1　揭开心灵

我对我们有时称之为“心灵”的大脑的基本认识是：它的工作是其解剖学和生理学的结果，仅此而已。

——卡尔·萨根（Carl Sagan）

事故发生在1848年，当时菲尼亚斯·盖奇（Phineas Gage）是佛蒙特州的一个铁路工头，当炸药意外爆炸时，一根三英尺七英寸（ 1.13米 ）长的铁棒直接打到他的脸上，从他的大脑前额穿进去，从头顶穿出来，最终落到八十英尺（ 24.4米 ）开外的地方。他的同事们惊呆地看到他们工头的大脑的一部分被掀掉了，于是马上叫来医生。让工人们（甚至是医生）惊愕的是盖奇先生没有当场死亡。

他半昏迷了数周，最终似乎是完全康复了。（2009年，一张罕见的盖奇的照片浮出水面，显示一个英俊潇洒、充满自信的男人，他的头部和左眼受伤，手里握着那根铁棒。）但这一事件发生后，盖奇的同事们开始注意到他的性格出现了急剧变化。一个活泼开朗、乐于助人的工头，成了一个爱骂人的、怀有敌意的和自私的人。女士们被警告离他远点。约翰·哈洛（John Harlow）博士，他的主治医生，发现盖奇“任性和波动，计划了许多未来要做的事情，但还没有做就很快放弃了，因为又出现别的似乎更可行的事情。他的智力和表现好像孩子一样，却有着一个强壮的人所拥有的野兽般的激情”。哈洛博士注意到他“彻底改变了”，他的同事说“他不再是盖奇了”。1860年盖奇死后，哈洛博士保留了他的头骨和那根击碎他头骨的铁棒。对此头颅的详细的X射线扫描已经证实，铁棒在前额后面称为额叶脑区的地方造成了巨大破坏，左、右大脑半球都有破坏。

这个令人难以置信的事故不仅改变了菲尼亚斯·盖奇的生活，它也改变了科学的进程。此前的主导思想是：大脑和灵魂是两个独立的实体，称为二元论哲学。但越来越清楚的是，盖奇的大脑额叶损伤引起了他个性的突然变化。接下来，这又引起科学思维模式的转变：也许是大脑的特定区域与一定的行为有关吧。

布罗卡的大脑

1861年，盖奇去世后仅仅一年，这种观点通过皮埃尔·保罗·布罗卡（Pierre Paul Broca）的工作得到进一步巩固，他是巴黎的一位医生，记录了一个病人，这个病人除了严重的语言缺陷外，其他一切似乎都正常。病人能完美地认识和理解语音，但他只能发出一个声音，“潭”。病人去世后，布罗卡医生通过尸检证实了病灶在患者的左颞叶，接近他的左耳的大脑区域。布罗卡医生后来确认12个类似病历的病人在这一特定区域都有大脑损伤。今天，有颞叶损伤的患者，病灶通常在大脑左半球，被认为患有布罗卡失语症。（在一般情况下，这种疾病的患者可以理解别人说的话，但什么话都说不出，或者在说话时丢掉很多词。）

不久之后，在1874年，德国医生卡尔·韦尼克（Carl Wernicke）描述了有相反问题的患者。他们能清楚地表达，但他们不能理解书面和口头的语言。这些患者往往能流利地说，语法和句法都对，但带有毫无意义的词和话。不幸的是，这些患者往往不知道他们是在胡言乱语。韦尼克进行尸体解剖确认，这些患者在距离左颞叶不远的地方遭受了损伤。

布罗卡和韦尼克的工作在神经科学中是一个里程碑式的研究，建立了行为问题，如语音和语言障碍，与大脑特定区域的损伤之间的明确关系。

另一个突破发生在战争的混乱时期。在历史上，有许多宗教禁忌禁止人体解剖，这严重制约了医学进步。然而，在战争中，流血的士兵在战场上死亡的数量数以万计，制定有效的医疗处理方法成为医生的一项紧迫任务。在1864年普鲁士与丹麦的战争期间，德国医生古斯塔夫·弗里奇（Gustav Fritsch）治疗过很多头部有伤口的士兵，碰巧注意到当他碰到大脑的一个半球时，身体的另一侧经常抽搐。后来弗里奇系统地证实，当他用电刺激大脑时，左半球大脑控制身体的右侧，反之亦然。这是一个惊人的发现，证明大脑基本上是电性的，大脑的特定区域控制身体另一侧的一部分。（令人惊奇的是，早在几千年前，罗马人就有电子探针用于治疗大脑的记录。在公元43年，记录显示，克劳狄皇帝的宫廷医生用带电荷的电鳐 ［torpedo fish， 又叫鱼雷鱼 ］治疗患有严重头痛病的病人。）

在大脑与身体之间有电通路连接这个认识，直到20世纪30年代才有了系统的分析，那时怀尔德·潘菲尔德（Wilder Penfield）医生开始治疗癫痫病患者，这些病人经常出现惊厥和癫痫发作，可能危及生命。对他们来说，最后的选择是做脑外科手术，去掉部分头骨和暴露大脑。（因为大脑没有疼痛感，病人可以在整个过程中有意识，因此潘菲尔德医生在手术期间仅用局部麻醉。）

潘菲尔德医生注意到，当他用电极刺激皮层的某一部分时，身体的不同部位会回应。他突然意识到，他可以在皮层的特定区域和人体之间绘制一幅粗略的一对一的对应图。他绘制的图是如此之准确，以至今天仍然几乎原封不动地在使用它。这些图立即对科学界和公众产生了影响。在这种图中，你可以看到大脑的哪一区域大致控制哪种功能，以及每个功能的重要程度。例如，因为我们的手和嘴对于生存是如此的重要，因此大量的脑力是致力于控制它们的，而我们背部的传感器官在大脑中则根本没有寄存器。（见图1。）

