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自古以来，人们就对自己怎么会有一个内心世界，为何会有知觉与记忆，怎么会有七情六欲，如何能与他人心意相通，怎样知道自我……感到无比好奇。无数哲人贤士冥思苦想，企图寻找答案。在古代，科学和技术都不发达，人们只能靠内省和思辨，这自然很难得出正确的回答。比较靠谱的是，观察脑外伤病人所表现出来的行为异常，这种方法直到现在依然是启发科学家深入研究脑功能的重要手段。不过，古人缺乏科学的观察手段，更不知道主动设计实验去检验自己的猜想，所以即使有正确的思想火花，也很难区分它和其他猜想孰是孰非。直到文艺复兴时期，科学实验的方法成为科学研究的主流，科学家才开始通过实验来研究脑，这是脑研究上的一大飞跃。20世纪中叶，数理科学的蓬勃发展使脑科学对观察和实验结果从描述阶段提升到理论分析的探索阶段，而这则是脑科学的又一次飞跃。
脑科学的发展主要是由问题驱动的，人们试图回答前面所讲的种种问题；但是能不能回答这些问题，则取决于有没有合适的研究手段可以用来发现事实和检验猜想。虽然在脑科学史中很少有人谈起新技术的发明者及新技术的影响，但是适于脑研究的新技术的出现及运用才是其取得飞跃的前提条件。在本书中我们会看到，正是显微镜技术的发展和高尔基（Gamillo Golgi）发明的染色法，推动了卡哈尔（Santiago Ramó n y Cajal）提出神经元学说，奠定了现代神经科学的基础；放大器和示波器等电子技术的发展，催生了电生理学，使深入研究神经系统功能机制成为可能；20 世纪下半叶，分子生物学技术的发展，催生了分子神经生物学，使研究脑机制的分子机制成为可能；脑成像技术的发展则是认知神经科学诞生的前提；计算机技术的发展则使计算神经科学得以蓬勃发展；等等。未来的脑科学革命很可能也是以新技术的开发为前导。所以，像美国“脑计划”这样的超大型计划在第一阶段把完善现有技术和开发新技术作为重点，也就不足为奇了。
不过，光有技术并不能自然而然地使脑科学研究取得突破，要想解决问题还需要有科学家提出真正突破前人窠臼的新思想和假说，把正确的技术用在正确的问题上，再通过实践加以检验。比如，解剖学家维萨里（Andreas Vesalius）以亲手解剖得出的证据，公开宣布盖仑（Claudius Galen）错了，打破了统治欧洲十几个世纪的盖仑学说；再如，卡哈尔通过大量观察和种种间接证据提出神经元学说，打破了此前占统治地位的认为神经系统是一张网的错误认识。勒维（Otto Loewi）则以一个实验提出神经细胞是通过释放化学物质对其他组织起作用的假说，打破了之前普遍接受的“火花”（电）学说，如此等等。
无论是新技术的发明者，还是新思想及新假说的提出者，他们都在脑科学的发展历史中留下了浓墨重彩的一笔。正是这些敢于创新、勇于探索的科学家们，凭借其无穷的好奇心、不折不挠的毅力、对认定目标的执着和广博的知识，披荆斩棘，才使我们对脑科学有了一定程度上的认识。他们的杰出贡献与奋斗故事亦汇聚成人们不断认识脑与心智发展的洪流。在某种意义上，一部脑科学的发展史亦是一部脑科学家们的奋斗史。
为了让读者对人类如何认识心智的过程找到一条比较清晰的脉络，对脑科学有一个宏观的了解，本书将其发展分成彼此交织的三个部分，每个部分以所述领域的发展史为经线，选取部分对相关领域做出重大贡献的科学家，将其生平及科学发现的故事加以还原，希望读者由此展开一场别开生面的认识心智的愉快之旅！
本书的篇章结构是以人物来安排的，为了让读者在一开始就对其中所涉及的知识背景有一个宏观的了解，避免“只见树木不见森林”，下面我将从脑科学史的角度，做一简单概述。
本书第一篇介绍的是人们对心智所在地的物质基础的认识。在这里可以解决的问题包括但不局限于以下几个：
1.心智的所在地究竟是脑还是心？要知道，在谈到心智时，我们首先会遇到这个问题。长期以来，人们普遍相信心智的所在地是心脏。这种信念的印象是如此之深，其烙印一直沿袭到我们今天的文字中，“内心”“心灵”“心智”就是明证。直到 17 世纪 50 年代，英国医生威利斯（Thomas Willis）在前人研究的基础上，通过对行为异常的病人的临床观察，以及在这些病人死后对其脑的尸检所做的对照研究，给出了明确且可信的回答：脑是心智的栖息地。
