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在广泛的哲学探究范围内，人类在等级上高于其他动物，因为我们有重要的心智功能优势。对渴求知识的人来说，没有什么比探究这心智功能本质更有趣的了。
——爱德华·布莱思
在过去的25年间，我十分有幸能够在认知神经科学这个新兴领域工作。本书汇集了我一生中大部分研究的精华，我会循序渐进地为你揭开大脑、心智与身体之间的神秘联系。在前面的几章中，我将讲述我对人类生来便感到好奇的内在精神生活不同方面的研究。我们如何感知世界？什么是所谓的身心相通？什么决定了你的性别身份？什么是意识？孤独症是哪儿出现了问题？我们如何解释人类特有的神秘能力，如艺术、语言、隐喻、创造力、自我意识甚至宗教情感？作为一名科学家，我受到强烈的好奇心驱使，去探索猿类大脑是如何成功进化成拥有神一般心智能力的人类大脑的。
研究这些问题的方法，是研究大脑不同部位受到损伤或有基因异常的患者，这些损伤或异常对他们的心智及行为产生了奇怪的影响。这些年我同数百名患者打过交道（有些人因此觉得自己很幸运），这些患者患有各种不同寻常的神经系统疾病。例如，有人能够“看到”音乐的声调，有人能够“尝到”他们接触到的任何材质物品的味道，有人能够感觉自己灵魂出窍，并从天花板俯视自己的身体。在本书中，我将分享这些案例的研究结果。起初，这些疾病总是令人百思不得其解，但通过恰当的实验，我们将复杂的概念变得通俗易懂，这正是科学方法的魅力所在。我曾困惑如何将自己的推想表述清楚，所以在详述每一个案例时，我将带你经历我脑中的一步步推想过程，有时我还会用大胆的直觉假想帮助你补齐知识短板。通常，当一个临床谜团被解开之时，其解释总会揭示一些正常、健康的大脑如何运作的新知识，并对我们最珍视的心智能力提出意想不到的见解。我希望身为读者的你，能够同我一样享受这有趣的旅程。
多年来一直关注我的作品的读者将会在本书中发现《脑中魅影》和《人类意识之旅》（ A Brief Tour of Human Consciousness ）两本书中提到的一些案例，同时你们也会欣然看到我对之前的发现和观察有了新的见解。在过去的15年里，大脑科学以惊人的速度发展，为几乎所有事物提供了全新的解读视角。在“硬”科学的阴影下挣扎几十年后，神经科学的时代真正到来了，其飞速发展指引并丰富了我的研究。
在过去的200年间，许多科学领域都取得了惊人的进步。在物理学领域，就在19世纪晚期的知识界宣称物理理论体系几乎完全形成的时候，爱因斯坦告诉我们，空间和时间比我们已知的哲学更加陌生；海森伯则指出，在亚原子层面，即便是我们最基本的因果概念也会崩塌。当我们从迷惘中走出时，有幸发现了黑洞、量子纠缠和其他100多个谜团，这些谜团将在未来的几个世纪里继续激发我们的好奇心。有谁会想到宇宙是由一根根弦组成，同“上帝的音乐”一起振动演奏呢？其他领域中类似的例子也有很多。宇宙学让我们看到不断膨胀的宇宙、暗物质以及无数星系等令人瞠目结舌的景象。化学用元素周期表解释世界，这给我们带来了塑料产品和大量的神奇良药。数学为我们带来了计算机，尽管许多“纯”数学家不愿看到他们的学科被这种实际用途所“玷污”。在生物学方面，人体的解剖学和生理学得到了细致的研究，驱动人类进化的机制终于开始变得清晰。自古以来困扰着人类的疾病终于揭开面纱，让我们看到了它的本来面目（而不是巫术或神的惩罚）。外科、药理学和公共卫生领域发生的革命，使得发达国家的人类寿命在短短四五代人的时间里翻了一番。20世纪50年代破译遗传基因密码这场终极革命，标志着现代生物学的诞生。