此外，潘菲尔德发现通过刺激颞叶的几个地方，他的病人突然清晰地回忆起遗忘很久的记忆。一个病人在脑外科手术中，突然脱口而出：“我好像……站在高中的门口……。我听到妈妈在电话里交谈，告诉我的姨妈那天晚上过来。” 潘菲尔德发现他打开了埋藏在大脑深处的记忆。他在1951年发表了他的结果，这些结果产生了我们对大脑了解的另一个转变。

大脑图

在20世纪50年代和60年代之前，有可能创造一个粗略的大脑图，确定大脑的不同区域甚至识别其中的一些功能。

在图2中，我们看到大脑外层的大脑皮层分成四瓣。在人体中大脑皮层是高度发达的。大脑的所有叶是专门处理从我们的感官传来的信号的，只有位于前额后面的额叶除外。前额叶最前面的部分，大部分是用来处理理性思维的。你现在正在读的信息就在你的大脑前额叶皮层处理。这一地区的损伤可能会损害你的计划或盘算未来的能力，如菲尼亚斯·盖奇的病例。这是评估从我们的感官来的信息和执行未来行动的区域。

顶叶位于大脑的顶部。大脑右半球控制感官和身体形象；大脑左半球控制动作和语言的某些方面。这个地区的损伤会导致许多问题，比如不能定位自己的身体部位。

枕叶位于大脑的最后面，处理从眼睛来的视觉信息。这一地区的损伤可以导致失明和视觉障碍。

颞叶控制语言（仅在左侧），以及面部和一定的情感的视觉识别。颞叶损伤可以让我们无法说话或失去认识熟悉面孔的能力。

进化的头脑

身体的其他器官，如肌肉、骨骼、肺，似乎是显而易见的，我们可以立即了解它们。但是大脑的结构似乎是以一种随机的方式拼凑在一起的。事实上，试图给大脑绘图经常被称为“给傻瓜制图”。

1967年，美国国家精神健康研究院的医生保罗·麦克莱恩（Paul MacLean）为了了解看似随机的大脑结构，将查尔斯·达尔文的进化论应用到大脑。他把大脑分成三个部分。（自那时以来，研究表明，这种模型可以改进，但我们可以用它作为一个粗略的组织原则来解释所有的大脑结构。）首先，他注意到我们大脑中心的一部分，包括脑干、小脑、基底核，与爬行动物的大脑几乎相同。被称为“爬虫类大脑”，这是大脑的最古老的建筑，控制动物的基本功能，如平衡、消化、呼吸、心跳、血压等。它们还控制争斗、狩猎、交配和霸占地盘，这些是生存和繁殖所必需的。爬行动物的大脑可以追溯到5亿年前。（见图3。）

但随着我们从爬行动物进化到哺乳动物，大脑也变得更加复杂了，向周边发展和产生全新的结构。在这里，我们遇到了“哺乳动物大脑”，或边缘系统，位于大脑的中心附近，在爬行动物大脑部分的周围。在以社会群体方式生活的动物中，如猿类，这个边缘系统是突出的。它也包含了涉及情感的结构。由于社会群体动力学是非常复杂的，因此边缘系统是辨别潜在的敌人、盟友和竞争对手所必需的。

边缘系统的各个部分对于控制社会性动物的行为是极其重要的，这些部分包括：

· 海马。这是记忆的网关，在这里短期记忆被处理成长期记忆。之所以叫做“海马”，是为了描述其奇怪的形状。此处损伤将破坏产生新的长期记忆的能力。你就会停留在目前的状况。

· 杏仁核。这是产生情感的地方，尤其是恐惧，情感首先注册和产生在这个地方。它的名字意味着它是“杏仁状的”。

· 丘脑。这就像一个中继站，收集从脑干来的感官信号，然后将它们发送到不同的皮层。它的名字的意思是“内室”。

· 下丘脑。它调节体温、我们的昼夜节律、饥饿、口渴、生殖和心情方面。它位于丘脑之下，由此得名。

最后，我们有哺乳动物大脑的第三个和最新的区域——大脑皮层，这是大脑的外层。大脑皮层内的最新的进化结构是新大脑皮层（意思是“新皮”），它控制高级认知行为。这是人类最高度发达的部分：占我们大脑的质量多达80%，但只有一张餐巾纸那么厚。在老鼠中新皮层是光滑的，但是在人类中它是高度盘绕的，非常复杂的，它允许大量的表面面积被塞进到人类的头骨中。

从某种意义上说，人类的大脑就像一个博物馆，包含数百万年的进化中所有以前阶段的残留，在尺寸和功能上向外、向前迅速扩大。（这也是一个婴儿出生所采取的大致的路径。婴儿的大脑向外、向前扩展，或许是模仿我们演化的各个阶段。）

虽然新皮层表面上看起来仿佛是平常的，但实际并不是这样。在显微镜下，你可以看到大脑的复杂结构。大脑中的灰质由数十亿个微小的、被称为神经元的脑细胞组成。就像一个巨大的电话网络，它们通过树突接收其他神经元的信息，树突就像从神经元一端发芽的卷须。在神经元的另一端，有一个长的纤维称为轴突。最后轴突通过它们的树突连接到上万个其他的神经元。在二者之间的交界处有一个称为突触的小间隙。这些突触像大门，调节大脑内的信息流。被称为神经递质的特殊化学药品能进入突触改变信号流。因为神经递质，如多巴胺、去甲肾上腺素和血清张力素，有助于控制穿过大脑的各种各样途径的信息流，所以它们对我们的情绪、情感、思想和精神状态有巨大的影响。（见图4。）

对大脑的这种描述大约代表了20世纪80年代之前的知识状态。然而，在20世纪90年代，随着物理学领域新技术的引进，思想力学（mechanics of thought）开始极其细致地被揭开，引起最近的科学发现的大爆炸。这个革命的一个动力是磁共振成像（MRI）机器。