2.完成某种脑功能究竟需要全脑，还是只需要部分的脑？18世纪末以前，人们普遍认为大脑皮层是一个单一的器官。最先明确提出不同脑功能定位在脑的不同区域之思想的是德国解剖学家、生理学家加尔（Franz Joseph Gall），但他的脑功能定位思想仅是一种假设，并无实验证据。真正使脑功能定位学说得到世人承认的是法国医生布罗卡（Paul Broca），他对失语症患者的观察和对其死后的尸检报告表明，患者在脑左半球额叶和颞叶邻接处有一块明显病变，进而提出大脑皮层是有功能定位的。1873年，德国医生韦尼克（Carl Wernicke）收治了一位脑卒中患者，他能说会听，但就是听不明白别人的话。待患者去世后，韦尼克对他进行了尸检，发现患者脑的顶叶和颞叶后方的交界处有病变，于是断定该区域负责对语言的理解，再次验证了脑皮层有功能定位的说法。1909年，德国神经学家布罗德曼（Korbinian Brodmann）根据皮层各个部位细胞构筑的细微差别，按自己研究的先后顺序命名了大脑皮层的 52 个分区。后来科学研究表明，这种基于组织学的分区在功能上也有意义。20世纪下半叶，美国神经科学家斯佩里（Roger Wolcott Sperry）和他的学生加扎尼加（Michael S.Gazzaniga）的工作则明确了大脑两半球在功能上确实存在分工。现在总的说来，科学家一般倾向于认为，除了简单的功能可能确实精准定位于某块脑区外，绝大多数稍微复杂一点的功能都需要多个脑区协同工作，然而并不需要全脑的参与。那么意识——这种极端复杂的功能——究竟需不需要全脑参与呢？很遗憾，这一问题至今仍未得到解决。
3.脑究竟是由一个个相对独立的细胞组成的，还是一张连通的网？1665 年，英国科学家胡克（Robert Hooke）用显微镜观察一薄片软木切片，发现其由许多小室构成，他把这些小室称为细胞。1839年，德国动物学家施旺（Theodor Schwann）认为，无论动物还是植物，都是由一个个相对独立的细胞构成，建立了细胞学说。人们用显微镜观察了脑组织，发现其中有像细胞体这样的节点和大量纤维，但苦于没有合适的染色技术，未能看到完整的神经细胞。直到 1873年意大利住院医师高尔基发明了以其名字命名的染色法，才把整个神经细胞染上了色，并认为神经系统是一张网而不是由相对独立的神经细胞构成。对此，西班牙医生卡哈尔不这样认为，他改进了高尔基染色法，观察了大量不同神经组织的切片，提出神经系统和其他生物组织一样都是由一个个相对独立的神经细胞（后来被称为神经元）组成。有意思的是，观点针锋相对的高尔基和卡哈尔竟在 1906 年同时获得了诺贝尔奖，他们甚至在颁奖典礼上“对簿公堂”。日后的研究肯定了脑确实是由一个个神经细胞组成的，但是也有少数细胞相互之间能直接交流物质和电信号。
4.在知道脑是由一个个神经细胞组成之后，那么接下来的问题是，信息如何在神经细胞中传导？不同的细胞是如何进行交流的？在古代，人们相信人的精神活动是由于有一种神奇的“精气”在体内运行，所以无论心智的栖息地是脑还是心脏，人们都倾向于相信神经是某种中空的管道。然而，1674 年，列文虎克（Antonie van Leeuwenhoek）用刚发明不久的显微镜观察牛视神经的断面时，却没有发现任何空心管道。18 世纪末，意大利医生伽伐尼（Luigi Galvani）不仅发现用电刺激神经能使其所支配的肌肉收缩，而且还发现用一根神经的断面接触另一根神经也能使后者所支配的肌肉收缩，电成了取代精气的候选者。1868年，德国生理学家伯恩斯坦（Julius Bernstein）用自己发明的仪器记录到神经上传播的神经脉冲。没有受到任何刺激的神经，为何会在细胞膜内外存在基础电位差？伯恩斯坦借用当时物理化学家能斯特（Walter Nernst）等人提出的当半透膜两侧溶液中的离子浓度不同时扩散作用所造成的电位差公式来解释了这一现象。但是，当他试图以刺激使半透膜对所有离子都开放来解释神经脉冲的成因时，却解释不了神经脉冲的超射现象。1913 年，英国生理学家阿德里安（Edgar Douglas Adrian）发现了神经脉冲发放的全或无定律。在前人的基础上，英国生物物理学家霍奇金（Alan Lloyd Hodgkin）和赫胥黎（Andrew FieldingHuxley），通过实验和理论建模建立了举世闻名的霍奇金-赫胥黎模型，解决了伯恩斯坦未能解决的问题，揭示了神经脉冲在单个神经细胞中产生和传播的机制。至于不同神经细胞之间如何交换信息，这一问题又在几位诺贝尔奖得主之间展开了激烈的讨论，其中包括谢灵顿（Charles Scott Sherrington）、埃克尔斯（JohnCarew Eccles）、勒维和戴尔（Henry Dale）。一方认为是通过电信号交换信息，而另一方则认为是通过化学信号交换信息，这就是科学史上著名的“火花”与“汤”之争。