相比之下，关于神经科学的研究，例如精神病学、神经病学、心理学，在过去的几个世纪几乎毫无进展。事实上，直到20世纪的最后25年，关于知觉、情感、认知和智力的严谨理论还是空白的（色觉理论是一个例外）。在20世纪的大部分时间里，我们在解释人类行为时依据的只是两座理论大厦——弗洛伊德主义和行为主义，而这两座理论大厦却在20世纪80年代和90年代戏剧性地“倒塌”，因为彼时的神经科学终于设法跨越了青铜时代。在历史的长河里，这并不是很长的时间。与物理学和化学相比，神经科学仍然是一个年轻的新贵。但发展就是进步，这是一个多么“茁壮成长”的时期啊！从基因到细胞到神经回路再到认知，今天的神经科学的深度和广度，虽远不及最终的大统一理论，却比我刚开始在这个领域工作时有了光速般的发展。在过去的10年里，我们甚至看到神经科学变得足够自信，开始为传统上具有话语权的人文学科提供见解。例如，我们现在有神经经济学、神经营销学、神经建筑学、神经考古学、神经法学、神经政治学、神经美学（见第四章和第八章），甚至神经神学。虽然其中一些只是神经科学的炒作，但总的来说，它们正在为许多领域做出真正且急需的贡献。
这些进步令人兴奋，但我们不能自欺，必须承认目前我们对人类大脑还知之甚少。即便如此，这些发现也足以创造一个比任何福尔摩斯小说都要精彩的故事。我确信，在未来的几十年里，随着神经科学的进步，我们所经历的概念扭曲和技术转变会变得更加古怪离奇、令人费解，或者直觉上会更加震撼，也会像一个世纪前颠覆经典物理学的概念革命一样，对人类精神感到谦卑而又兴奋不已。有句格言说，“事实比小说更加精彩”，这句话用来形容大脑运作似乎尤为贴切。这些年我和同事们耐心地揭开了大脑的一些奥秘，我希望通过本书向读者传递我们所感受到的惊奇与敬畏。神经外科先驱怀尔德·彭菲尔德（Wilder Penfield）称大脑为“命运的器官”，伍迪·艾伦可能没有那么虔诚，但亦称大脑为人类“第二喜爱的器官”，希望本书能够激发你对大脑的兴趣。
尽管本书涵盖的主题广泛，但你会发现，几个重要的主题贯穿始终。其中一个主题便是，人类是真正特别的存在，而不仅仅是“另一种灵长类动物”。让我感到有些惊讶的是，这一观点居然需要辩论——不仅要驳斥反进化论者的胡言乱语，还要反驳我的不少同行，他们用一种漫不经心、不屑一顾的语气，心安理得地说我们“仅仅是猿类”，似乎陶醉于这般卑微。我有时会想，这难道就是世俗人文主义者对原罪的看法吗？
另一个主题是普遍进化论观点。如果不了解大脑是如何进化的，就无法理解大脑的工作机制。正如伟大的生物学家西奥多修斯·杜布赞斯基（Theodosius Dobzhansky）所说，“如果生物学没有进化论做支撑，那么一切将变得没有意义”。这与其他大多数逆向工程问题形成了鲜明对比。例如，当伟大的英国数学家阿兰·图灵破解纳粹的恩尼格玛密码机（一种用来加密和解密文件的设备）时，他既不需要了解设备的研发历史，也不需要了解设备原型及早期产品模型。他需要的只有这台设备的工作样本、一本记事本，还有他聪明的大脑。但在生物系统中，结构、功能和起源之间存在着深层的统一性。若仅理解其中一个方面，你的研究不会取得进展，除非你同时密切关注另外两个方面。