磁共振成像：进入大脑的窗口

要理解为什么这种根本性的新技术能够帮助解码大脑思维的原因，我们必须将注意力转移到物理学的一些基本原理上。

无线电波，电磁辐射的一种类型，可以恰当地通过组织而不损害组织。 磁共振成像（MRI）机器利用这一优势，使电磁波自由地穿透颅骨。在这个过程中，这项技术给了我们一些曾经被认为是不可能捕捉到的绝妙的照片：在大脑产生感觉和情绪时的内部运作。在MRI机器上看见闪烁的灯光跳来跳去，可以追踪思想在大脑内的移动。这就像一个时钟嘀嗒作响时能够看到它的内部一样。

你首先会注意到MRI机器是很大的，它的圆柱形磁线圈可产生一个磁场，比地球磁场大2万～6万倍。MRI机器之所以重达一吨，占满整个房间，花费数百万美元，其主要原因是有一个巨大的磁铁。（MRI机器比X射线机更安全，因为它们不产生有害的离子。CT扫描［X 射线计算机断层成像扫描 ］也可以创建三维图片，但照射身体的剂量是普通X射线剂量的很多倍，因此必须小心控制。相比之下，MRI机器使用时安全性好。然而，一个问题是对工作人员不利。如果打开舱门的时间错误，磁场强大到足以把工具以高速度甩到空中。造成人员受伤，甚至被杀死。）

磁共振成像（MRI）机器的工作如下：病人平卧并插入到包含两个产生磁场的大线圈的圆筒中。当磁场打开时，身体内的原子核的行为很像指南针的指针：它们沿磁场方向排列。然后产生一个小的无线电脉冲能量，使我们身体中的一些原子核快速翻转颠倒。当这些原子核恢复到正常位置后，它们发出二次无线电脉冲能量，然后通过MRI机对这些脉冲进行分析。通过分析这些微小的“回声”，可以重建这些原子的位置和性质。像蝙蝠使用回声来确定在其飞行路径上的物体的位置一样，通过MRI机器上创建的回声使科学家们能够重新创建大脑内部的非凡的影像。然后用电脑重新构建原子的位置，给出我们美丽的三维图像。

在核磁共振成像的最初期，它们只能显示大脑及各区域的静态结构。然而，在20世纪90年代中期，发明了一个新型的MRI机器，被称为“功能性”MRI，或fMRI（ 功能性磁共振成像 ），它能检测大脑血液中氧的存在。（对于不同类型的MRI机器，科学家们有时会在MRI前加一个小写字母，但我们将用缩写MRI来表示各种类型的磁共振成像机。）MRI扫描不能直接检测神经元中的电子流，但由于细胞必须通过氧提供能量，因此含氧的血液能间接跟踪神经元中电能的流动和显示各种不同的大脑区域之间的相互影响。

这些磁共振成像（MRI）扫描结果已经明确否定了认为思想是集中在一个单一的中心的想法。相反，人们可以看到大脑在思想时电能在大脑的不同部位流动。通过跟踪我们的思想所采取的路径，核磁共振成像扫描为揭示阿尔茨海默氏症、帕金森氏症、精神分裂症的性质和其他的心理疾病带来了曙光。

磁共振成像机的最大优势是其精准的定位大脑各微小部分的能力，可以小到毫米级别的几分之一。MRI扫描产生的不只是二维屏幕上称为像素的点，而且是在三维空间中称为“体素”（voxels）的点，产生三维的成千上万个明亮彩色点的集合，形状为大脑。

由于不同的化学元素对不同的无线电频率有回应，因此可以通过改变无线电脉冲的频率来识别身体的不同元素。值得注意的是，功能性磁共振成像（fMRI）机测量血液流动瞄准的是血液中含有的氧原子，但MRI机器也可以识别其他原子。在过去的10年中，一种新形式的被称为“磁共振扩散张量成像”的MRI出现了，称为DTI，可检测大脑中的水的流动。因为水是大脑的神经通路，所以DTI产生像花园里生长的葡萄藤网络那样漂亮的图像。科学家们现在可以立即确定大脑的某些部分和其他部分是怎样相连的。

然而MRI技术有几个缺点。虽然它们的空间分辨率是前所未有的，可以定位小到三维空间中针尖大小的体素，但核磁共振成像时的分辨率不好。为了跟踪大脑中血液的路径几乎需要整整一秒钟，这听起来或许不算什么，但记住，电信号通过大脑几乎是瞬间的，因此MRI扫描可能错过一些思维模式的复杂细节。

另一个问题是成本，一台MRI机动则数百万美元，所以医生经常要共享机器。但像其他技术一样，随着时间的演进其成本会降低。

然而，过高的成本并没有阻止人们寻找MRI机在商业上的应用。一个想法是将磁共振成像扫描用作测谎仪，根据研究，测谎的精度可达95%或更高。对测谎的精度高低仍然是有争议的，但基本的想法是，当一个人说谎时，他同时也必须知道真相，要编造谎言，还要快速分析这个谎言与先前已知事实的一致性。今天，一些公司声称：MRI技术表明，当一个人说谎时前额叶和顶叶会亮起来。更具体地说，“眶额叶皮层”（眶额叶皮层除了其他功能外，还可作为大脑的“事实-校核器”在有错误时警告我们）变得活跃。这个地区就位于我们眼眶的后面，并因此得名。这一理论认为，眶额叶皮层为了解真相与谎言的差异进入超速运行状态。（在一个人说谎时，大脑的其他区域也亮起，如上内侧［superiormedial］皮层和涉及认知的下外侧前额叶皮层。）

已经有一些商业企业提供MRI机器作为测谎仪，使用这些机器处理案件正进入法院系统。但重要的是应当注意，这些MRI扫描只在某些区域显示大脑活动的增加。而DNA结果的精度有时可以达到一百亿分之几或更高，MRI扫描却不能达到这个精度，因为编造一个谎言涉及大脑的许多区域，并且大脑的这些区域也负责处理其他类型的思想。

