大脑开发指南

难易程度 ★★

不管是说医学，还是神经科学这个更专业一点的医学科学领域，无论临床、药物研发还是科研，我们都是在围绕两个基本学科——解剖学和生理学。首先，你知道解剖学和生理学到底是什么吗？

解剖学（Anatomy）——关于身体部位的结构和它们之间的关系的学科（The study of the structure and relationships between body parts）。

生理学（Physiology）——这些身体部位是如何一起工作并让身体正常运转的学科（The science of how those parts come together to function, and keep that body alive）。

换句话说，若×指身上的某器官，解剖学就是关于你的×是什么、长什么样、搁在哪儿的，而生理学是关于×是做什么的、怎么做的学科。

你为什么活着？你是怎么活着的？当你生病时，为什么会感到“不舒服”？身体又是如何从疾病或手术之后恢复的？死亡、做爱（做爱做的事儿）、吃饭、睡觉……不管你是否有意识地去观察思考，还是完全不想去想，反正身体的各个器官都照样按部就班地工作。当然，只会比你想象中的复杂，也比你想象中的更奇妙。

学习解剖学，对于医生必然重要：要是医生都不知道正常的心脏长什么样、长哪儿，还谈什么诊断和治疗？但为什么研究医学科学的人也要学呢？直接研究它们的作用和机理不就够了吗？最主要的一个原因是：一个细胞或器官或整个身体的形态总是反映出它的功能。换句话说是Function follows form（即形态决定功能。很巧的是，建筑学里也有句非常像的但却恰好相反的话，叫Form follows function）。这一点在你身体里到处都能看到：你的心脏中血液走的是“单行道”，确保了血液在心脏里“交通顺畅”，而这全靠心脏里的瓣膜独特的设计阻止了血液倒流；骨头非常坚硬，因为这样才能保护和支撑起你身体的其他软软的肉肉和皮皮。

总而言之，无论从整体或是单个器官，还是组织以及一个小小孤单的细胞，都围绕一个主题——结构和功能的互补（the complementarity of structure and function）。这一点如同一条基本规则：在我们的身体里，从大（如整个人体）到小（如细胞）都是有效的。

细胞（cell）是生物体结构和功能的基本单位，也被称为生命的积木。你的身体中最小的细胞是红细胞（red blood cell），就是在血管里横冲直撞跑来跑去的那个圆圆的、中间凹进去的细胞。长得很可爱，以至于我每次看到它都会脑补成柿饼。话说每次上高速公路时我都无法控制地认为自己是一个红细胞，而公路就是血管。看到撞坏了的车还上路，我都会觉得，哎呀，会不会贫血了呢？红细胞有多小呢？最宽的地方也只有5微米（µm）。而最长的细胞是一个从你的大脚趾沿着腿一直到你尾椎骨的运动神经细胞，大概有1米长（不过关于这个说法嘛，若求准确请看最短和最长的神经细胞）。

冷知识：人的身体里最小的细胞是红细胞，最长的则是神经细胞。

细胞与细胞组织起来就形成了“组织”（tissue），如肌肉。当多种不同的组织联合在一起有了某种特别的功能，就会形成“器官”。譬如说，心、肝、肾、肺、皮肤（是的，皮肤是器官哦）等，当然还有大脑啦。多个器官又联合起来形成“系统”（system），譬如说消化系统由口、胃、肝、肠等器官一起形成。这个系统能够在一夜之间，把草莓蛋糕变成臭烘烘的“米田共”（糞，即粪），并把有用的营养提取走，变成“货币”给其他器官使用。这个系统想必你已经非常熟悉了吧，相信没人会在早上大便后抱着马桶大哭：“香蕉君啊，一夜之间你怎么成这幅模样了！时间把你怎么了？！”然而，各个系统又共同，不分你我他她，从形式到功能都复杂且有序地在一起形成一个完整的个体，而这个个体就是你。

所有的所有，无论是在细胞的层面，还是器官、组织的层面，所有单位都只有一个目标，那就是，体内平衡（homeostasis，或说稳态）。用人话说就是，当面对生存环境的变化时，器官与器官之间经调整和监管保持平衡状态，以保持内部不变的状态，使整个身体正常运作。

体内平衡这个词，简直就如同“生命的主题”一般。可以说，活着，就是为了保持平衡——保持资源和能量的平衡。也是因平衡而活着。平衡体温、平衡血压、平衡血糖……是不是太夸张了？完全没有。死亡是什么？对于学习文学、哲学、或是××学，你会有各类的答案。对医学生来说，只有一个答案，死亡就是完全地、无法逆转地失去体内平衡（extreme and irreversable loss ofhomeostasis）。器官衰竭、体温过低、极度饥饿、过度脱水……最后都导致平衡被打破。

举个例子，下一刻，你的胳膊突然掉下来了（背景音：啊啊啊啊啊啊——），血奔涌而出（啊啊啊啊啊啊啊——），然后你光顾着喊，什么也不做，过一会儿就Bye bye了。但为什么掉个胳膊就会死翘翘呢？简单地说是失血过多。那为什么失血过多会死呢，好孩子，就是要这么问，因为失血过多会使血压“嗖嗖嗖”地降低，血压低后就会导致氧气在全身中的供给减少，啊，我的意思是缺氧。（啊啊啊啊啊啊啊——）缺氧了，脑袋就不转了……脑子不转了本来也没啥（啊——），但脑子是保持体内平衡的最重要大Boss，它一倒下，其他器官来不及反应就越变越糟，血继续流啊流，器官一个两个慢慢坏掉……然后你也静音了（……）。