本书的第二篇介绍的是如何感知外部世界。动物需要从环境中获取信息，以觅取食物，躲避敌害，寻找配偶，等等，只有这样才能维持个体的生存和种族的绵延。其中，从环境中获取外界信息依赖的是各种各样的感官，无怪乎人们常常把感官称为“心灵之窗”！对感官的研究最初也仅限于对现象的观察。其中，对视觉的研究几乎和对脑的研究同时开始。在公元前 500年前后，克罗托纳的阿尔克迈翁（Alcmaeon）解剖了感觉神经，并描述了视神经，这才开创了通过解剖观察感官结构的先河。在之后的 2000 余年中，人们陆续对外周视觉系统的解剖有了发现，如发现了视交叉（公元100年）、晶状体相对于虹膜的位置（1601 年）、中央凹（1782 年）等。当然，在此期间人们间或也有某些视觉功能上的发现，如发现晶状体对光进行聚焦，而视网膜是形成图像的地方（1583年）；视网膜上的图像是倒立的（1587年）；等等。以思辨和解剖观察为主的研究一直延续到20世纪初期，不过在19 世纪感官的解剖研究已全方位铺开，这为 20 世纪二三十年代（此时正值电子技术蓬勃发展时期，实时记录变化迅速的微弱神经电变化已成为可能）之后的感官机制研究提供了充分的准备条件。阿德里安、巴特利（S. Howard Bartley）和哈特兰（Halden Keffer Hartline）应势而为，及时把电子管放大器和示波器用到实验研究中，成了把电子技术应用于神经科学的先驱。谢灵顿和哈特兰等提出了感受野的概念，随后，库夫勒（Stephen Kuffler）发表了关于猫视网膜神经节细胞中心—周边型感受野的工作。休伯尔（David Hunter Hubel）和维泽尔（Torsten N. Wiesel）研究了视觉皮层对线条朝向敏感的细胞以及视觉皮层可塑性和临界期，他们还把芒卡斯尔（Vernon Benjamin Mountcastle）在体感皮层上发现的功能柱组织推广到了视觉皮层。视觉研究取得了突飞猛进的进展。而在听觉、嗅觉及痛觉方面，科学家也有了极富科学价值的发现。如20世纪30年代，冯·贝凯希（Georg von Bé ké sy）对耳蜗功能进行了详细研究；20世纪60年代，弗里曼（Walter J. Freeman）就嗅球对气味的分析做了系统研究，提出脑不仅对外来信息进行处理，而且还根据其经验提取意义；20 世纪末，巴克（Linda B. Buck）和阿克塞尔（Richard Axel）成功地应用分子生物学方法解决了嗅觉识别的分子机制问题，成为通过分子生物学研究解决感觉机制的范例；1965年，梅尔扎克（Ronald Melzack）和沃尔（Patrick D.Wall）提出疼痛的门控理论；我国张香桐院士也在痛觉研究方面做出了开创性的研究，提出了针刺镇痛机制；等等。2021 年，尤利乌斯（David Julius）和帕塔普替安（Ardem Patapoutian）因发现温度觉和触觉受体而获得诺贝尔奖。这样，在研究接受外界刺激的几乎所有感觉系统的领域都有科学家获得诺奖。直至今日，感知觉研究依然是脑研究中最活跃的领域。
脑研究的初衷和最后目标都是为了认识人类自己的心智，本书的第三篇将集中介绍 20 世纪以来的心智研究，其中最多的内容是记忆，也涉及脑的偏侧化和意识问题。
在20世纪的上半叶，一些科学家由于无法观察脑内的心智活动，认为科学只能研究可客观观察的行为，这被称为“行为主义”，其中的代表人物为巴甫洛夫（Ivan Petrovich Pavlov）和斯金纳（B. F. Skinner）。前者深入研究了经典条件反射，后者研究了操作条件反射，他们的工作为研究动物的行为做出了重大贡献。但是行为主义的科学家中也有些人走向极端，认为根本就不存在心智，科学所能研究的只有行为。一直到 20 世纪下半叶，由于发明了各种各样的脑成像技术，使得科学家可以直接观察到当被试在执行某种智力任务时，脑内的哪些部位在发生变化，这样才又把心智研究回归到脑研究主流之中，并形成了认识神经科学这一领域。需要注意的一点是，脑成像技术主要是回答“在何处”的问题，而“在何处”并不等于“为什么”和“怎样”。为了回答后两个问题，看来还需要新的技术。