脑电图扫描

另一个探测大脑深处的有用工具是脑电图（EEG），即脑动电流图。脑电图的引进可回溯到1924年，但直到最近才有可能使用计算机让从每个电极涌出的所有数据变得有意义。

为使用脑电图（EEG）机，病人通常戴上一个看上去很新潮的头盔，头盔表面有很多的电极。（更先进的版本是在头上戴上一个包含一系列微小电极的发网。）这些电极检测在大脑中流动的微小的电信号。

脑电图（EEG）扫描在几个关键的地方与磁共振成像（MRI）扫描不同。MRI扫描，正如我们已经看到的，发射无线电脉冲到大脑，然后分析“回声”。这意味着你可以改变无线电脉冲以选择不同的原子进行分析，用起来相当灵活。然而，脑电图机完全是被动的；也就是说，它分析大脑自然发出的微小的电磁信号。脑电图的优越性在于它能记录整个大脑中涌动的广泛的电磁信号，使科学家们可以测量在睡觉、沉思、放松、做梦……时大脑的整体活动。不同的意识状态，这些微小的电磁信号以不同的频率振动。例如，深睡眠对应于δ波（ 德尔塔波 ），振动频率为每秒0.1～4次（ 0.1~0.4赫兹 ）。积极的心理状态，如解决问题时对应于β波（ 贝塔波 ），振动频率为每秒12～30次（ 12~30赫兹 ）。这些振动使大脑的各个部分能共享信息和彼此沟通，即使它们是位于大脑的两侧。MRI扫描测量血流量一秒钟只能几次，而脑电图扫描可瞬间测量电的活动。

脑电图（EEG）扫描的最大优势是它的方便性和低成本。甚至高中的学生在自家的客厅里，在他们的头上戴上EEG传感器就能进行实验。

然而，脑电图扫描的主要缺点是它已停滞发展有几十年，它的空间分辨率非常差。脑电图扫描拾取的脑电信号在它穿过颅骨后已经扩散了，使得它很难检测到源于大脑深处的异常活动。看着这个混乱的脑电图扫描信号输出，几乎不可能肯定地知道是大脑的哪一部分产生的。此外，轻微的运动，如移动手指，可以使信号产生畸变，有时使它无用。

正电子发射断层显像扫描

来自物理世界的另一个有用的工具是正电子发射断层显像（PET）扫描，它通过定位葡萄糖的存在以计算脑能量的流动，因为葡萄糖分子是为细胞提供能量的。像我高中时所做的云室一样，PET扫描使用葡萄糖内从钠22发出的亚原子粒子。为开始PET扫描，将一种特殊的含有轻微放射性葡萄糖的溶液注射到病人身上。糖分子中的钠原子被放射性钠22原子取代。每当一个钠原子衰变时，它会发出一个正电子或阳电子，它很容易被传感器检测到。跟踪葡萄糖中放射性钠原子的路径，可以描绘活生生的大脑内的能量流。

正电子发射断层显像（PET）扫描和磁共振成像（MRI）扫描一样有很多相同的优点，但空间分辨率没有MRI照片那样好。然而，PET测量的不是血流量，血流量仅仅是身体能量消耗的一个间接指标，PET扫描测量的是能量消耗，所以它与神经活动的关系更密切。

然而，正电子发射断层显像（PET）扫描还有另一个缺点。与磁共振成像（MRI）扫描和脑电图（EEG）扫描不同，PET扫描有轻微的放射性，所以患者不能持续进行PET扫描。一般来说，由于辐射的危险性，一个人一年进行PET扫描不能超过一次。

脑磁

在过去的10年中，许多新的高技术设备已进入神经科学家的工具包，包括经颅电磁扫描仪（TES）、脑磁图（MEG）、近红外光谱法（NIRS）和光遗传学（optogenetics），等等。

特别是，磁已被用来系统地关闭大脑的特定部位而无须切开它。这些新工具的基本物理学是一个快速变化的电场能够产生一个磁场，反之亦然。脑磁图（MEG）被动测量大脑中电场变化产生的磁域。这些磁场是微弱的和极其微小的，只有地球磁场的十亿分之一。像脑电图（EEG）一样，脑磁图（MEG）的时间分辨率非常好，可到一千分之一秒。但其空间分辨率很差，仅一个立方厘米。

不同于脑磁图（MEG）的被动测量，经颅电磁扫描仪（TES）产生大量的电脉冲，从而创造一个突发的磁场能量。TES放在大脑的旁边，产生的磁脉冲穿透颅骨，在大脑内产生另一个电脉冲。反过来，这个二次电脉冲足以关闭或抑制大脑特定区域的活动。

以前，科学家不得不依靠中风或肿瘤让大脑的某些部分不工作，从而决定他们应做什么。但有了TES，我们就可以随意打开或抑制大脑的各个部分。通过在大脑中一个特定点注入磁能，只需通过观察一个人的行为改变，便可以确定它的功能。（例如，通过注入磁脉冲到左颞叶，就会看到它对我们说话的能力产生不利的影响。）

经颅电磁扫描仪（TES）的一个潜在缺点是，这些磁场不能穿透到大脑内部很深的地方（因为磁场减弱的速度远远超过通常电流的平方反比定律给出的速度）。TES在关闭贴近颅骨的这部分大脑是非常有用的，但是磁场不能达到重要的位于大脑深处的中心部位，如边缘系统。但未来一代的TES装置可以通过增加磁场强度和精度，克服这一技术问题。

脑深部电刺激

深部脑刺激术（DBS）已被证明是神经病学家另一个至关重要的工具。潘菲尔德医生原来使用的探针较粗。今天，这些电极可以细得像头发丝，并能抵达大脑深层的特定区域。DBS不仅允许科学家找到大脑的各个部分的功能，它也可以被用来治疗精神障碍。DBS已经证明了它对治疗帕金森氏病的价值，这种病人大脑的某些区域过度活跃，通常会使手产生无法控制的颤抖。

