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人脑之谜——专访复旦大学脑科学家杨雄里院士

2014-04-08
人脑之谜
人脑之谜 ——专访复旦大学脑科学家杨雄里院士
来源:三联生活周刊(2014年2月第7期) 主笔 魏一平 记者 阿润

杨雄里

  三联生活周刊:人脑是心智的器官,那么它最本质的特征是什么?或者说,人脑与其他动物大脑的最根本区别在哪里?

  杨雄里:虽然动物也有情绪,也有智力,但如果说人和动物最根本的差别,在我看来,在于人类有语言、有句法,如果没有语言,没有句法,人类的智力大概和猩猩的智力相差无几。从这个意义上来讲,语言和句法,以及对今后事物发展的前瞻,这是动物,哪怕是很高等的灵长类动物,所不具备的。动物也可以尝试某一种做法,也会寻求某一种方法来解决问题,这样一种智力,动物也是有的。猴子、猩猩,它们有很多的做法都证明了它们是有智力的。原来有一个观点认为只有人类能使用工具,猩猩是不行的,猿猴是不行的。现在看来这个观点值得商榷,猩猩在某些情况下也懂得使用工具,比如它够不着一个东西的时候就会找一个东西垫在下面再去够,不能说它完全不能使用工具。有人训练猩猩语言,它能掌握几百个单词,但是它在语言运用方面所达到的水平不超过三四岁的孩子,再训练也没有用,这是由脑部的结构所决定的。

  三联生活周刊:猩猩之间也可以用语言来相互交流吧?

  杨雄里:那只是初步的,从人类语言的角度来讲,那只是一些简单的情感交流,处于非常原始的水平。并不是说它们没有语言,从广义来讲,蜜蜂都有“语言”,舞蹈是它们之间的一种交流方式。高等的动物,比如猩猩,它们的语言所表达的内涵比低等的动物要高得多,但是和人类来比,还是非常原始的。

  三联生活周刊:你刚才讲到,猩猩的语言运用只能达到三四岁小孩的水平,这是由大脑的结构来决定的,那到底人脑中的哪一部分来执行我们的语言和句法功能?

  杨雄里:科学家们在这个问题上有争论。有一种观点认为,参与语言的区域涉及大脑的许多区域,不只是我们熟悉的布鲁卡区、威尔尼克区等这些和语言直接有关的区域。有一组典型的磁共振成像图显示,如果看一个图像,是大脑的某一个区域枕叶在活动,但是我如果要去思考说什么话、怎么讲,就是大脑很多区域共同活动的结果。可以说,人类的语言并不绝对地取决于人脑某一个区域的活动。但是你要思考,要涉及的大脑区域就相当广泛,占了整个大脑的60%~70%。比如我现在回答你的问题,如果用磁共振成像的方式检测我的大脑,那大概有百分之六七十的区域都在活动。

  第二种观点认为,很可能在我们人类大脑中存在一些特定的和语言有关的区域,但到底是哪块区域,并不清楚。这两种观点,从某种意义上讲,可以统一起来,那就是,表述自己的思想,有相当多的大脑区域在活动,在这中间会有一些区域起关键作用。

  三联生活周刊:大脑的一般工作原理是什么?不同的区域分工负责不同的功能现在能确定吗?

  杨雄里:脑是人的中枢司令部。这里的“脑”(Brain)一词,可以有三层含义:广义上是指人的整个神经系统,包括分布在脊髓及全身各处的神经;中间层次上是指颅骨以内的部分,包括我们通常所说的大脑、小脑和脑干;而狭义上就是指大脑皮层。现在的研究表明,在大脑皮层上分布着150亿~330亿个神经元,而整个神经系统则包括上千亿神经元细胞。它们通过众多特殊的连接点组成一个复杂网络,我们把那些连接点叫突触。突触的总数,大概又相当于神经元细胞的1000倍。大脑的工作原理,简而言之就是信息在这些突触之间的传递。比如,人体某一部位受到刺激后,感觉器官产生兴奋,信号通过神经系统传到大脑皮层,相关区域做出处理后再做出反应。这里的信号,其实是一种电信号,是一种生物电活动。

