第3章 从神经元到神经网络

电影《入侵脑细胞》

《入侵脑细胞》是一部集惊悚、科幻、刑侦、心理于一身的电影。儿童临床医学家凯瑟琳·迪恩供职于一家研究大脑的医疗研究机构，她的任务是通过高技术手段进入幼年精神病患者的梦境中，治愈他们心灵的创伤。与此同时，当地发生了连环凶杀案，警方抓获了犯罪嫌疑人卡尔·斯塔格，却无法救出被他囚禁的女孩。于是，警方联系了凯瑟琳，希望她入侵卡尔的大脑，找到受害者所在的位置。

如何入侵对方的大脑？影片中语焉不详，大意是说：让两个大脑的神经元发生同步兴奋——如果是A潜入B，就把A的神经元兴奋转移给B的神经元，如果是B潜入A，就把B的神经元兴奋转移给A的神经元。乍一听似乎不错，但是神经元这么多，如何找到“对应”的那一个呢？A的信号传给B了，就该按B的法则运行，如何再反馈给A，形成两个相互独立又彼此交流的思维系统呢？

我们且不去刨根究底，总之，影片中的凯瑟琳成功入侵了卡尔的大脑。在那里，她目睹了卡尔饱受虐待的童年，成年后的卡尔的脑中住着一个恶魔般凶悍残忍的自己，也住着弱小无助的童年时代的自己。为了保护弱小无助的卡尔，凯瑟琳杀死了恶魔般的卡尔。梦幻中的场景精美华丽，诡异血腥，神经比较脆弱的读者还是不要目睹为好，可以改看Discovery频道的科教纪录片《大脑演化》。

遗憾的是，关于“脑”的商业电影，极少是精彩又温和的。古希腊医学之父希波克拉底是第一位正式描述脑的作用的人，他在专门讨论脑部疾病的《论神奇的疾病》一文中写道：“人们应该认识到所有的快乐、愉悦、欢笑、运动，还有悲伤、忧愁、沮丧和哀伤都来自大脑，而不是来自其他东西。脑以某种特殊的方式使我们有了智慧和知识，能看会听，并且懂得什么是邪恶，什么是公平……也是因为有了脑，我们才会发疯和精神错乱，害怕和恐惧才会折磨我们。当脑不健康的时候，我们就会因此受累，根据上面所讲的一切，我认为脑对人有最大的影响。”

脑科学的研究直到近代才正式开始。19世纪初，奥地利医生弗朗兹·约瑟夫·加尔倡导的“颅相学”红极一时，他通过观察尸体的颅骨突起，认为该颅骨下的脑区相对发达，并对应某种性格特征。例如，加尔认为额骨突起的人生性贪婪，容易成为扒手；颞骨突起的人有暴力倾向；后脑勺突起的人比较多情——然而事实并非如此。这种简单、粗糙、充满主观色彩的观察并不能揭开大脑之谜，却引发了人们对于大脑是否具有功能分区的热议。

1861年，法国神经解剖学家布罗卡接诊了一位特殊的病人。这位病人在21年前中风，从此不能讲完整的句子。布罗卡对其进行了检查，6天之后，病人去世了，隔天进行了尸检，发现大脑左半球的第三个前额沟回有损伤。这个部位后被命名为布罗卡区，即运动性语言中枢。布罗卡的发现让人们认识到大脑确实存在功能定位，并且可以通过病情分析与尸体脑解剖的方法来加以论证。

1872年，意大利医生卡米洛·高尔基发明了硝酸银染色，通过光学显微镜第一次看见了脑细胞的外形——脑细胞和普通细胞大不一样，它们的形状很不规则，从细胞体向外发出很多分支（突起），这些分支彼此缠结在一起，好像一张巨大的网络。与高尔基同时代的西班牙解剖学家卡哈尔对神经元（脑细胞和外周神经细胞）进行了大量观察，并且用他的生花妙笔活灵活现地画了出来。卡哈尔认为每个神经元是独立的个体，一个神经元和另一个神经元的分支相互接近，却并不相通。这和卡米洛·高尔基认为神经元之间胞质相通的观点大相径庭。两人分获1906年的诺贝尔生理学奖，在颁奖典礼上依然争论不休。后来，扫描电镜的照片证明卡哈尔是正确的。

人们对于脑的认识深入到神经元（细胞）的层面，随后又发现了神经元之间传递信息的各种神经递质，并且记录到神经元兴奋时发放的动作电位。令人迷惑的是，神经元就其个体而言，功能是如此简单，就是“受刺激—放电”，就其整体而言，功能却是如此复杂，复杂到不可思议的地步。

如果我们研究肌细胞，我们了解其结构和功能，就知道肌肉是如何收缩的。如果我们研究血液中的红细胞，我们了解其结构和生理特性，就知道它是如何运输氧气的。这些都是顺理成章的事。可是，我们研究神经细胞，即便对单个细胞了解得再清楚，也不知道认知、思维、情感、意识是怎么形成的，它们固然和单个神经细胞的功能有关，却远非其功能的简单叠加。

人脑有140亿个神经元（一说1000亿个），每个神经元可以与其他神经元形成10⁵个突触，整个脑可以形成10¹⁵个突触，比银河系中的星辰还多。这些突触，就是一个个的信息通道，纵横交错如蛛网、如迷宫，我们如何潜入这浩瀚的迷宫，揭开脑中的奥秘呢？

一种流行的观点是：人类不可能把自己的大脑研究清楚，就像不可能拽着自己的头发脱离地球。用人脑来研究人脑，就好像用同样硬度的矛，刺穿同样硬度的盾，再说也没有那么多人脑可供研究，只能用动物的脑代替，动物的智力和人类相差甚远，这也是一个极大的限制。另一种观点是：脑科学已经取得了长足的进步，并且得到世界各国科学家的热切关注，成为生命科学中最热门的领域之一。集中这么多优秀科学家的智慧，大脑这个最后的堡垒总有被攻破的一天。

新的技术正日新月异地发展，使脑科学的研究越来越精确、多元。例如，计算机辅助技术可以重构神经系统的三维图像，从而绘制出神经网络的立体图谱。光遗传技术可对神经回路中神经元的兴奋与否进行精确的操控，从而在神经回路的水平解释脑的功能。脑成像技术在宏观水平对不同脑区的兴奋进行实时监测，并与行为相互联系。种种迹象表明，科学家曾经把对脑的研究分解到神经元，现在则要在神经元的基础上构建庞大的神经网络，通过数学和物理的方法解答生物之谜。

早在20世纪末，就出现了模拟人脑的超级计算机，只是其智能与人脑相差甚远。2005年，瑞士联邦理工学院的神经科学家亨瑞·马克拉姆主持了一项被称为“蓝脑计划”的项目，其目标就是用计算机模仿出人脑的思维过程。马克拉姆声称，2018年之前，一台能够说话、拥有人类的智力水平和相似的行为方式的电脑就会诞生。而在大洋彼岸，美国IBM公司2012年宣布，已经用世界上运算速度最快的96台计算机，制造出了模拟5300亿个神经元和100万亿个突触的“人造大脑”。随着脑科学、计算机科学、纳米技术的新成果逐步汇入超级计算机，我们离“破译人脑”的终点站将越来越近。

真的可以做到吗？

人脑的秘密一旦被彻底揭开，世界将发生怎样天翻地覆的变化？

我们拭目以待。