总而言之，关于医学的任何问题，或者关于健康的任何问题，无论是身（Physical）还是心（Mental）上的，都是围绕着这个平衡。

我个人认为，无论是否学过医学，当你对某个生理现象产生疑问时，尝试围绕这个平衡问题去观察和寻找，总能找到蛛丝马迹。当然，完全理解一个生理现象，一定是需要全面的医学知识的，因为学习绝无捷径。

大学毕业时，我们在毕业典礼上开玩笑，寒窗苦读几年，学的全是假想和猜测，说不定没过几年，发现我们学的都是错的。不错，在我眼里，我们在神经科学里就是类似于“盲人摸象”。那为什么还要学呢？这本小书也面临同样一个问题：既然我这里写的可能现在是有理有据，但没过多久就可能被证明是错的，或者我本身就写错了，那你为什么还要看呢？

我认为对于这两个问题，答案是一样的：

虽然真相只有一个，了解它的路径却有多条，但时间是条单行道，我们只有带着错误和问题不断前进，不断前进。

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难易程度 ★★

“你学什么专业的？”“神经科学。”“喔——好厉害！”

这人心中多半在嘀咕：“神经科学是什么鬼？研究神经病的？开颅的？”。稍微了解一点的，可能会问，是心理学吗？是哲学吗？

通俗一点说，神经科学（Neuroscience）是一门研究大脑功能的科学，是个跨专业范畴很广的生物医学领域。

在临床方面，比较令人熟知的研究话题有，帕金森病、阿尔茨海默病、渐冻症、精神分裂症，或是更加稀有、更少见的神经疾病如失语症；也有更加基础的以“大脑功能是如何运转、为什么这么运转”为中心的理论性研究，譬如说：为什么睡觉时会做梦？你怎么知道我看到的花儿和你看到的是一样红？为什么听到一些音乐、闻到一些气味，会让我们产生很复杂的情绪？基本上，这群神经科学家最喜欢干的事儿，就是让一切文艺和浪漫的事儿，变得不文艺不浪漫。

换句话说，前者全力想解决大脑功能出岔子后“怎么办”，后者想回答正常大脑“为什么”会这样做。

这么说，临床研究岂不是比基础研究更为重要？这一点估计很多人都有自己的想法，但我觉得完全相反。治疗疾病好比是修一个仪器，只有先知道了正常的仪器是怎么样的，你才知道哪里出了问题，才知道该怎么修、如何修才能减少对仪器的伤害。虽然很多人都觉得基础科学很深奥很酷炫，但很可惜的是，大多数人并不理解它的重要性。我们的研究绝对不仅仅是为了满足好奇心而已（虽然对大多数的科学家来说，这个原因就足够了）。

那到底什么是“神经”呢？

神经系统相当于整个身体的联络和控制系统，它收集感知信息（对外和对内，对外指看到、听到、闻到什么，皮肤的感知等等，对内指身体内的血压、血糖等等的变化）、对收集到的信息实时分析整理，给出决策，并由运动神经再将决定好的反应（譬如说迅速逃跑）执行下去。

神经系统又分为中枢神经和周围神经。而负责思考、学习、记忆、情感等认知功能的大脑，仅仅只是中枢神经的一个部分。中枢神经是指脑（包括大脑、小脑、脑干）和脊髓，而周围神经就是除此以外的神经组织。简单地讲，中枢神经就是负责分析信息做决策的中央政府，而周围神经就是分布在各地收集信息、并且执行中央政府下达的指令的地方单位。整个神经系统在成人体重中仅占3%，但它毫无疑问是人体中最复杂，也是我们现在了解得最为有限的系统。

既然神经系统是一个联络和控制系统，那它是通过什么来传递信息的呢？答案是电。神经系统最重要的基本单位叫神经细胞。虽然有各种各样的神经细胞，形状也各异，不过它们大致长得很像长了很多条腿的章鱼，然后它们“腿牵着腿”形成一张可以传递信息的网络。当神经系统一头的一个神经细胞被“激活”之后，它的腿里就会形成电流，电流沿着腿传递到牵着的下一个神经细胞的腿里。就这样一个传一个（或多个），电信号就会传递到大脑里，并通过相似的传递机制，完成各式各样的认知功能。神经细胞这条大长腿叫作轴突（axon），为了让电流能够沿着腿传得更快，轴突一般都会被一种叫“髓鞘”的东西裹住。髓鞘的主要功能是电绝缘，就像是在腿上裹上厚厚的口香糖一样，一方面这样相邻的腿就不会相互干扰，而且电流就只能在髓鞘与髓鞘之间跳跃式前进，加速了传递速度，同时髓鞘还起着保护大长腿的作用。废话这么多，就是想说这“轴突”就是神经细胞的命根子，这要是断了的话，真的会很麻烦。

其实，神经细胞只占神经系统的10%，大多数实际上是胶质细胞（glial cells）。胶质细胞是神经细胞的好伴侣，已知功能主要是为其他神经细胞提供支持、营养供给、维持稳定的环境以及绝缘（髓鞘实际上就是一种胶质细胞的小手）。