  现在的研究基本确定大脑的不同区域实施着不同的功能。比如我们把大脑皮层分为四个不同的区域:额叶主管情绪、解决问题等高级认知功能;顶叶主管温度、疼痛等初级感觉功能;枕叶包含视觉中枢等;颞叶则主管听觉、嗅觉以及记忆等。另外,小脑主管运动和平衡,延脑是生命中枢,控制呼吸、心跳。但需要强调的是,这些对应只是一种很粗略的分类,每个脑区(脑叶)又分为数十个小区,比如视觉区就细分为几十个,从初级视觉到复杂的深度视觉。大脑的一些高级复杂功能往往要涉及很多区域一起工作,对于这些,我们的认识还很肤浅。

  三联生活周刊:这么说,大脑的功能也会有等级之分。通常怎样来划分这种等级?哪些是高级功能,哪些是初级功能?

  杨雄里:感觉功能在大脑的功能里是比较初级的,甚至学习和记忆都是大脑高级功能中比较基本的功能,广义上讲,很低等的动物都有学习和记忆的功能。感觉更不用讲了,视觉、听觉、嗅觉、触觉,很低等的动物都具有这些功能,我们把它们叫作脑的基本功能。除此之外,有一些功能在低级动物中是不存在的,比如情绪、思维、意识。有一种观点认为意识可能是人类大脑最根本的奥秘,对意识的讨论很多,你可以想一想,什么叫意识,定义都很困难,一个人醒着是不是就是意识?尽管我们经常说我们意识到什么,其实这是说我们了解到什么,“意识”这个词的科学含义其实是非常复杂的。

  因此,情绪、思维、意识是属于脑的高级复杂功能,更广泛一点包括我们的推理能力、归纳能力、预测能力,我们日常生活、处理工作时决策的能力,都是脑的高级功能。如果说我们对于脑的基本功能已经有相当的了解的话,我们对于脑的高级功能的了解只是刚刚开始,还有漫长的路要走,现在所看到的只是冰山一角。对这样一些问题的了解需要新的技术,如磁共振技术、磁刺激技术、脑电技术等等,还要有新的观点、新的思路。我举一个例子,比如我们做梦,今天做这个梦,明天在同样的条件下,做同样的梦几乎不可能,这给研究带来了很多困难。到现在为止,我们只能通过一些客观手段,知道某人在做梦,但是到底做什么梦,除了本人的叙述、梦话,谁都不知道。此外,梦是变幻不定的,和现实是脱离的。这些精神活动有其自身的运行规律,我们对这些规律的了解,才刚刚开始。

  三联生活周刊:如何从大脑结构上来解释这种复杂性?比如情绪、梦境、意识。

  杨雄里:从原则上来讲,我们大脑高级复杂功能的基础就是神经元活动,就是神经元通过突触组成神经回路或者神经网络的活动,不同神经网络之间相互作用。当然,也有提出异议者,比如1963年获诺贝尔奖的神经生理学家约翰·艾克尔斯并不认为精神活动的基础是神经活动,但是大部分神经科学家,包括我本人在内,都坚信我们精神活动的基础是神经细胞活动。这一活动最后升华成为思维、推理等等过程。

  到底是怎样升华的,科学家们提出了很多假设,但由于精神活动的特点,使得我们的研究还停留在一个很初步的阶段。我们只能泛泛地讲神经细胞的活动、神经网络的活动、神经网络的相互作用,最后产生了大脑的高级功能,但是到底怎么产生的,它的机理是什么,我们还不清楚。细胞层面的东西我们了解,整体上脑的活动我们也有所了解,但是这两者之间存在巨大的鸿沟。这也就是为什么美国提出脑计划的原因。奥巴马去年在国情咨文里提出一个关于脑的研究计划,重点就是发展一些新的技术来消弭整体宏观描述和细胞分子层次之间的鸿沟。

  三联生活周刊:在这些功能里面,记忆力在我们人脑中占据什么样的位置?为什么有些人会具有超越常人的记忆力?