最近，这些电极可以瞄准大脑的一个新区域（称为布罗德曼区25号），抑郁症患者的这个区域经常过度活跃，因此治疗和药物对他们不起作用。深部脑刺激术（DBS）使这些病人在经受了几十年的折磨和痛苦后神奇般地缓解了。

每年，都会发现深部脑刺激术（DBS）新的用途。事实上，几乎所有的大脑的主要障碍都用这个技术和其他新的大脑扫描技术重新进行了检查。这将是一个令人兴奋的新的诊断和治疗疾病的领域。

光遗传学——照亮了大脑

但是，也许光遗传学（optogenetics）是神经病学家的工具包里最新颖、最激动人心的仪器，它曾经被视为科幻小说。这个仪器像一根魔杖一样，将一束光线照射到大脑上，激活控制行为的某些通路。

令人难以置信的是，引起细胞活动的光敏感基因可以通过精确手术直接植入到神经元中。然后，打出一道光束，神经元被激活。更重要的是，这使得科学家们可以激活这些通路，这样你就可以拨动开关以打开和关闭某些行为。

光遗传学这项技术虽然只有十多年的历史，但已被证明成功地控制了某些动物的行为。打开一盏灯的开关，就可能使果蝇突然飞出，蠕虫停止扭动，小鼠疯狂地绕圈跑。对猴子的试验，甚至人体试验也开始了探讨。该技术有很大的希望将直接应用在治疗疾病上，如帕金森氏症和抑郁症。

透明的大脑

像光遗传学一样，另一个壮观的新发展是使大脑完全透明，让神经通路完整暴露在肉眼之下。在2013年，斯坦福大学的科学家宣布，他们已经成功地让老鼠的整个大脑完全透明，并使人的部分大脑透明。该项研究是如此的出色，这令《纽约时报》的头版登出了这样的标题：“大脑像果冻一样清晰地展现，让科学家们去探索。”

在细胞水平上，单个的细胞看上去是透明的，它所有的显微组分是充分暴露的。然而，一旦数十亿个细胞放在一起形成像大脑这样的器官后，脂类添加物（脂肪、油、蜡和不溶于水的化学物）会使器官变得不透明。这项新技术的关键在于去除脂类的同时保持神经元的完整。斯坦福大学的科学家通过将大脑放在水凝胶（凝胶状物质主要由水构成）中做到了这一点，水凝胶与所有大脑的分子结合，但不与脂质结合。通过将大脑放在有电场的肥皂溶液中，用该溶液冲洗大脑，带走脂质，留下透明的大脑。加入染料后可以使神经通路清晰可见。这将有助于识别和绘制大脑的许多神经通路。

让组织透明不是新的方法，但要精确地得到使整个大脑透明的合适的条件则颇费心计。“我烧掉和融化了一百多个大脑，”一位在这项研究的领军科学家钟光勋（Kwanghun Chung）博士承认说。被称为克拉里蒂（Clarity， 钻石净度 ）的这项新技术，也可以应用于其他器官（甚至多年前保存在甲醛这样的化学物质中的器官）。他已经制备出透明的肝、肺和心脏。这项新技术已开始在医学的各个领域中应用。特别是，它将加速定位大脑的神经通路，因此成为大量研究和资助的重点。

四种基本作用力

第一代脑扫描的成功的确是惊人的。在它们引进之前，只有30个左右的大脑区域是确切知道的。现在仅磁共振成像（MRI）机就可以识别200～300个大脑区域，打开了整个大脑科学的全新领域。仅仅在过去的15年内就有了这么多的源于物理学的新扫描技术，人们不禁会问：还会有更多吗？答案是肯定的，其种类会比原来的更多更完善，但并不都是完全的新技术。这是因为支配宇宙的只有四种基本作用力：引力、电磁力、弱核力和强核力。（物理学家们曾试图找出第五种力的证据，但到目前为止，所有这样的尝试都失败了。）

电磁力，照亮我们的城市和代表着电和磁的能量，几乎是所有新的扫描技术的源泉（唯一的例外是正电子发射断层显像［PET］扫描，它是由弱核力控制的）。因为物理学家已经有超过150年与电磁力打交道的经验，创造新的电场和磁场没有什么神秘的，所以任何新的大脑扫描技术将最有可能是一种新型的现有技术的修改，而不是全新的东西。与大多数技术一样，这些机器的尺寸和成本将下降，这大大增加了这些精密仪器的广泛使用。物理学家们正在进行基本计算，必须做些什么才能将MRI机安装到手机里。同时，这些大脑扫描面对的最根本的挑战是分辨率：空间分辨率和时间分辨率。随着磁场更加均匀，电子器件变得越来越灵敏，MRI扫描的空间分辨率会增加。目前，MRI扫描只可以看到在几分之一毫米内的点或像素。但是每一点可能包含成百上千个神经元。新的扫描技术会进一步减少这个尺寸。这种方法的最终发展会创建一个类似磁共振成像（MRIlike）的机器，能识别单个神经元和它们的连接。

磁共振成像（MRI）机的时间分辨率也是有限的，因为它们分析的是含氧的血液在大脑中的流动。机器本身具有很好的时间分辨率，但追踪血液流动使它慢下来。在未来，其他的MRI机将能够找到与神经元的激活更直接连接的不同的物质，从而实现心理过程的实时分析。过去的15年的成功无论多么壮观，然而，它们还仅仅是对未来的尝试。

新的大脑模型

从历史上看，随着每一个新的科学发现，就伴随出现一种新的大脑模型。最早的大脑模型之一是“矮人”（homunculus），一个小人居住在人的大脑内并做出所有的决定。这种模型不是很有帮助的，因为它没有解释在矮人大脑里发生了什么。也许在矮人的大脑里还藏着一个矮人呢。