那么，大脑到底有多大？这一点很多人都没有直观感受。下次家里做小鸡炖蘑菇时你可以去瞅瞅，你的大脑大概和一只光溜溜的小母鸡一样重、差不多大。在英国，超市里卖的鸡都是收拾好的，去毛、去头、去爪、清空内脏，重量大概差不多是1.5千克。当然，每个人的大脑的重量和体积略有差异，但区别并不是太大。

要注意的是，神经科学和心理学是两个不同的学科。心理学是以研究人的行为（为什么我会这么想、这么做）和发展（对同一个事物，小时候这么做，长大后那么做）为主的，简而言之，心理学研究的是“mind”。虽然神经科学也要研究人的行为，但研究的角度是不一样的，神经科学家更关心的是，是什么导致了这个行为，并从基因、细胞、组织、系统、认知各个层面来研究它。

但是这里也必须要强调一点，至少在现阶段，神经科学上的种种发现，并不等同于对心理现象的解释。不能盲目地用神经层面来取代心理层面，这样的举动就像是试图用一个治疗方法来治疗所有的癌症一般。

非常肤浅也不太准确地打一个比方。若有一朵红花，心理学家感兴趣的是人在看这朵红花时的想法和行为，是撕碎它呢，还是将它赠予喜欢的人呢？这样的行为又与花、与此人本身、与社会有什么关系呢？而神经科学家就会逮着你问，你怎么看到这个东西的？眼睛是怎么运作的？大脑又是怎么分析这个图片的？整个过程花了多长时间？用了哪些细胞？你怎么知道是“红色”的呢？又怎么知道它是“花”呢？

来来来，坐下来，不要怕，让我们来看看你大脑里哪些细胞在处理这些信号，再和小白鼠和猴子的大脑做一下比较……欸欸欸，别跑啊……伙计们，快抓住那个实验志愿者！

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难易程度 ★★

流言一：正常人的大脑只开发了10%

在爱因斯坦死后，科学家研究发现，他的大脑有20%被开发，远远超过了正常人被开发的大脑比例（10%）。

不好意思，只要你是个正常人，即使你睁着眼睛，什么都不想，整个大脑仍然都在使用中。如果是做一些稍微复杂的工作，如起身走路、说话，那你的大脑包括小脑、脑干，每一个部位都在运行。

这个流言只要做一个简单的功能性核磁共振成像就不攻自破了。可能有人会问，那很多脑成像实验中说当人做某件事情时，某某大脑区域被激活是怎么回事呢？实际上，你所看到的脑成像图是经过分析之后的结果，通过对比多组实验所得的脑成像扫描，它会发现你在做某一件事情时，某个大脑区域相比其他情况、其他区域更为活跃。

2014年女神斯嘉丽·约翰逊的《超体》（Lucy）上映的时候，我连预告片都没看就激动地花了60元人民币去了电影院。到了那个伪科学家开始讲正常人的大脑只被开发了10%时，我心中就想，“药丸药丸（要完要完）”。整个故事讲的就是女主机缘巧合下大脑被急速开发，一路开外挂，当大脑被开发了28%时，成了万磁王；到了100%时，呃，变成了一个U盘。我爱女神，也很喜欢此电影的各种酷炫的镜头。但是，导演你怎么能用这个20世纪最傻的大脑流言来做科幻电影的梗呢？会误导多少小朋友啊！

流言二：我们只有“看听闻尝触”五种感知

欸欸欸，难道不是吗？实际上，除了这五种，我们还有其他的感知，譬如，由耳朵里的前庭系统负责的平衡感知（equilibrioception）。这个感知时刻负责我们的平衡状态（譬如说是站直了还是弯着腰，还是在倒立），以及运动情况（譬如是静止的，还是突然快速地被撞飞）。当我们在做任何动作，从简单的走路到困难的瑜伽动作，平衡感知能够帮助大脑去精准地调节动作的角度，从而顺利完成这些运动。当平衡感知出现问题的时候，最严重的情况是连走路都会觉得很困难，每走一步都觉得非常眩晕，或是容易摔倒。这些信息都能够帮助大脑了解身边的环境，并掌握自己的身体状况，并能够迅速地对环境的改变（有辆车迅速向你靠近）做出合适的反应（快跑）。

流言三：人类的大脑有1000亿个神经细胞

别说大众了，估计问一些神经科学家，不少人还是会回答是“1000亿”。实际上，2009年，已经有科学家更加精确地计算出，人的大脑有860亿个神经细胞。你说四舍五入就差不多了？140亿个神经细胞可等于一个狒狒的大脑！我们人类的大脑可不是“买一赠一狒狒脑”，这又不是在烫火锅！

流言四：左脑人更严谨，右脑人更有创意

现在已经挡不住“快来测试你到底是左脑人还是右脑人”这类以偏概全的解读了。的确，在很多情况下，大脑的使用情况并非一成不变永远对称的。最经典的例子是，在大脑的语言系统中，负责组织和产生语句的布若卡氏区（Broca's area）在大多数人的大脑中位于左半脑，而负责理解语言（譬如说听到别人说话或阅读）的语言中枢，韦尼克区（Wernicke's area）则位于右半脑。但这是因为大多数人都是右撇子，在左撇子的大脑中，布若卡氏区在右边，韦尼克区在左边。不过，这个被公认的结论也开始受到争论，感兴趣的可以参考第五章的《读心术真的可以实现吗？》。即使如此，不管怎样，到现在也没有任何研究发现，这种偏向对人的性格和创造力有什么影响。所以别再说什么“左脑人”“右脑人”啦。

