡量身体每个部分的大小，然后画一幅人体图，画出来的将会是一个看起来很奇怪且手部和嘴唇巨大的“小矮人”（见图5-3）。

　　

　　图5-3　“小矮人”

　　根据用于表征身体感觉信息的大脑皮质的相对大小绘制的人体图。

　　【幻肢】

　　有些截肢的人感觉被截的身体部分仍然存在。患者经常感到幻肢非常痛，或者认为其保持着一种扭曲的姿势。即使患者能感觉到，也不能移动幻肢。患者感觉四肢像被紧紧地扭曲或拉伸着，相当痛苦。

　　额叶与抑制作用

　　一些科学家正在摒弃这种过于简单的观点：不同的功能被准确地分配到不同的脑叶。不过，大脑不同区域的功能可以分为几个大类。正如菲尼亚斯·盖奇（Phineas Gage）的事故所示，大脑的额叶与人格有关。1848年9月13日，盖奇在美国佛蒙特州卡文迪什附近的铁路工地工作时，由于火药的意外爆炸，导致一个约110厘米长、直径3.2厘米、6千克重的金属捣固杆通过他的左侧脸颊骨直穿颅骨顶部，之后在20多米以外落下。不幸的是，它破坏了盖奇左侧的大部分额叶。

　　《波士顿邮报》的一篇文章写道：“在这桩令人悲伤的事故中，最让人感到奇怪的是，他今天下午两点还活着，也能完全意识到自己的想法，而且并未感觉到痛苦。”据说，盖奇甚至都没有失去意识，几周后就回到了家里，宛如没有受伤一样。然而，他的性格发生了巨大变化。事故发生前，盖奇为人“可靠、勤奋、受人喜爱”；但当康复后，他却变得“常常坐立不安、大声喧哗、亵渎神灵、极易冲动”。他的医生这样描述他：“他对自己的同伴不怎么尊重；当某事与他的需求相抵触时，他不听阻止或建议；有时非常固执，但也反复无常和优柔寡断，他为未来的手术制订了许多计划，可这些计划没安排多久就被放弃了。”他的朋友形容他“已不是以前的盖奇了”，他的前雇主也拒绝让他复职。

　　盖奇的故事现在已经成为神经科学领域的传奇，卡文迪什还为此立有一块纪念碑。除了作为首个已知的“自主”脑手术的案例，盖奇的经历还说明了额叶在决定性格、正常社会行为和行为抑制方面的重要作用。因此，额叶疾病的表现往往是抑制功能丧失及出现不当行为。

　　【癫痫】

　　神经群通常表现出两种行为模式：同步活动的节律波（通常处于静息状态）和看起来混乱的非同步活动（处于活跃状态）。还有一种状态也可能出现，即同步的节律活动变得不受控制，包括通常不会同步的神经群。在这种状态下，同步活动的节律波的振幅比正常情况下大得多。这就是癫痫的电生理基础。如果这种电干扰影响到脑干，人就会失去意识。如果电干扰影响到脑中处理运动信息的部分，当运动皮质放电时，胳膊或腿就会随着电波抽搐。大多数人认为，无意识的抽搐就是癫痫，但这种电干扰有时只局限于脑的一部分，此时意识并不一定会消失。在这种情况下，受影响的脑区不同，人将会有不同的体验。这些经验的报告可以与脑扫描相比较，用来确定脑的哪一部分发生了癫痫。

　　颞叶与记忆功能

　　关于颞叶正常功能的大部分知识都来自对癫痫患者的研究。患有癫痫的人可能会经历一种先兆，可以预示癫痫即将发作。癫痫发作大部分都是颞叶癫痫，并且有多种形式。例如，一些人突然有似曾相识的感觉（尽管这也可能是一种正常现象），或有相反的完全不熟悉的感觉。有些人会突然体会到强烈的恐惧，或者感受到令人不快的气味或味道。