随着简单的机械装置的到来，又提出了一个机械大脑模型，比如一个时钟，大脑好比一个有机械齿轮和传动装置的时钟。这个比喻对列昂纳多·达·芬奇（Leonardo da Vinci）这样的科学家和发明家来说是有用的，他实际上设计了一个机器人。

19世纪末，蒸汽动力创造了新的帝国，又出现了另一个类比，即一个蒸汽发动机模型，能量以彼此竞争的方式流动。历史学家们猜测，这种水力模型影响了西格蒙德·弗洛伊德（Sigmund Freud）对大脑的描述，他认为在大脑中有三种力在不断地斗争：自我（代表自己和理性思维），身份（代表压抑的欲望），超我（代表我们的良心）。在这个模型中，如果由于这三种力之间的冲突而产生太大的压力，整个系统就有可能衰退或普遍崩溃。这个模型是巧妙的，连弗洛伊德自己也承认，它需要在神经元级别对大脑进行详细的研究，这将需要又一个世纪。

在20世纪早期，随着电话的出现，另一个类比又浮出水面，即大脑像一个巨大的交换机。大脑是一个连接到一个巨大网络的电话线网。意识是一长排的电话话务员坐在一个巨大的开关面板前，不断地插入和拔出电线。不幸的是，这个模型没有讲到这些信息是怎样连接在一起形成大脑的。

随着晶体管的出现，另一个模型成为时尚：计算机。传统的开关站被含有数以百万计晶体管的微芯片取代。也许，“心灵”只是一个运行在“湿件”（wetware，即脑组织而非晶体管）上的软件程序。该模型持续了很长时间，一直到今天，但它有其局限性。晶体管模型不能解释大脑是如何进行计算的，因为大脑所做的计算将需要一个像纽约市大小的计算机才能完成。而且大脑没有程序，没有Windows操作系统或奔腾芯片。（同时，有奔腾芯片的PC机的运行速度是非常快的，但它有一个瓶颈。所有的计算都必须通过这个单一的处理器。大脑是相反的。每个神经元的激活是相对缓慢的，但它有1 000亿个神经元同时处理数据，因此远远弥补了这个缺陷。一个缓慢的并行处理器可以打败一个非常快的单一处理器。）

最新的类比是互联网，它将数十亿台计算机连接在一起。在这种描述中，意识是一种由数十亿个神经元集体行动而奇迹般产生的“自然发生”现象。（这种描述的问题是，它完全没有讲到这个奇迹是怎样发生的。它用混沌理论这块地毯将大脑的所有复杂性掩盖起来。）

毫无疑问，这些类比有真理的内核，但没有人真正捕捉到大脑的复杂性。然而，对于大脑，我发现有一个大脑的类比是有用的（尽管还不是完全适用），将大脑比喻成一个庞大的公司。在这个比喻中，有一个庞大的官僚机构和管辖权限，在不同的办公室间有大量的信息流动渠道。但重要的信息，最终在首席执行官所在的指挥中心汇集起来，做出最后的决定。

如果将大脑比喻为大公司是有效的，那么它应该能够解释大脑的某些特征：

· 大多数的信息是“潜意识”的 ——也就是说，首席执行官对在官僚机构内不断流动的、庞大的和复杂的信息一无所知。事实上，只有一小部分的信息最终到达首席执行官的书桌前，可以把它比作前额叶皮层。首席执行官只需要知道足以引起他注意力的信息就够了；否则，他会被巨量的无关的信息吞没。

这样的安排可能是进化的一个副产品，因为我们的祖先在面对紧急情况时，如果不这样做，就会被在大脑中泛滥的多余的潜意识信息所压垮。幸运的是，我们对在我们的大脑中处理的数以万亿的计算全然不知。当在森林里遇到一只老虎时，我们不再会为我们的胃、脚趾、头发……的状态而烦心。所有的心思就是怎么逃跑。

· “情感”是在低级水平上独立做出的快速决定。 因为理性思维需要几秒钟，这意味着对紧急情况做出理性响应是不可能的；因此在大脑的低级区域，必须迅速地审时度势，做出一个情感决定，而不需高层的许可。

害怕、愤怒、恐惧这样的情绪都是在一个较低级别做出的瞬间的危险信号，是由进化所产生的，以警告指挥中心可能有危险或严重的情况发生。对情绪我们只有微弱的意识控制。例如，无论我们如何练习，面对大量听众演讲时，我们仍然会感到紧张。

《映射思想》（Mapping the Mind， 又译《大脑的秘密档案》 ）的作者丽塔·卡特（Rita Carter）写道：“情感根本不是感觉，而是一组扎根在身体里的生存机制，它已经发展到使我们远离危险和推动我们去发现可能是有益的东西。”

· 大脑中有不断的争吵想要引起首席执行官的注意。 不是由单一的矮人、CPU或奔腾芯片做出决策；而是指挥中心的各个分中心在彼此不断地互相竞争，争夺首席执行官的注意。所以思想不是流畅的、稳定的和连续的，而是不同的反馈回路不和谐地互相竞争。认为是“我”作为一个单一的、统一的整体在连续做出所有决策，是一种我们自己的潜意识心灵造成的错觉。

我们在心理上感到我们的心灵是一个单一的实体，连续流畅地处理信息，完全负责我们的决策。但从大脑扫描得出的画面与我们所有的心灵的感受完全不同。

麻省理工学院的马文·明斯基教授是人工智能的奠基人之一，他告诉我，我们的头脑更像是一个“思想的社会”，有不同的子模块，每一个模块试图与其他模块竞争。

当我采访哈佛大学的心理学家史蒂文·平克（Steven Pinker）时，我问他，意识是如何从这些混乱中出现的。他说，意识就像一场暴风雨在我们的大脑中肆虐。他详细地阐述了这一点，他写道：“我们直观地感觉有一个执行官‘我’，坐在我们的大脑控制室里，扫描我们感官的印象和按动我们肌肉的按钮，这是一种错觉。意识原来是由分布在大脑中的事件的漩涡组成的。这些事件彼此争夺，想得到大脑的注意，当一个过程叫唤得比别的响时，大脑据理解释来自事实的结果，并炮制了一个单一的自我负责这一切的印象。”