流言五：随着年龄增长，大脑的所有功能都会因老化而越变越差

Aging is horrible（衰老是可怕的）。因为很多器官都会随着年龄的增长有无法避免的功能性衰退，譬如说耳朵、眼睛等等，很多神经性疾病也与年龄有无法忽视的关系，但这些并不代表随着年龄增长，大脑的所有功能都会变差。

流言六：听西方古典音乐，会让宝宝更聪明

也就是“莫扎特效应”，这在育儿话题中最为火爆。但令人失望的是，这个概念只是大众科普的误读。第二章节的《听觉：听不听得到，就这个旋律》中的《听莫扎特的音乐，小孩更聪明？》将会专门来解析这个问题。

流言七：玩智力游戏能够让你的记忆力和思辨能力提高

常常听到说每天做些智力游戏，会帮助我们避免失忆症或阿尔茨海默病。实际上，至今为止我们并没有找到任何令人信服的证据。至少我们还没有发现我们常玩的这些智力游戏能给我们带来任何长久的认知帮助。

流言八：你的IQ从生下来就不会再改变

不，IQ是会变的——至少在目前的IQ测试检测中，跨度从60年到3～5年的各个大型实验中，都发现了IQ明显改变的证据。

最近由伦敦大学学院（University College London，简称UCL）做的一个实验 ，组织了33名健康的青少年志愿者（12～16岁）。在2004年，科学家检测了这些青少年的智商并用核磁共振扫描了他们的大脑。在不告诉他们还会被测试的情况下，4年后，又联系到这33名受试者，邀请他们再来测试，结果发现33%的志愿者的IQ测试结果都有明显变化，其中有一名在4年之间增长了21分，而另一位减少了18分。这一方面说明了现有的IQ测试有很多不稳定性，另一方面也说明了IQ可能不是一直不变的。

虽然我们现在并不确定是什么在后天影响了IQ，即使有些人可能天生因为大脑与别人的不同，从而得到一些我们所谓的才能。但正常的情况下，正如日本教育家福泽谕吉的名言：“天不造人上人，亦不造人下人。”虽然这句话本意和这里的内容并不相符，但我想说的是，不要盲目地认为人的才智是不能改变的。

流言九：大脑在压力下发挥会更好

Deadline（死线）的确是第一生产力。但实际上外界压力只是让你集中注意力，而集中注意力肯定会让你避免愚蠢的失误，或是被网络信息分散注意力。但实际上，在做任何工作时，本就应该集中注意力。当注意力集中时，压力往往并不会让你更快更准确地解决难题。

流言十：大脑损伤是永久性的

现在的神经科学和临床医学的确不能完全恢复中枢神经的创伤。

但这并不绝对——至少我们已经知道有多个病例，在切除某一块大脑或半边大脑后，神经细胞重新产生了新的连接，使得理论上应该消失的大脑功能重新出现。（不过必须强调的是，这种奇迹往往出现在年龄较小的病患身上。）

我大一时学过一个病例，有个小女孩天生就有严重的癫痫，一生下来医生就说她活不过一岁。结果她吃力地活到三岁，已经能说话和走路了，但由于癫痫过于严重，医生说为了减轻癫痫只能把左脑切掉。这时对一个语言已经发展成熟，且是右撇子的小女孩来说，面对的选择就是：要么因癫痫而死，要么永远不能说话，且很有可能瘫痪，但最后他们还是决定做半脑切除手术。术后十年，有人采访这个已经13岁的小姑娘，她早已完全康复，说话正常，能走能跑能跳，一切OK，只是有点瘸。而且她的梦想是当芭蕾舞演员。

这真是个令人感动的奇迹。大脑精细而脆弱，但有时也有让我们自己意想不到的坚强和神奇。在这本书的最后，我也讨论了关于“换头术”这个一直以来都让人觉得是天方夜谭的计划。

实际上，无论在生活中还是在科研中，有太多关于大脑的流言了。当然，我们现在所知道的也并不一定是正确的。可能只是用一个错误推翻了另一个错误罢了。但科学就是这样，我们所做的无非就是不断地寻找证据，不断怀疑，再不断寻找。

然而，真正需要意识到一个流言是错误的人，往往也最不会因此吸取教训。

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难易程度 ★★★

为了研究大脑的运作机制，仅仅通过观察一个人的行为是远远不够的，我们得将大脑“打开来看看”。慢着慢着，别拿着榔头在你小伙伴的脑袋上比画！（友谊的小船说翻就翻！）

你可以把大脑想成一个封闭的盒子，你给它一颗糖，它能给你唱首歌、念首诗，也可能从你身边逃跑。你想看看盒子里是什么，可一打开，它就受了伤，甚至会死掉，更别说维持正常的工作了。你也可以仅仅通过研究它静止、已失去活力的形态来研究它，通过它的结构、形状来推测它的作用（解剖学），或是将每一个零件拿出来单独培养、看一个或是几个相关的零件是怎么相互作用的（神经细胞学）。

过去，想要将大脑和一个行为联系起来，只能通过分析大脑有损伤的患者（俗名“脑残”）的行为来推测。譬如，一名病人某个大脑区域在事故中受到了损伤，结果这位病人在行为上出现了很奇怪的变化，譬如说他再也无法形成新的记忆了，但其他行为却没有受到任何影响。这说明这位病人大脑受伤的那个区域和记忆的生成至关重要。