我在书中论证了另一观点，即人类许多独特的心理特征似乎是由大脑结构的新奇布局进化而来的，而大脑结构起初是由于其他原因进化而来的。这在进化过程中常有发生，比如：羽毛由鳞片进化而来，而鳞片最初的功能是隔热而不是飞行；蝙蝠和翼手龙的翅膀由前肢进化而来，而前肢最初是用于行走；肺由鱼鳔进化而来，而鱼鳔最初是为了控制浮力。有许多作家主张进化的本质是机会主义和“偶然性”，其中最著名的是史蒂芬·杰伊·古尔德（Stephen Jay Gould）及其在自然史方面的著作。我认为，同样的原则也非常适用于人类大脑的进化。人类大脑进化是从根本上重新构建猿类大脑的诸多功能，以创造全新的功能。其中的一些功能是如此强大，例如语言，以至我甚至认为这些功能创造了一个超越猿类的物种，其程度就好比生命超越了平凡的化学和物理学。
因此，本书是我为破解人类大脑密码这一伟大尝试做出的微薄贡献，大脑中有数不清的联系与模块，这让它比任何恩尼格玛密码机都更加神秘。导读介绍了关于人类大脑独特性的不同观点及其历史发展，同时也是人类大脑解剖基础知识的入门部分。第一章借鉴早期许多截肢患者幻肢体验的实验，重点介绍人类大脑惊人的变化能力，并揭示一种更广泛的可塑性是如何塑造我们的进化和文化发展历程的。第二章解释大脑如何处理传入的感官信息，特别是视觉信息。在这里，我关注的仍是人类的独特性：尽管人类的大脑采用与其他哺乳动物相同的基础感官处理机制，但我们已经将这些机制提升到全新的水平。第三章讨论一个有趣的现象：联觉
。这是一种奇怪的感觉混合，有人曾有此体验，这是由大脑连接异常造成的。联觉为我们打开了一扇了解基因和大脑连接的窗，正是这些基因和大脑的连接让一些人富有创造力，也为我们探索究竟是什么让我们成为极富创造力的物种提供了线索。
接下来的三章研究的是一种神经细胞，我认为它对我们成为人类至关重要。第四章介绍这种特殊的细胞，叫作镜像神经元，它是我们接纳彼此观点、共感能力的核心。人类的镜像神经元的复杂程度远远超过任何低等灵长类动物，它似乎是一把进化的钥匙，打开了人类成熟文化之门。第五章探讨镜像神经元系统产生的问题，这些问题可能为孤独症埋下隐患，孤独症是一种以极度精神孤独和严重社交分离为特征的发育障碍。第六章探讨镜像神经元如何在人类的最高成就——语言（更严格地说，是原生语，也就是语言减去语法）中发挥作用。
第七章和第八章讲述人类对美的独特感知。一方面，我认为美学法则是普适的，跨越了文化甚至物种的界限；另一方面，艺术本身可能是人类独有的。
在最后一章中，我将尝试对所有问题中最具挑战性的问题做出回答，即自我意识的本质，它毫无疑问是人类独有的。我不想假装我已经解决了这个问题，而是会分享一些有趣的见解，这些见解是我多年来根据一些真实症状总结出来的，这些症状处于精神病学和神经学之间的边缘地带。例如，人们会暂时离开自己的身体，在疾病发作时看到上帝，或者否认自己的存在。怎么会有人否认自己的存在呢？否认本身不就意味着存在吗？他能从哥德尔
的噩梦中逃脱吗？神经精神病学充满了这样的悖论，这些悖论好像对20岁出头的我施了魔咒，那时我还是在医院的走廊里徘徊的医学院学生。我能看到这些患者的烦恼，这些烦恼一方面令人悲伤，另一方面却又能为人类理解自身的非凡独特能力提供丰富见解。