· 最后的决定由指挥中心的首席执行官做出。 几乎所有的官僚机构致力于为首席执行官积累和收集信息，但首席执行官只与各部门的主管接触。首席执行官试图调解涌进指挥中心的互相冲突的信息。冲撞在这里停止。位于前额叶皮层的首席执行官做出最后的决定。大多数的决定是由动物的本能做出的，而人类在筛选来自我们感官的不同机构的信息后，做出更高级别的决定和更高层次的决策。

· 信息流是分层的。 由于大量的信息必须上传到首席执行官的办公室，或下传到支持人员，因此信息必须安排在嵌套的网络的复杂阵列中，具有许多分支。这就好比一棵松树，指挥中心在顶上，金字塔的树枝向下流动，扩展到许多分中心里。

当然，在官僚机构与思想结构之间是有差异的。任何官僚机构的第一条规则是：“机构要扩大到将分配给它的空间填满。”但是浪费能源是大脑不能承受的一种奢侈。大脑仅消耗大约20瓦的功率（一盏昏暗的电灯泡功率），但这可能是在身体变得不正常之前可以消耗的最大能量。如果它产生更多的热量，就会造成组织损伤。因此大脑经常使用快捷方式节能。我们将在本书中看到我们尚不知晓的、由进化所精心制作的大脑节能的聪明和灵巧的装置。

“现实”是真的吗？

每个人都知道“眼见为实”这句话。然而我们看到的很多东西实际上是错觉。例如，我们看到的一个通常的景观，看上去似乎是一个完整的像电影一样的场景。事实上，在我们的视野中有一个漏洞，对应视网膜中的视神经的位置。无论我们往哪儿看都会看到这个难看的大黑斑。但是我们的大脑用裱糊的办法，用平均的办法填平了这个洞。这意味着我们的视觉的一部分实际上是假的，是由我们的潜意识产生的、欺骗我们的假象。

同时，我们只看到我们的视野中心，称为黄斑，很清晰。但黄斑外周部分是模糊的，这是为了节约能源。但是，黄斑是非常小的。为了在微小的黄斑内捕捉尽可能多的信息，眼睛不断地扫视周围。我们眼睛的这种快速运动被称为扫视运动。所有这一切都是下意识的，给我们一个我们的视野是清楚的和聚焦的错误印象。

当我还是个孩子的时候，我第一次在一张图中看到电磁频谱，极其绚丽，我很震惊。之前我完全不知道电磁频谱的很大一部分是我们完全看不见的（例如，红外线、紫外线、X射线、伽马射线）。我开始意识到，我的眼睛所看到只是一个小小的、现实的粗略近似。（有句老话：“如果现象和本质都是一样的东西，就不需要科学了。”）我们视网膜上的传感器只能检测到红色、绿色和蓝色。这意味着，我们从来没有见过黄色、棕色、橙色和许多其他的颜色。这些颜色确实是存在的，但是我们的大脑只能够通过混合不同量的红、绿、蓝才能近似其中的每种颜色。（你如果非常仔细地看一个老的彩色电视屏幕，你就可以看到这一点。你只看到一组红、绿、蓝点。彩色电视实际上是一种错觉。）

我们的眼睛也在愚弄我们，以为我们可以看到深度。我们眼睛的视网膜是二维的，但是因为我们有两个相距几英寸的眼睛，所以左脑和右脑合并这两个图像给我们一个虚假的三维错觉。对于更远处的物体，通过观察当我们的头移动时它如何移动，可以判断它有多远。这就是所谓的视差。

（这个视差可以解释这样一个事实：孩子们有时会抱怨“月亮在跟着我走”。因为大脑难以理解像月球这样遥远物体的视差，因此仿佛月亮总是在他们“身体”后面的一个固定距离上，但它只是一种由大脑取捷径引起的现象。）

裂脑悖论

在奇特的裂脑患者的病例中，可以看到大脑的实际结构不同于一个公司的企业层次结构。大脑的一个不寻常的特点是，它有几乎相同的两半，或称半球，左半球和右半球。科学家们一直在想，为什么大脑要有这种不必要的两个半球呢，因为大脑即使去除一个半球仍可以运作。正常的企业层次结构没有这种奇怪的特征。此外，如果每个半球都有意识，这是否意味着在我们的头颅中有两个独立的意识中心呢？

加州理工学院的罗杰·沃尔科特·斯佩里（Roger W.Sperry）博士获得了1981年的诺贝尔奖，他显示大脑的两个半球是不准确的彼此的复制品，但实际执行不同的任务。这一结果在神经学中引起轰动（也催生了一个引起怀疑的自助书籍的作坊式行业，主张将左脑、右脑的二分法用到你的生活中）。

斯佩里是治疗癫痫的医生，这些癫痫病人患有由于两个半球之间的反馈回路偶尔失去控制引起的癫痫大发作。就像一个麦克风，由于一个反馈回路失控，它在我们耳边尖叫一样，这种发作可能会危及生命。斯佩里医生开始通过切断连接两个大脑半球的胼胝体，使它们不再沟通和共享身体左侧与右侧之间的信息。这通常停止反馈回路和癫痫发作。