为了更深入地研究这个区域，科学家不得不通过动物实验进一步地证实、确认更深层的机理。但问题是，其他的动物，即使是与我们最像的猩猩，和人还是有很多不同的，特别是在大脑这个器官上面。当我们想研究一些人类特有的，更为复杂的认知功能时，如情感、阅读、决策等等，很难仅仅通过动物来研究。所以，还是得看看人的大脑哪（科学家之间友谊的小船在风雨中摇曳）。

好在最近30年，脑成像技术越来越成熟，科学家终于可以在不损伤志愿者的身体的前提下，甚至在人的大脑正在工作时，通过各种各样的脑成像技术来实时观察大脑的活动。

在现在的神经科学研究中，常用的脑成像技术有很多种，主要有脑电图 、脑磁图 、功能性核磁共振 和正电子发射计算机断层扫描 等等。

功能性核磁共振（fMRI）

用简单的人话来讲，核磁共振就是能够用来看到当你在干某事的时候，大脑的哪些区域会变得活跃。

它是怎么做到这一点的呢？当神经细胞活化时，细胞会消耗氧气，而氧气是借由血液中红细胞里的血红素，沿着微血管，送至每个细胞附近的。当一个区域的神经细胞们一起变得活跃，这个区域所需要的氧气增大，这样附近的含有氧气的血液就会流向这里，来补充消耗掉的氧气。所以，伴随着神经细胞的活化，这个大脑区域会有血流的变化，而且血氧浓度也会与周围的区域有所不同。如果我们能够测量这个血氧浓度变化，就能够推测到，大脑的哪些区域变得活跃了。

那怎么来测量呢？我们在中学时就学过，当电荷沿着导线运动时，会在导线周围产生磁场。如果我们把电荷换成一个带有正电荷的质子，当它绕轴旋转的时候，也会形成磁场。人体约70%都由水组成，每一个水分子中含有两个氢原子，而氢原子的原子核的自旋角动量不为零。当你将它放入一个均匀的磁场中时，如果控制好这个磁场的能量，就能使得这个原子核产生共振，放出电磁波。而这个电磁波可以被检测到，经过处理，便能够知道发出这个电磁波的原子核的位置，并绘制出精确的图像。

其实，核磁共振里的“核”指的是氢原子核。但在临床上，因为担心病患会对“核”这个字产生畏惧感，国内也常将这种技术称为“磁共振”。

因为缺氧和氧化状态下的血红素对磁场的反应是不同的，所以根据血液里的含氧量就能够产生不同的信号，这个信号叫作血氧浓度相依对比（Blood oxygen-level dependent，简称BOLD）。

通过使用功能性核磁共振，通过绘制出大脑不同区域不同的BOLD信号，现在我们能够得到相对精细的大脑扫描图。更重要的是，因为这种成像方法对人体没有任何伤害，所以在临床和科研中都有广泛的使用。

使用功能性核磁共振成像，科学家能够定位大脑里什么位置负责怎样的认知活动，换言之，核磁共振成像有杰出的空间分辨率。但是，因为神经细胞的活化到产生BOLD信号，有1～5秒的延迟，所以核磁共振成像的时间分辨率比较差。这对变化迅速的大脑认知功能，譬如说听声音（大脑活动是毫秒级），就不是特别完美。另外，核磁共振成像设备非常昂贵，维护、维修以及使用它都不便宜。在我所在的实验室，使用一个小时需要300英镑（友情价），也就是近3000人民币。一个普通实验一般至少需要10个人，每个人1个小时，也就是说光是使用就需要花费30000人民币。这也是不能避免的，必须考虑在研究经费之内的重要因素。

如果你对这个技术很感兴趣，想对它深入了解的话，我推荐一本很不错的入门教材：Huettel, S.A.，Song, A.W.，McCarthy, G.，2009.Functional Magnetic Resonance Imaging.Freeman.（《功能磁共振成像》）

脑电图（EEG）

神经细胞靠传递电流来传递信息，即使在静止不动、什么也不想的情况下，大脑也如不夜城一般热闹。我们把能够将大脑所产生微弱的生物电，在头皮处收集，并放大记录的一种曲线图叫作脑电图。收集脑电图的时候，头上要戴一个帽子，帽子上有很多感应器（电极），电极贴在头皮上，就能收集到这个区域头颅下方百万千万个神经细胞的电流活动。打一个比方，大脑就像是一个体育场。体育场里在进行一场球赛，而每一个神经细胞就好像是一个时不时呐喊的观众。而你呢，就拿着一支录音笔，站在体育场外，通过千万个球迷的呐喊声来了解球赛的状况。

这个例子提供了几条信息：首先，脑电图并不是直接记录了每个细胞的活动，虽然它能够呈现大脑的一些反应，但是在研究和分析脑电波时，有很多需要注意的地方。其次，脑电图展现的并不是几个神经细胞或是某一个大脑区域的活动，它记录的是整个大脑中的神经细胞的电流产生的电压波动。第三，虽然它在空间分辨率上非常吃亏（也就是说，它并不能精准地展示大脑的某个特定区域的活动），但它在时间分辨率上非常好（精准到毫秒，也就是基本实时记录）。