在记忆研究方面，20 世纪上半叶，拉什利（Karl Lashley）通过毁损鼠不同部位、不同面积的皮层，观察其学习在迷宫中找到目标所需的时间或成功率，发现后者与毁损的部位无关，而取决于毁损的面积，因此他认为记忆并没有特定的部位，而是广泛发布在皮层各处。他的这一结论曾被广泛接受，后来人们才发现他的问题出在像迷宫探路这样的任务涉及许多不同的感觉模态，所以一种模态的损伤可以为其他模态所弥补。对拉什利的理论提出挑战的首先是英裔加拿大神经科学家米尔纳（Brenda Milner）。她的研究说明了记忆有不同的类型，不同类型的记忆储存在脑的不同部位，从而推翻了拉什利的学说。正是她的工作激励了犹太裔美国神经科学家坎德尔（Eric Kandel）对记忆机制进行了深入的研究。坎德尔发现，短期记忆和突触变化有关，而长期记忆还要牵涉蛋白质的合成和新突触的形成。1973年，布利斯（Timothy Bliss）和洛莫（Terje Lomo）发现了记忆的突触长时程增强机制。其实，加拿大心理学家赫布（Donald Olding Hebb）早在 1949年就提出了有关学习记忆可能是突触联系强度变化的结果的思想。不过，他当时提出的只是一种假说，直到坎德尔和洛莫等人才给出了实验证据。有关空间记忆的最突出的成就是英国神经科学家奥基夫（John O'Keefe）发现了位置细胞，以及挪威科学家爱德华·莫泽（Edvard Moser）和梅布里特·莫泽（May-Britt Moser）发现的网格细胞。
大量证据提示：记忆是一种重组过程。这可能造成记忆错误，但是，在另一方面也使创造性成为可能。
在情绪研究方面，1848 年美国铁路建筑工头盖奇（Phineas Gage）因意外事故，造成前额叶损伤，性情大变，使得本以为没有显著功能的前额叶皮层引起了人们的注意。20世纪30年代，帕佩兹（James W. Papez）的研究使人们认识到脑干周围的皮层区域，特别是杏仁体和情绪有关。
意识问题可以说是科学研究最后的边疆，由于意识问题的特殊性在于它的主观性，与研究客观对象相比存在很大差异，因此长期以来，人们只是限于内省和思辨，很难得出经得起检验的共识。得益于神经科学的发展和脑成像等新技术的出现，20世纪90年代，经过包括诺奖得主克里克（Francis Crick）和埃德尔曼（Gerald Mauric Edelman）等在内的许多神经科学家的倡导，才使对意识的自然科学研究成为当前研究的热点。
那么，人类现在对意识研究到什么程度了呢？是否像某些人乐观地认为的那样，在未来50年内我们就能解开心智之谜之中最难解的号称“世界之结”的意识？在几十年内就能成功复制出人脑？这是很多人非常关心的问题。在此，笔者想引用美国神经科学家弗里曼的一段话：“我们就像那些‘发现’美洲的地理学家一样，他们在海岸上看到的并不只是一串小岛，而是有待探险的整个大陆。使我们深为震惊的与其说是在脑如何思考的问题上我们做出的发现之深度，不如说是我们所承担的阐明和复制脑高级功能的任务是何等的艰巨。”的确，我们现在还只是站在脑科学新大陆的海岸边，极目眺望着这片广袤无际的处女地。不过无论如何，我们总算已经远渡重洋来到了这里，并且有了块基地。这也正是脑和心智之谜无穷的魅力所在，亦是无数科学家坚持不懈、上下求索的动力！
说到科学家，人们常常会想当然地认为，他们是一群智商卓绝的天才，或者出身名门望族，家学渊源，但事实并非总是如此。看完本书读者不难发现，书中所介绍的29 位脑科学家，他们中固然不乏神童和学霸，但也有问题少年、街头儿童、文艺青年和邻家少女；既有人出身累代医学世家，也有人出身贫困移民家庭，甚至有人身世不明。不同的天资、不同的阅历，造成了他们各不相同的成功之路。如果一定要找出其共同点，那么笔者以为这些人都具有无穷的好奇心以及对认定目标的执着。在脑与心智不断认知的过程中，科学家们如何开展研究、彼此合作，如何提出问题、思考问题、解决问题，如何能在关键节点中把握时机脱颖而出……是吾等后辈需要积极汲取经验并不断感悟的。在这些治学之道方面，他们倒是也有许多共性，笔者试图在读者读完全书之后在收场白中加以归纳。希望读者阅读之后，每个人都会有各自的收获。
当然，限于笔者的水平和并非总是能找到合适讲故事的材料，某些大师的事迹未能收集在本书中，未免有遗珠之憾，这也是无可奈何的憾事。笔者只能用“The best is the enemy of the good”（过于追求完美反而得不到好结果）来自我安慰了。