首先，这些裂脑患者似乎完全正常。他们是敏捷的，可以进行自然的对话，好像什么也没发生。但是仔细地分析这些人表明，这些人有一些地方是很不同的。

通常情况下，当思想在两个半球之间来回流动时，两个半球是相辅相成的。左脑偏重于分析和逻辑思维。发现左脑是具有语言技能的地方，而右脑更具有整体性和艺术性。但是左脑是占主导地位的，作出最后决定。命令从左脑通过胼胝体传到右脑。但如果连接被切断，这意味着右脑现在摆脱了左脑的控制。也许右脑可以有它自己的与占主导地位的左脑的愿望相矛盾的意志。

总之，在一个头颅内可能有两个意志在活动，有时候相互斗争以争夺对身体的控制权。这就产生了奇异的情况，左手（由右脑控制）好像是外星人的附属物一样，开始独立于你的愿望行动。

有一个病例记录，病例中的人想用一只手拥抱他的妻子，却发现自己的另一只手在做完全不同的事，它递了一个钩子到她的脸上。另一个女人说，她用一只手挑选一件衣服，却发现自己的另一只手抓住一件完全不同的衣服。还有一个人晚上睡觉时难以入眠，以为他的另一只反叛的手会掐死他。

有时，裂脑病人认为他们是生活在一个卡通世界里，一只手试图控制另一只手。医生有时称此为异手症（ 又称奇爱博士症 ），因为在这部《奇爱博士》电影的一个场景中，一只手对抗另一只手。

斯佩里医生在详细研究裂脑患者后得出结论，在一个单一的大脑中可能运行着两个不同的意识。他写道，每个半球“的确是代表这个半球的意识系统的，知觉、思维、记忆、推理、意愿、情感，在特征上全都在一个人的水平上，还有……左半球和右半球可能是同时有意识的，两种思维是不同的，甚至是相互冲突的，思维的体验是平行运行的”。

当我采访加利福尼亚大学圣芭芭拉分校的迈克尔·加扎尼加（Michael Gazzaniga）医生，一位裂脑患者研究的权威时，我问他，怎样做实验才能检验这一理论。他告诉我，有各种各样的办法与每个半球分别沟通而无须知道另一半球的情况。例如，戴上特殊的眼镜可以让每只眼睛分别看到提出的问题，就可以容易地针对每个半球提问。困难的是要从每个半球得到答案。因为右脑不能说话（语言中枢仅位于左脑），所以很难从右脑得到答案。加扎尼加医生告诉我，为找出右脑在思考什么，他创建了一个实验，在这个实验中采用拼字的办法可以让不会说话的右脑“说话”。

他开始询问病人的左脑，他毕业后想做什么。病人回答说他想成为一名绘图员。但当他问病人右脑同样的问题时，事情变得很有趣了。不会说话的右脑拼写出来的话是：“赛车手”。右脑不让占主导地位的左脑知道他对未来有一个完全不同的想法。右脑确实有它自己的想法。

丽塔·卡特写道：“这其中的可能含义是意识相互斗争。这暗示着在我们的头颅里可能都有一个一言不发的俘虏，他有着与我们日常所相信的我们所具有的完全不同的人格、野心和自我意识。”

常常听到“在他的内部有人渴望得到自由”的说法也许是有道理的。这意味着大脑的两个半球甚至可能有不同的信仰。例如，神经学家V.S.拉玛钱德朗描述了一个裂脑患者，当问他是不是基督徒时，他说他是一个无神论者，但他的右脑宣称他是一个信徒。显然，有可能有两种对立的宗教信仰居住在同一个大脑中。拉玛钱德朗继续说：“如果这人死亡，会发生什么呢？难道一个半球去天堂而另一个去地狱吗？我不知道答案。”

（这是可以想象的，因此，一个有裂脑人格的人可能在同一时间既是共和党人也是民主党人。如果你问他，他会投票支持谁，他会给你他左脑的候选人，因为右脑不能说话。但你能想象在投票站里，当他只能用一只手拉动操作杆时所造成的混沌状态。）

谁负责？

有一个人花了相当长的时间，做了大量的研究，以理解潜意识问题，这个人就是戴维·伊格尔曼（David Eagleman）医生，位于休斯顿的贝勒医学院的神经学家。在我采访他时，我问他，如果我们的心理过程是潜意识的，那么为什么我们不知道这一重要事实呢？他给出了一个年轻国王的例子来解释：这个国王继承了王位，以诚信对待王国中的每一件事情，但对维持王位所需要的成千上万的职员、士兵和农民却一无所知。

我们对政客、婚姻伴侣、朋友和未来的职业选择，都受那些我们不知道的事情的影响。（例如，他说这是一个很奇怪的结果，“取名为丹妮丝［Denise］或丹尼斯［Dennis］的人很可能成为牙医［dentists］，取名为劳拉［Laura］或劳伦斯［Lawrence］的人更可能成为律师［lawyers］，而名为乔治［George］和乔治娜［Georgina］的人成为了地质学家［geologists］”。）这也意味着我们所认为的“现实”只是一个大脑填补空白的近似值。我们每个人看待现实的方式都会略有不同。比如，他指出：“至少人类女性的15%成员拥有基因突变，赋予她们一种额外（第四种）类型的色彩光感受器细胞，这使得她们能够辨别我们大多数只有三种色彩光感受器细胞的人看上去完全相同的颜色。”

显然，我们了解的思想力学越多，出现的问题也就更多。当心灵的指挥中心面对一个叛逆的影子指挥中心时，到底发生了什么？如果它可以一分为二，我们所说的“意识”到底是什么？而且意识与“自我”以及与“自我意识”之间的关系又是什么？

如果我们能回答这些问题，那么也许将为理解非人类的意识，如机器人和来自外层空间的外星人的意识铺平道路，例如，哪些可以与我们完全不同。

因此，让我们现在对这个看似颇为复杂的“意识是什么”的问题提出一个明确的答案。 3QrP9kJLHfsxpnABGERg0wVQOdWugo5wn9/xU3EYk50vLfQBlsBgv1UeWxQDZ87W