  杨雄里:记忆属于大脑高级功能中的基础功能,动物也会有记忆。它的作用很重要,是许多能力的基础。

  医学上有一种低智特才综合征,如江苏卫视“最强大脑”节目里的周玮,他们可能有一定的智力缺陷,但往往在记忆、计算、音乐、绘画等方面有超越常人的特殊才能。美国有一位有名的低智特才综合征患者叫作基姆·皮克,也是电影《雨人》中主人公的原型,据说他能够背诵9000本书,这是常人做不到的,他还能用两个眼睛同时分别看两本书。人在某一方面有一些特殊才能并不奇怪,而有些人智力正常,但是在某些方面有明显的缺陷也不奇怪。以我自己做例子,我的智力不算低,但是我的空间记忆能力就特别差,不认路,我去华东师大开会,至少走过十几回,每次都走错。上海科技馆我开车去过二十几回,但是到了某一个岔路口我就是认不准,我的空间记忆能力就是不如常人。

  在一定程度上,某些人有超常记忆是先天脑结构方面的原因,如我刚讲的基姆·皮克,有科学家给他做了大脑磁共振成像,发现他大脑中连接左半球和右半球的胼胝体并不存在。胼胝体是一类神经纤维,把大脑左半球和右半球连起来,一般人大脑分成左半球和右半球,两者之间不是相互独立的,有千丝万缕的联系。而基姆·皮克的左脑和右脑浑然一体,是异乎常人的。但问题是,到底是不是因为这种结构的异常造成了他超乎常人的记忆力,我们无法确定,只能说有这种可能。还有一种人是后天训练的结果。

  三联生活周刊:决定记忆力高低的因素里,先天成分(比如大脑结构)更大,还是后天训练的成分更大?

  杨雄里:这要看具体情况。记忆分各种各样的类型,比如情景记忆,你学会游泳了,你知道哪个动作在前哪个动作在后,你多少年不游泳了,跳下水去照样会游,你会骑自行车了,之后一辈子都不会忘记。至于工作记忆,为了完成下一个目的而进行的记忆,有时记得快忘得也快。至于那些超常的记忆,我个人倾向于认为先天的成分多一些,常人通过训练很难达到,比如我刚才讲的基姆·皮克能背下来9000本书,这显而易见是由先天的大脑结构来决定的。这样的人毕竟少之又少,对于绝大多数常人来讲,后天的训练更重要。但问题是,我们很难区别哪些是先天的因素,哪些是后天训练的结果。即便我们发现一些记忆力超常的人在脑结构方面有特殊之处,但以我们现在的科研水平,以我们对大脑记忆功能的研究,还是不能在这种特殊之处与超常能力之间建立因果关系,只能说它们之间可能存在一定相关性。

  三联生活周刊:现在市场上有很多记忆力培训学校,会教一些高速记忆的方法,你觉得这样的记忆训练意义何在?

  杨雄里:记忆是有规律的,通过掌握一些记忆的规律有助于提高我们的记忆力,但能提高到什么程度,因人而异。把这些规律上升到理论,按照这些规律去学习训练,我想会有助于我们记忆力的提高。不过我想强调一点,记忆的高下并不意味着智力的高下,智力不只是对已经存在的东西的了解,不只是记住,当然记住某些东西是创造新东西的基础,但是不能取代新的创造。

  瑞士著名认知心理学家皮亚杰说过一段话,他说:“智力,是你在不知道该怎么办的时候所动用的东西。”这话说得很生动,也很有道理。知道怎么做的时候,很难检验你的智力有多高,不知道怎么做的时候,动用你的智力才能知道该怎么做。记忆力很重要,记住东西也很重要,但记忆力的高下并不代表智力的高下,不能等同。

  三联生活周刊:大脑的这种可塑性,在神经科学上如何解释?随着年龄的增长,我们的大脑会衰退或老化吗?