在临床上，常用脑电图来诊断癫痫，有时对神经疾病的诊断也有很重要的作用。

举一个简单的例子，假设我已经给你戴好脑电图帽子，开始记录你的脑电波，然后你听我念下面两个句子：

第一句话：一个男人在自己的咖啡里加了牛奶。

第二句话：一个男人在自己的咖啡里加了袜子。

当你听到“袜子”这个违反语境的词语后400毫秒的时候，与听到“牛奶”相比，脑电波会有一个更高的波峰。通过反复的测试，我们发现，这个波峰（实际上专业叫“成分”）和“违反语境”有关系，只要听到或看到违反语境的词语或物体，都能够在脑电波里看到这个“成分”。

收集脑电波不是一件难事，但是要解释脑电波需要一定的知识储备，所以这里我没办法深入介绍。

自从1924年的首次人类脑电图实验之后，脑电图基本上是发展得最成熟也最便宜的一种脑成像仪器了。虽然现在已经有比脑电图更精确好用的脑成像设备，但脑电图最大的优势是，它非常便宜。弄一套普通的EEG设备，只要5万美元左右。而每做一次实验，便宜的时候，差不多只花2～3美元。

因为它发展成熟又便宜，很多公司和实验室（包括我现在所在的实验室）在尝试将之使用在人机界面上，用脑电波来下达一些指令。或是结合眼动追踪技术，给穿戴型设备，如谷歌眼镜，提供一些实时反馈等等。

如果你对这个技术很感兴趣，想对它深入了解的话，我推荐一本很不错的入门教材：Luck, S.J.，2014.An Introduction to the Event-Related Potential Technique.MIT Press.（《项目相关潜在技术的简介》）

因为篇幅的问题，我只能稍微介绍一下脑电图和功能性核磁共振。这两个技术也是在平时看神经科学相关的科普文章中常提到的。实际上，在神经科学业界，对不同的脑成像技术也是褒贬不一。使用这些成像技术，所得到的实验结果到底有多少说服力，也是仁者见仁智者见智。

根据不同的研究目的，选择哪一种脑成像技术是非常重要的。脑成像实验的设计和分析也是有很多的弯弯绕绕，很难在科普环境下一一解释清楚。非常遗憾，但也不得不承认的是，有很多脑成像实验缺乏严谨性，使得漂亮的脑成像扫描图不仅不能解答任何问题，反而会引起媒体和公众的误解。所以，当你在媒体上看到脑成像实验的结果时，包括在阅读本书时，请务必时刻保持怀疑的态度。

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难易程度 ★★★

当我们说到大脑的时候，往往会遗忘掉后脑勺的小脑。虽然它只占了全脑体积的10%，但其主要功能却一点都不能忽视：它负责肢体动作，包括姿势、平衡、运动学习（如挥高尔夫球杆）以及演讲。

一、小脑拥有全脑一半的神经细胞数量

在学习小脑的相关知识时，我们第一个会学到的冷知识就是：这个只占了全脑体积10%的小脑，拥有整个大脑近一半的神经细胞。为什么这么小的体积却有这么多神经细胞？

要知道，神经细胞也有很多种，形状各异、功能各异，在神经系统中的分布也各异。其中，颗粒细胞（granule cell）是最小的神经细胞之一，细胞体直径只有5～8微米，整个大脑的75%以上都是这种细胞，而小脑中的大部分神经细胞就是这种体积极小又极其密集的颗粒细胞，而且在小脑里的颗粒细胞是大脑中最小的神经细胞，可惜我们现在对这种细胞的功能还不是太了解。不过，很清楚的是，小脑里的颗粒细胞接收了来自小脑之外的最大的输入信号，也就是小脑苔状纤维（mossy fibre，顾名思义，密密麻麻的跟苔藓一样），而这些纤维的另一头来自四面八方，最主要的来自大脑皮层，其次来自脊髓。

小脑皮层的分层结构图。小脑长得皱巴巴的，当把这些“皱纹”抚平，然后切开看横截面，在显微镜下，就会发现像是多层蛋糕一样，每个类型的细胞，从内向外按层排列。这个图展示了小脑的三层结构，包括最外的分子层、浦肯野细胞层以及颗粒细胞层，在这里最里面的白质没有完整画出。请注意，此图的每层厚度并非按精确比例画出，仅是粗略示意而已

颗粒细胞将来自一根苔状纤维的信号，分成200多条“频道”散布出去。这里要说回小脑的功能了，小脑负责对话、演讲、运动和学习，但它并不负责发出指令，它负责将大脑发出的命令分工下去，让肌肉接收到信息，再告诉大脑：“你的命令已经传达下去了，下一步是什么呢？”

打个比方，你见到一个漂亮妹子，想跟人家打个招呼，“Hi，美女”，并挥挥手。大脑做出决定后，来自左半脑的布洛卡区帮你产生了正确的打招呼用的语言和发音“Hi，美女”，而不是“爱，霉撸”，并将这个信息传递到了小脑，在小脑里再通过苔状纤维传递给了颗粒细胞，颗粒细胞将这个单一指令编译成了更为精细的任务。譬如说，嘴唇的哪个肌肉要动、舌头怎么卷起来、控制嘴巴的咬合要确保不会咬到舌头又不会口齿不清，啊，还有确保足够轻佻的尾音呢，还有别忘了挥手……当然，这个比喻并不准确，但希望能通过这个例子帮助你理解，为什么需要将一个简单的指令，分成那么多分支。但由于小脑里的颗粒细胞实在是太小太密集了，现在还很难在正常活动的动物的大脑中检测它们的信息传递情况，所以要知道它们如何解析复杂的运动信息的情况还需要一些时日。