同我之前的书一样，本书也是以一种对话方式为普通读者所著。我假设读者朋友们对科学有兴趣，对人性充满好奇，但是我不会对读者的科学背景及其对我以往作品的熟悉程度做出任何假设。我希望本书能够对不同层次、不同背景的学生，研究其他领域的同行以及与这些主题无关的大众读者有所启发。因此，在写本书的时候，我面临着科普标准的挑战，那就要在简单与精确之间把握好尺度。一方面，过于简单可能会惹怒我顽固的同行，更糟糕的是，会让读者感受到一种高人一等的优越感；另一方面，过多的细节无法让非专业人士享受阅读的过程。普通读者想要的是一本有着陌生主题却能引发思考的科普读本，而不是一本专著，也不是巨著。我已尽我最大的努力在其中找到平衡。
说到准确性，首先请允许我说明，我在书中提出的一些想法是推测性的。很多章节都有坚实的学术依据，例如我对幻肢、视觉感知、联觉和卡普格拉综合征的研究。但是我也介绍了一些晦涩难懂的主题，例如艺术的起源和自我意识本质。当缺乏可靠的实证数据时，我会用有根据的猜测和直觉引导我的思考。这没有什么好羞愧的：每一个科学的新领域都必须首先以这样的方式进行探索。科学研究过程的一个基本要素是，当缺乏数据支撑，或者数据不够翔实且缺乏现有理论时，科学家们必须集思广益，开启头脑风暴。我们需要找到最好的假设、猜想甚至是轻率、不完善的直觉，之后绞尽脑汁设法验证它们。这在科学发展史上是常有的事情。例如，最早的原子的模型之一是将其比作李子布丁，电子像李子一样嵌套在厚实的原子内。几十年后，物理学家认为原子是微型太阳系，电子围着原子核有序运行，就像行星围绕着恒星一样。每一个这样的模型都很有用，都让我们更接近最终的（至少是当前的）真相。同理，在我的领域，我和同行们竭尽所能，来增进我们对一些神秘、难以解释的现象的理解。正如生物学家彼得·梅达沃（Peter Medawar）所说，“所有好的科学都来源于一个富有创造性的设想——这也许是真的”。然而，我知道，即使有了免责声明，我可能还是会让一些同行恼怒。可是，BBC（英国广播公司）董事长洛德·里思（Lord Reith）说过，“惹恼某些人是我们的责任”。
“你懂我的方法，华生。”夏洛克·福尔摩斯在解释他如何发现重要线索时说道。同样，在我们探索人类大脑奥秘之前，我也应该概述一下我的方法。首先，我采用的是广泛、多学科的方法，我的研究始终由好奇心和一个无情的问题驱使着，这个问题是“假如……将会怎样？”。虽然目前我为神经学所倾倒，但我对科学的热爱可以追溯到我在印度金奈度过的少年时期。我一直对自然现象很着迷，并首先对化学学科展现出热情。当得知整个宇宙建立在有限元素之间简单的相互作用上时，我为之神魂颠倒。后来，我又对生物学产生兴趣，尽管其复杂性令人沮丧，但它依然让人着迷。我记得我12岁时读过一篇关于美西螈的文章。美西螈本质上是一种蝾螈，已经进化到可以永久停留在水生幼虫阶段。它们通过关闭变态功能，在水中即可达到性成熟，这样它们就成功地保留住了腮（而不是像蝾螈或青蛙那样舍腮换肺）。只需要给这些生物来点儿“变态激素”（甲状腺提取物），你就可以让美西螈变成其已经灭绝且无腮的陆栖成年祖先。当读到这些内容时，我完全惊呆了。你可以回到过去，复活一种在地球上任何一个角落都不复存在的史前动物。我也知道，出于某种神秘的原因，成年蝾螈不能像蝌蚪一样让断腿再生。好奇心进一步驱使我发问，蝾螈这种“成年蝌蚪”是否像现代的青蛙一样保留了让断腿再生的能力？我想知道地球上还有多少类似蝾螈的生物存在，难道只要简单地加些激素，它们就可以恢复成自己祖先的样子？人类归根结底也是猿类进化而来的，也保留了许多猿类的特征，那我们是否喝一杯含适当激素的鸡尾酒，便能够恢复到类似直立人的祖先的形态呢？我的脑海中浮现出一连串的问题和猜想，从此便一直被生物学吸引着。