　　因为脑本身没有疼痛感受器，所以可以在局部麻醉下对醒着的患者进行脑部手术。美国神经外科医生怀尔德·彭菲尔德（Wilder Penfield）曾使用电极刺激颞叶癫痫患者颞叶的不同部分，促使患者“听”简单的音调甚至音乐形式的声音，或者改变播放的声音的音调给他们听。一个正在接受这一脑部区域刺激的小女孩说，她意识到有东西朝自己走来。当她躺在桌子上，把一根杠铃举过头顶时，她感觉到杠铃在移动，而实际上她正紧紧抓着它；在刺激另一个点时，她说有声音“喊”她去做一些错误的事情，并有一种末日即将来临的感觉。

　　另一些人回忆起以往的事一段一段向前推进，就像一部电影短片，而且可以通过改变刺激来停止或重播这部短片。人从未脱离现实，并且能意识到这些记忆与当下相交织。这是电刺激的结果，而不是自发的回忆。

　　这些实验表明，脑中负责处理来自耳朵的信息的区域——听觉皮质，位于颞叶。就像在运动皮质和感觉皮质中一样，它同样被认为是以地形图的方式进行组织，并通过早期发育过程中接触的各种声音进行塑造的。颞叶对记忆功能似乎也特别重要，最里面的表层是一个特定的结构——海马，负责处理和包装储存在其他区域的记忆。海马高度专门化的神经元既能改变对刺激的反应，也能改变与其他神经的联系。海马受损的人会出现记忆障碍，即顺行性遗忘，这些人不能形成新的记忆，但能回忆遥远的过去，也可以重复学习新的技能。这表明，海马是专门将“情境”编码到特定记忆中的结构。一旦海马出现极度神经退化，就会产生不幸的后果。阿尔茨海默病患者，尤其是颞叶海马受影响的患者，会变得越来越健忘，经常迷路，最终认不出自己的家人。

　　枕叶与视觉信息

　　枕叶是处理来自眼睛的大量信息的主要区域。人类极度依赖视觉，大部分的脑“能量”都倾注到了这种感觉上。

　　顶叶与感觉信息

　　顶叶的主要功能之一是理解来自触觉、听觉、嗅觉和味觉等大量信息，以确保与运动输出相协调。顶叶受损会导致产生一系列有目的性动作的能力完全或部分丧失，如挥手告别、梳理头发或操纵物体的能力。

　　顶叶钝化功能的阐释在很大程度上要归功于神经心理学。顶叶仍然很神秘且不为人所了解，我们对其功能的有限理解来自对相关脑区患有疾病的患者的研究。当代最著名的“名人”神经科学家之一——美国神经病学家奥利弗·萨克斯（Oliver Sacks），在《错把妻子当帽子》（The Man Who Mistook His Wife for a Hat）一书中提到了许多让人感到惊奇的故事。书中提到的这个犯错的男子已经失去了正确辨别事物的能力，不能准确区分客观事物和妻子。还有些故事描述了四肢“异形”的人，他们无法控制自己。虽然并非所有病例都是由顶叶损伤引起的，但有一点很明确，顶叶是感觉信息处理的中心。

　　脑的偏侧化与裂脑人

　　影响人体控制功能的脑神经网络中不寻常的一面是，进出主要脑叶的神经纤维穿过了延髓或脊髓中线，因此，左侧大脑皮质控制右侧的面部和躯体，而右侧大脑皮质控制左侧的面部和躯体。这就是为什么左脑供血血管栓塞的人，右侧面部和躯体会出现虚弱和麻木的症状。

　　左脑与右脑不对等也许并不奇怪，这便是偏侧化。尽管如此，虽然有些人在受伤或手术中失去了一半的脑，但他们在诸多方面仍能正常运行，但前提是损伤发生在生命早期，这样脑的其余部分就能接管受损部分的功能。神经病理学家指出了脑的“支配”和“非支配”的两方面，其中“支配”方面主要来自语言功能的区域。几乎所有右利手的人，都是左脑（控制右侧身体）主导语言功能。令人感到惊讶的是，大多数左利手的人也是由左脑主导语言功能，只有大约20%的人由右脑主导。这一结论在卒中等疾病的治疗中很重要。左脑卒中比右脑卒中更容易影响语言功能。因此，卒中后语言能力的丧失或受损通常与右侧身体虚弱有关。如果左侧身体虚弱（右脑损伤）并伴有语言障碍，那么几乎可以肯定患者是左利手。