这里必须提到一位非常杰出的英国神经科学家，David Marr（大卫·马尔），计算神经科学（Computational Neuroscience）的先驱之一。早在20世纪70年代，他就提出，这些颗粒细胞很有可能编译整合过大脑指令：每个颗粒细胞与4～5根苔状纤维相连，如果只有1根苔状纤维传递信息，颗粒细胞不会将信息传递下去，而当有多个苔状纤维激活了它，这个颗粒细胞立马会将这些纤维传递的信息整合起来，并分别传递出去。这样的机制减少了传递错误、杂乱的动作信号。这样，先在颗粒细胞层中把所有到达小脑的信息全部混合起来，颗粒细胞们再将捋好的信息发送给输出信号的浦肯野细胞，这样结构的逻辑不得不说在大脑中是很有趣的存在。David Marr在MIT（马萨诸塞理工学院）读博士时将很多心理学、人工智能和生理学上的知识糅合，还制作了经典的神经系统的模型，其成就鼓励了很多神经科学家往这个方向发展，对整个神经科学界都影响极大。可惜他在35岁时因白血病英年早逝。如果他还活着……

二、有人居然天生没有小脑！

不过，在继续讨论小脑的功能之前，先从国内发现的一例刷新“小脑的底线”的病例说起。2014年，国内发现世界上第9例天生没有小脑的病例（原发性小脑发育不全，primary cerebellar agenesis） 。小脑损伤导致脑功能缺失并不少见，但天生缺失整个小脑是极为罕见的。

这位中国女性在出现呕吐和眩晕的症状后，前去医院就医，CT和核磁共振扫描发现，本该是小脑的位置上却是空洞洞的——这位患者没有小脑！这立马解释了之前的症状。同时也解释了，为什么患者到6岁才开始说话，7岁才会走路，而且年幼时她也从来不能像其他小孩一样玩耍和跳跃。即使会走路，她也需要外界辅助。

语言测试发现她可以完全正常地理解词语，但缺失的小脑使得她在词语发音上有一些问题。医生说患者声音颤抖，说话含糊，声调刺耳。但科学家和医生都非常惊讶小脑缺失并没有让她完全丧失行动和语言能力，也没有什么非常严重或极端的症状。

脑脊髓液（cerebrospinal fluid）充满了原本应该是小脑的区域。经过测试，脑脊髓液正常，但颅内压力略高。通过脱水治疗和其他伤害较小的配合治疗，压力有所降低，立即并长期地改善了一些症状。

而且在她的家族中并没有发现其他神经缺损的病例，据国内网上报道，这例病例是在济南军区总医院发现的，患者已结婚，并育有一名健康的女儿。

虽然理论上来讲，小脑并非生存的“必需品”，如维持呼吸、体温等等。“生存必备功能”是由脑干控制的，所以大脑或小脑损伤后也还是有很多能生存下来的病例。但这个在国内发现的病例，不是小脑发育不全，而是完全没有小脑啊！而且更让人称奇的是，这姑娘不仅活着，人家还活得好好的，孩子都可以打酱油了。

虽然目前已知已有30种基因异常会导致小脑畸形，但导致完全缺失小脑的原因，现在还完全让我们摸不清头脑。我们也不晓得这名患者随着年龄增长，会不会有症状恶化或新的症状出现。不过，既然她没有小脑也能较为正常地生活，小脑，是不是并没有那么重要呢？

三、既然没有小脑也能存活，它是不是并不重要呢？

当然重要。后天如果某一侧的小脑受到损伤，就会导致不能精准地控制同一侧的身体，譬如不能保持平衡、协调性降低，即使简单地临摹一条曲线也十分困难；同时，说话能力也会受到影响，轻则发音困难，重则丧失语言能力。

而目前所发现的9例天生没有小脑的病例中，也或多或少有语言和运动方面的问题。

那究竟是什么让先天就没有小脑的人和后天小脑受到损伤的人所受困扰的区别如此之大呢？这是因为，在早期发育时期，大脑的神经可塑性强，当神经系统某一部分出现发育迟缓或是其他不致命的缺失，其他发育的神经细胞可能会自发性地像是“替补队员”一样来适应这种空缺的情况，弥补不足，尽量帮助神经系统正常运行。

在先天性小脑缺失的这种情况中，很有可能大脑的某些神经细胞当了小脑的“替补队员”，行使了小脑本该负责的功能，如行走、说话等等，使得病人保有部分能力但并不能完美无缺（如这第9位最新发现的情况是，发育比较缓慢、说话不清楚、走路不稳）。

这么说来可能还是无法让人觉得小脑有多么重要，那是因为我们人类现在变懒了，一天到晚都是坐着，即使坐着也能生存下去，所以让人觉得好像运动和语言的精准度并没有那样重要。实际上，如果没有让我们精准地控制四肢和身体的小脑，我们连钻木取火这一最古老的技能都做不到，哪里还谈得上逃离危险甚至狩猎，直至进化到今天呢？