我发现世间到处充满神秘性与可能性。在18岁那年，我读过一本晦涩难懂的医学巨著，其中有一个脚注提到，当一个人患有肉瘤（一种能够影响软组织的恶性肿瘤）时，因感染引起高烧，癌症症状有时竟会大大缓解。高烧会导致肉瘤萎缩？为什么？这要如何解释？这是否有可能成为一种实用的癌症治疗手段呢？
这种联系奇特古怪、出人意料，我被其存在的可能性迷住了，同时我学到了重要的一课：不要把想当然的事情视为理所当然。很久以前，人们认为一块4磅
重的石头的落地速度，是一块2磅重的石头的两倍，没有人费心去验证这一点。直到伽利略出现，花了10分钟进行了一个简单而优雅的实验，得出一个反直觉的结果，由此改变了历史进程。
少年时期的我同样迷恋植物学。我当时想，怎样才能找到属于自己的捕蝇草，达尔文曾称它为“世界上最神奇的植物”。当你连续快速触碰捕虫夹内的两片刺毛时，它会马上关闭。双触发器使得它更有可能对昆虫的运动做出反应，而不会对随意飘落的无生命的碎屑做出反应。一旦夹紧猎物，它会保持关闭状态并分泌消化酶，但前提是它捕获到真正的食物。我很好奇，它对食物的定义是什么？因为是氨基酸成分所以才夹住吗？还是脂肪酸？又或者是其他酸？是淀粉、纯糖还是糖精？它的消化系统中的食物探测器到底有多么复杂？我那时没能拥有一个宠物，太可惜了。
母亲十分支持少年时期的我发展对科学的兴趣，她带给我世界各地的动物标本，其中一个小小的干海马，让我记忆犹新。父亲也支持我对科学的迷恋，在我十几岁的时候，他就给我买了卡尔·蔡司的研究显微镜。没有什么比通过高倍镜头看草履虫和团藻更欢乐了（我了解到团藻是地球上唯一真正带有轮子的生物）。后来，在去上大学的时候，我告诉父亲，我心向基础科学，没有什么比这更令我兴奋了。他很明智，劝我去学医。他说：“你可以成为一名二流医生，还能过上体面的生活，但你不能成为二流的科学家。‘二流’和‘科学家’是矛盾的。”他指出，如果我学医会更加稳妥一些，保持两扇兴趣大门同时敞开着，毕业后再决定是否从事研究工作。
我在神秘少年时期所追求的一切事物都有一种令人愉悦、有些过时的维多利亚式的味道。维多利亚时代在一个世纪前就结束了（确切地说是1901年），这似乎与21世纪的神经科学相隔甚远。但是我觉得有必要提及我与19世纪的这段“早期恋情”，因为它对我的思维风格和研究方式都有潜移默化的影响。
简单来说，这种风格强调概念简单、易操作的实验。作为一名学生，我如饥似渴地阅读，不仅了解了现代生物学，还了解了科学史。我记得读过迈克尔·法拉第的故事，他出身低微却自学成才，发现了电磁学原理。在19世纪早期，他在一张纸后面放置一块条形磁铁，并把铁屑撒向纸面，这些铁屑立即排列出弧线。是他，让磁场清晰可见。这一实验的直接演示证明磁场是真实存在的，而不仅仅是一个抽象概念。之后，法拉第将条形磁铁在铜线圈上来回移动，你瞧！一股电流开始穿过线圈。他证明了物理学两个完全独立领域之间的联系：磁与电。这不仅为水力发电、电动机和电磁铁等实际应用铺平了道路，更见证了詹姆斯·克拉克·麦克斯韦（James Clerk Maxwell）的深刻理论见解。法拉第以简单的条形磁铁、纸张和铜线，开创了物理学的新纪元。