　　当考虑手术切除部分脑时，例如患者患有肿瘤或耐药性癫痫，便不难看出确保语言区域不受损伤的重要性。如果婴儿或儿童遭受损伤或接受了涉及这些脑区的手术，那他们的脑似乎有能力“重新连接”自己，并将这些语言神经中枢“移动”到未受损的区域，甚至移到另一侧，以便使相应功能恢复并接近正常发育的水平。这种可塑性的最佳时间似乎在生命的前两年。随着年龄的增长，这种功能会逐渐衰弱。理解大脑可塑性是如何运作的，以及如何利用其特性来治疗卒中、脑损伤或退行性疾病，是现代神经科学的一个梦想。

　　虽然脑的左半球在语言方面通常占主导地位，但非主导的脑半球可能会参与到语言的情感语调、意义鉴赏以及语言反应的构建中。对记忆来说，左颞部损伤往往会导致言语材料的记忆受损，右侧损伤则会损害非言语材料的记忆，如音乐或绘画。有趣的是，成人的这一脑区保持着一定程度的可塑性，远超其他区域，因此在某种程度上，颞叶功能受损，常常由另一侧来承担。

　　事实上，胼胝体的缺失或异常发育可能是先天的。婴儿似乎对这种异常现象有更强的适应能力，尽管可能有学习困难，但他们也可以完全正常地发育。

　　19世纪，法国著名神经病理学家约瑟夫·朱尔·德热里纳（Joseph Jules Dejerine）曾接触过一个著名的病例。有一天，一位受过良好教育的银行家醒来后发现，他已经失去了阅读文字的能力，而他的视觉似乎很正常。德热里纳发现，这位患者虽然不能读出最简单的单词，却可以拼写最复杂的单词。他写得很流利，但无法读出刚写的东西。奇怪的是，如果他能跟着手指来追踪这些字母，一切都会变得清晰起来。虽然不能再读乐谱，但他可以通过听妻子唱歌来学习新乐曲。另外，他阅读数字的能力没有受到影响。检查报告显示，他的胼胝体有损伤，正好“切断”了脑的两个部分；但因为数字处理区域位于颞叶内，在这一区域，左右连接是通过另一种途径——前连合，所以该患者的症状出现了这种不同寻常的模式。

　　边缘系统：让你能嗅到恐惧！

　　靠近颞叶顶端的下面是杏仁核（源于拉丁语amygdala，意思是“杏仁”）。它是边缘系统的一部分，负责脑的情绪反应。“边缘”一词来源于拉丁语limbus，这反映了法国外科医生布洛卡最初对环绕脑半球内部区域的观察结果。杏仁核是基本感觉的中心，接收来自大脑皮质视觉、听觉和感觉信息的输入，并与额叶进一步连接。因此，它在调控诸如友谊、恋爱、愤怒和侵略等主要情绪方面，起着至关重要的作用。杏仁核的输出信息进入自主神经系统，通过肾上腺素等化学物质，促使身体进入警觉状态。只要破坏杏仁核基本上就能驯服动物，它们会变得无性别歧视、缺乏感情、对危险无动于衷，而用电刺激作用于这些区域则会引发暴力侵略行为。杏仁核严重受损会使人类无法将情感和感知信息联系起来。例如，当看到一个熟悉的人时，他们知道这个人是谁，但不能决定要不要喜欢这个人。

　　海马是存储记忆的部位，包括伴随的情绪加工。人们可以了解海马如何将当前危机与过去的经验相比较，从而形成最佳反应。因此，海马是边缘系统不可分割的一部分，它能将情景记忆与杏仁核及其他边缘结构的信息结合在一起。

　　边缘系统的另一个组成部分是脑中负责处理嗅觉信息的部分，即颞叶中的初级嗅觉皮质。嗅球与觉察气味的神经有一定的距离，它位于额叶的底部。两者之间是一条非常原始的路径——内嗅皮质，它在人类的身体构造中是相当退化的，仅由4层组成，却以脑半球中6层复杂的新大脑皮质的进化发展为代价。刺猬有敏锐的嗅觉，其脑的主要部分就是内嗅皮质。