大脑开发指南

难易程度 ★★

对人类来说，神经细胞因其功能种类在人体位置的不同，长度从2纳米到1米多不等。

一般大家认为最长的人类神经细胞是坐骨神经（sciatic nerve），其轴突（axon）始于骨盆中间的位置，经大腿，到膝盖，在膝盖上方分叉。它的最长的分支叫胫神经（tibial nerve），从膝盖到大脚指头。人们常常说坐骨神经是最长的，其实是坐骨神经加这个，加起来可达1米多。

但严格地讲，最长的应该是正中神经（median nerve）和尺神经（ulnar nerve），这两个都是一口气从肩膀到手腕，然后再到手指尖。这个长度比大腿或小腿的都长。

冷知识：严格说来，人最长的神经细胞是肩膀到手指尖的正中神经和尺神经。当然啦，这和长颈鹿先生的比不得的。人家从脖子到脚指头，传入神经足足有5米！

在动物里，我查到最长的神经细胞是长颈鹿的传入神经（primary afferent neuron），从脖子到脚指头，可达5米长。

神经细胞的长度特别有名，是因为它的轴突的主要功能是传输信息，为了快，肯定一根轴突传到底。就好像是快马送信一样，如果马的速度不会因劳累而减弱或是有其他的任务要办，肯定是不会在驿站中转的。神经细胞也是一样的道理。（当然这是在信息“只需要走一条线，不需要到多个目的地”的前提之下。）而最小的神经细胞，就是上篇里提到的小脑里的颗粒细胞。

大脑开发指南

难易程度 ★★

说到神经细胞，就不得不提到脑细胞结构研究的奠基人，西班牙神经学家Santiago Ramóny Cajal（圣地亚哥·拉蒙-卡哈尔）。在工作不繁忙的一年里，他在业余时间默默地画了几百个脑细胞插图，在一百多年后的今天，这些插图还用于大学教学当中。这些插图让他在1906年获得诺贝尔医学奖，也被认为是现代神经科学之父。

在《生活大爆炸》（The Big Bang Theory）第七季的某一集，Sheldon（谢耳朵）让他的女助手给Amy（艾米）买礼物时，助手的压轴礼物便是Cajal的手稿。在那一刻，我相信所有学神经学的人心中都会惊声尖叫……我导师的办公室里挂着一张Cajal手稿的复制品，我第一次走进她的办公室时，就惊叫：“那是真作吗？！”神经科学的浪漫你不懂……

最近也有艺术家将Cajal的插图与艺术结合，制作出非常有东方韵味的艺术品。譬如说，之前给美国卡内基梅隆大学做过一个超美的神经细胞作品的Greg Dunn（格雷戈·邓恩），感兴趣的可以去他的个人网站上看他的作品。

记得大三有视觉神经课，第一节课就是讲Cajal的各种故事和插图。他是个极其叛逆的人，非常抵抗权威，父母希望他能够和他们一样从事医学工作，有一天带他去郊外的坟场找尸体的碎片带回家画（这是什么爸妈啊！）。结果画骨骼是Cajal对医学产生兴趣的转折点——不会画画的流氓不是好神经科学家。他一个人一年业余时间所做的工作，比很多人一辈子做的都还多。想想自己，老是抱怨“没空”“太忙”，实际上都是些借口罢了，这就是平庸和杰出之间的差距吧。

大脑开发指南

难易程度 ★★

在神经系统中，除了广为人知的神经细胞以外，还有种细胞比神经细胞数量更多，那就是胶质细胞（glial cells）。就现在的知识来看，胶质细胞在中枢神经系统里扮演着神经细胞的“老妈子”的角色，或者说做着各种行政工作，包括为神经细胞提供框架支持、营养供给、维持稳定的“生活”环境等等。而且胶质细胞种类繁多，各司其职、长得也特别不一样。

粗暴一点说，可以将胶质细胞大致分为两大类，一种叫大胶质细胞（macroglia，中文翻译好搞笑，我老是打成“大脚指细胞”），包含有很多分工明确的细胞，比如星形胶质细胞（astrocytes）、神经膜细胞（schwann cells）等等。其中，星形胶质细胞是数量最多的胶质细胞，它填充了神经细胞之间的空隙：它和神经细胞一般只隔着20纳米！那真的是脸贴脸，腿夹着腿了。不令人惊讶的，星形胶质细胞的一大工作就是为神经细胞们提供稳定的生活环境。

另一种神经胶质细胞，叫小胶质细胞（microglia），作用相当于在脑和脊髓里的巨噬细胞。它的作用是清除中枢神经系统中的损坏的神经。

另一大类胶质细胞叫小胶质细胞（microglia），虽然只占胶质细胞数量的20%，但它的角色非常重要——中枢神经系统里的免疫细胞。它的工作任务是清除脑和脊髓里的感染性物质和已经坏掉的神经细胞，现已发现和帕金森病、阿茨海默病有很大的关系。

可惜的是，我们对胶质细胞的作用了解得还不够充分，它们的作用很有可能比我们想象的重要得多。而且在很多难以攻克的神经科学难题上有着关键作用，如神经再生。因此，也有科学家称胶质细胞为神经科学里“沉睡的巨人”——只是，不知何时我们才能将这个巨人唤醒。 FEIVzxtvAKqYHB8tsl8IdHfLH5Zhb1ZMKhpcuiT7P414Hc6TPoIG7c94edWaxcP0