我被这简单而优雅的实验所打动。任何小男孩小女孩都可以重复这样简单的实验，比如像伽利略一样扔下石头，或者像牛顿一样用两个棱镜来探索光的本质。不管是好是坏，这样的故事让我从小对技术产生了恐惧。我现在仍然觉得用苹果手机很难，但我的技术恐惧在其他方面对我大有帮助。一些同行警告我说，在生物学和物理学还处于襁褓期的19世纪，这种低科技手段可能还可行，但在如今这个“大科学”的时代就不是这样了，在这个时代，只有大型团队采用高科技设备才能取得重大进展。我不同意这一观点。“小科学”更充满乐趣，经常可以有大发现，即使只是偶尔。我早期的幻肢实验所需的仅仅是棉签、一杯温水、一杯凉水和普通镜子而已，实验结果仍让我很兴奋。希波克拉底、苏苏鲁塔（Sushruta）、我的圣人祖先巴拉德瓦贾（Bharadwaja）或从古至今任何一位医生，都能进行这些基础的实验操作。但是以前没有人这样做。
再来看看巴里·马歇尔（Barry Marshall），他的研究表明溃疡是由细菌引起的，而不是医生们曾经认为的由酸或压力造成。他通过一个大胆的实验来说服质疑他的人——他吞下幽门螺杆菌，并展示自己的胃黏膜布满令人疼痛的溃疡，然后通过服用抗生素迅速治愈。之后，他与其他研究者发现包括胃癌、心脏病在内的其他疾病也可能是由微生物造成的。在短短几周内，马歇尔运用几十年前早就存在的物料和方法，开创了医学的全新时代。2005年，他荣获了诺贝尔生理学或医学奖。
当然，我偏好低科技方法既有优点也有缺点。我享受其中的部分原因是我懒，但并不是每个人都是这样。这是件好事，研究科学需要有各种各样的风格和方法。虽然需要专门化的个人研究者，但当科学家们踩着不同的鼓点进军时，整个科学事业才会变得更加强大。同质化会产生弊端，比如理论盲点、陈腐范例、回音室效应、个人崇拜。要对付这些，科学家们各种各样的戏剧性性格便成为强有力的药剂。科学受益于其包容性：心不在焉的糊涂教授、控制狂、坏脾气且小气的统计狂人、天生的“杠精”、顽固的数据导向教条主义者，还有那些一路上跌跌撞撞从事高风险、高回报冒险事业的空想浪漫主义者。如果每一位科学家都像我一样，就不会有人潜心钻研并不断追寻真理。然而，如果每位科学家都谨小慎微，局限于既定事实，那么科学将以蜗牛爬行的速度前进，而且很难取得进展。陷入狭窄的专业死胡同，或者加入只对那些互相祝贺、互相资助的人开放的“俱乐部”，都是现代科学的职业危机。
比起大脑扫描仪和记忆测序仪，我更喜欢棉签和镜子，但我并不是故意避技术而不谈（生物学也离不开显微镜啊！）。我也许是个技术恐惧者，但我不是卢德分子
。我的观点是，科学应由问题驱动，而非由方法论驱动。当你的部门花费数百万美元购买了一台最先进的液氮冷却大脑成像设备，你便有了使用它的压力。俗话说，当你唯一拥有的工具是锤子时，一切都开始变得像钉子。但是，我并不反对高科技大脑扫描设备（也不反对锤子）。的确，如今有许多的大脑成像设备，偶尔也会有一些重大的科学发现。人们完全有理由认为，现代最先进的小发明工具箱在研究中有着至关重要和不可或缺的地位。事实上，我的低科技倾向的同事们和我经常利用大脑成像技术，但只是为了验证特定的假设。这些技术有时成功，有时失败，但当我们有所需要时，我们总是感恩高科技的存在。