  杨雄里:大脑的可塑性,一般有两种情况:一种是指功能上的可塑,神经系统的结构不变,但突触连接可以增强或减弱。研究表明,学习,即表现为神经系统中突触之间信号传递的强度增强,由突触连接在一起的神经网络传递信号变得更快了。另一种是指结构上的可塑,大脑在某种刺激之下,不仅功能发生了变化,神经结构也发生了变化。我们注意到盲人的听觉和触觉格外灵敏,那是因为原来管视觉的大脑区域出问题后,管听觉和触觉的大脑区域组织结构也发生了变化,功能变得比一般人强大。当然,讲大脑具备可塑性,通常是指前者,结构上的可塑毕竟是极端案例。

  大脑的衰老和退化是不可避免的,随着年龄的增长,树突数变少,信号传递的效率降低,都是正常的。有研究估算,在人的后半生中,每10年时间,主管记忆的海马体就会丧失5%的神经元,但并不是所有的神经元数目减少都具有破坏性。有的研究还表明,大脑皮层某些区域的树突在70岁之前还会增长,只有在80岁之后才会出现衰减。但是不是这就意味着“越老越糊涂”呢?也不尽然,还是因人而异。人的智力,除了脑功能以外,还有很重要的一个影响因素,那就是经验。年纪越大,脑功能可能会出现一定的衰减,但人生经验却越来越丰富,最终智力表现是这两者的综合结果。

  三联生活周刊:现在比较流行的一个说法是“不能让孩子输在起跑线上”,怎么从脑科学的角度来看这个问题?孩子的智力开发真的是越早越好吗?

  杨雄里:如果从培养孩子的好奇心、求知欲、兴趣、坚强的品格等等来看,可能从小开始会比较好,这为以后的性格养成创造条件,但并不是说学习就一定越早越好。从脑科学的角度看,大脑中的确有些功能的发育是有关键期,以语言为例,一般认为语言功能的发育主要在5至8岁之间,这期间学习语言最快,也不容易忘。我们经常拿基辛格来举例子。基辛格跟随家人移民美国的时候已经15岁,因此他一辈子说英语都带有很浓重的德国口音,而当时他弟弟小得多,就没有德国口音。还有新闻上说的“狼孩”,就是因为在语言学习的关键期离开了社会环境,此后再回到人类社会也很难学了。

  我想强调的是,在科学上还没有确凿的证据表明脑的开发就一定越早越好,早,早到什么时候?因为我们对大脑的发育规律尚没有清晰的认识,我个人的观点是,我们精力有限,要学的很多,凡事都要讲究一个平衡。有关孩子的智力发育问题,我的理解还是顺其自然的好。我们不应该单纯强调记忆、算术等这些基础的学习认知能力,更重要的还是人的创造性。尤其现在是互联网时代,有些单纯的信息记忆可以通过网络来查找,人的记忆总是有限的。重要的是对信息的整合、加工、理解,以及融会贯通之后的再创造。现在我们对大脑创造性功能的基础原理还所知甚少。

  从这个意义上讲,我不赞成所谓的“最强大脑”这个提法。你在音乐方面特别有才华,他在数学方面特别有才华,怎么比才算最强呢?比如说算术,周玮可以计算多少位的,另一个人如果比他计算的位数多,就可以说这个人的大脑更强吗?只能说在计算能力上有差距,不能说大脑就更强。这并不科学,只是很通俗的说法。当然,作为一档电视娱乐节目,这么说可以,夸张一点就夸张一点,但如果回到科学的本源上来,我们不能从这样一个角度来讨论问题。让周玮和别人比心算,是一种娱乐,这样的比较并不存在严格的科学意义。公众也许喜欢这样的节目,但我们是否需要建立这样的认识,即,智力不能以这样一种形式进行竞赛和比较。

  (复旦大学脑科学研究院翁史钧副教授对相关问题做了补充回答,特此感谢!)





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