　　气味和记忆之间联系的速度和强度可以得以利用，这就是为什么人们会在特别节日前使用新香水或者须后水。因为将来再闻到同样的气味时，快乐的记忆会被强化并触发。通常，这些记忆远比照片上的记忆生动得多。一些颞叶癫痫患者在癫痫发作前，会闻到难闻的气味，这也证实了颞叶与处理这种感觉密切相关。

　　丘脑与收集信息

　　尽管与多刺的食虫生物相比，我们的鼻子没它们那么灵敏，但是我们都认识到，气味与强烈的记忆是有关联的。在通往6层大脑皮质的路上，所有的感觉信息首先要经过位于中央的一个“转送”和处理结构——丘脑，然后从丘脑直接到达脑的各个皮质区。丘脑位于脑的中心，它的一半位于另一个脑半球，充当感觉的转送站，接收几乎所有到达脑的信号，并将其发送到正确的目的地。由于其主导地位，它在过去被认为是意识的所在。丘脑损伤，如卒中，可导致严重的疼痛综合征，对疾病治疗非常不利。然而，气味的传播速度要快得多，它绕过丘脑直接进入边缘系统。

　　下丘脑与激素

　　下丘脑是边缘系统的另一个重要组成部分，隐藏在脑中央的深处。从进化的角度来看，下丘脑是一个非常古老的结构，它有几种重要功能，包括调节体温，控制食物和水的摄入量，调整性行为模式、恐惧和愤怒、奖赏和惩罚、睡眠-觉醒周期。它与边缘系统的其他部分以及脑干的网状结构都有联系，并且接收来自全身的激素信号。垂体位于下丘脑下部。下丘脑通过释放抑制信号和刺激信号，促使垂体释放几种“化学信使”，包括性激素、生长激素、甲状腺刺激激素、类固醇释放激素、催乳素及抗利尿激素等。

　　基底神经节：使运动正常进行的润滑剂

　　在脑的深处，朝向基部，有一系列灰质结构——基底神经节，主要由尾状核、壳核和苍白球组成。基底神经节对于运动功能起着关键的作用，且范围很广。参与这一作用的主要神经递质是多巴胺，它产生于脑中的黑质（黑色物质）。1817年，英国医生詹姆斯·帕金森（James Parkinson）首次描述了这部分脑部结构的神经退行性变化，即帕金森病。帕金森病患者的临床特征是动作缓慢，通常表现为开始某一动作十分困难；肌肉正常而平稳的收缩和放松功能会消失，继而出现全身僵硬；肌肉运动控制失衡则会导致震颤。给患者服用左旋多巴可以治疗帕金森病。左旋多巴可以进入脑，在此转化为多巴胺，从而提高该神经递质在脑中的水平，进而促进运动功能恢复。还有更激进的治疗方法，包括通过外科手术损毁或刺激基底神经节的一小部分，以恢复该神经系统的平衡。

　　小脑：保持平衡与协调的关键

　　小脑的意思是“小的脑”。希腊医生埃拉西斯特拉图斯曾得出结论，小脑是灵魂的所在。他认识到我们现在所知的小脑在协调精细动作方面的基本作用。哺乳动物的运动系统越来越复杂，特别是在遇到危险时，为了保持平衡并快速移动，需要协调越来越精确的运动，如眼睛、手和手指的运动。这些日益增长的需求促进了小脑的进化，而且小脑的体积也在扩大。这在其结构上表现得很明显，中心部分最古老、最原始，每个脑叶的外部都与人类独有的功能有关。小脑与大脑皮质的运动区域以及内耳的平衡中枢（前庭系统）也有很强的神经联系（输入和输出）。

　　小脑有两个脑叶，但与大脑运动皮质相反，小脑的脑叶控制身体同侧的运动：左侧小脑协调左脸和左侧躯体，右侧小脑协调右脸和右侧躯体。小脑出错会导致运动协调受损或共济失调。最常见的小脑暂时性共济失调通常是由酒精造成的，大家对这种共济失调的结果都很熟悉：步履蹒跚，手势笨拙，说话含糊不清，眼睛“骨碌”转（实际是抽搐的动作）。共济失调也可以作为脑部疾病的一部分而发生，例如多发性硬化，神经检查显