序言

一位母亲正抚摸着她新生婴儿的小手指。凝视着孩子闪闪发光的眼睛，她感慨道：“我的小宝贝，你真是太不可思议了！”婴儿虽然出生于母亲的身体，却是独一无二的个体。他不仅拥有自己的手指和眼睛，而且还拥有自己的思想。他的大脑躲藏在就连他的母亲也看不到的颅骨里，但却是真正的生命奇迹——这是一台天生不停运转的超级计算机，拥有数十亿个具有电活性及弹性的“神经元”细胞，密布着数万亿可调节的网络连接。即使婴儿仍然需要父母的持续照顾，但他的大脑天生就准备好收集和存储有关世界的信息，并参考这些信息做出各种决定。他的大脑有着多种多样的能力，例如产生本能和形成经验的能力、好奇和探索未知事物的能力、实验和发明的能力、感知新事物和情感的能力，等等。此外，他的大脑对于仍处于萌芽阶段的自我意识的形成至关重要。艾米莉·狄金森（Emily Dickinson）于1862年所作的一首关于大脑的诗，可以更简单地说明这个问题：

大脑——比天空还要辽阔——

倘若——将二者互相并列——

大脑可以轻松包容那片天空——还有——你

几个世纪以来，大脑及其工作原理一直是人们好奇和研究的对象。虽然我们比以前更了解大脑，但这一器官仍然保留着许多奥秘。

人类大脑的最大奥秘之一，就是大脑最初的形成方式——从受精到分娩，大脑是如何在子宫内发育和形成的。在20世纪70年代中期，当我作为一名年轻科学家首次踏足这一领域时，人们对这个问题知之甚少，部分原因归结于这一动态过程难以被观察。但正是从那时起，发育神经生物学这一研究领域开始蓬勃发展。全世界的科学家开始使用比以往更加精密的方法，在发育生物学、进化生物学、遗传学和神经学的边缘地区进行探索，以寻找大脑起源和形成的线索。

因此，在过去的几十年里，人们见证了许多与大脑发育和进化有关的新发现。在本书中，我们将讨论这些可以帮助我们了解婴儿大脑形成的新发现。在描述这些帮助我们了解大脑发育机制的最激动人心和具革命性的实验时，我也将讲解这些实验的动机。此外，我还将说明实验是如何进展的？实验的结果和解释是什么？哪些结果出人意料、哪些解释是错误的？这些实验和我们从中获得的知识如何改变我们对大脑及其发育的看法？本书是一部科学编年史，记录了那些帮助我们了解人脑构建方式的科学历程。

我可以简单地剧透一下，本书的故事从一颗受精卵开始。这颗受精卵将发育成一个胚胎，其中的一组细胞被指定发育成大脑。然后，故事将跟随着这些细胞，它们逐渐发育成了连接大脑的神经元，正如你可能预期的那样，最终形成了一个完整的人脑。大部分故事都与细胞有关，在这一层级中，人们可以更轻松地理解大脑构建过程所涉及的步骤和基本原则。从某种角度来看，我所讲述的这个故事可能读起来有点像神经元的成长传记。本书将讨论这一过程涉及的关键问题：是什么导致这些特定的胚胎细胞发育成大脑细胞？大脑中有多少种细胞？神经元的初始形态和环境对其作为一种神经元和一个细胞个体的特定命运各有什么影响？神经元如何发育出被称为“轴突”和“树突”的线状延伸部分？它们如何形成正确的电活性连接，从而将大脑完整无误地连接起来？为什么在我们生命的最初几年，有那么多神经元自然死亡？神经元必须经历什么才能成为大脑中的永久部分？随着时间的推移，这些神经元会发生怎样的变化？尽管这个故事是以极其微小的细胞和分子为舞台，但神经元的成长历程仍然充满戏剧性，本书将带领大家揭开这一微缩世界的面纱。

与大脑发育交织在一起的另一个平行的故事可以追溯到更早的时间——人类大脑进化的故事，换句话说，也就是人类如何获得人脑的故事。这个故事也是从单个细胞开始的，但这些细胞在数十亿年前就已经存在于地球早期的原始生命中。进化和发育的故事有着相同的结局：形成完整的人类大脑。因此，这二者并非独立的线程。例如，在进化发育生物学领域的工作已经发现，许多影响大脑发育步骤的基因和分子通道与驱动人类进化步骤的基因和分子通道是相同的。因此，尽管本书主要集中于大脑的发育故事，我也会从进化的角度来提供更宽广的背景和更深刻的见解。通过大脑发育和进化起源的镜头来观察人类大脑，可以让我们对人类与生俱来的特征有更丰富的认识。

进化而来的人类基因组（人类的“先天天性”）掌握着人脑的基本构建计划，而我们与环境（“后天”）的互动可以影响和指导这一构建过程。相对地，环境的影响往往也会受到个体间遗传差异的影响。先天影响后天，后天影响先天。那些过分看重先天或后天的人往往忽视了另一个重要因素：随机性。随机事件会影响到大脑发育的各个方面。本书中给出的示例强调了基因、环境和幸运女神在大脑的形成过程中扮演的重要角色。

随着发育神经生物学家对大脑形成过程中涉及的基因和分子通道了解得越来越多，我们发现这些基因与一些已知的神经、心理和精神病症之间存在新的联系，其中一些症状出现在婴儿期和儿童期之后。大脑的形成涉及成千上万的基因和步骤，在各个环节都有可能出错。了解哪些基因和分子通道参与了大脑的构建，以及哪些基因和分子通道最终可能参与相关病症的形成，对于制定不同病症的治疗策略是非常有价值的。另一个关键的医学问题在于寻找大脑受伤或疾病后的修复方法。人类胎儿可以制造出数十亿个神经元，但成年人的大脑却失去了制造新神经元以取代因受伤或疾病而损失的神经元的能力。类似地，在发育过程中，大脑中的神经元可以正确连接，但对于成年人来说，大脑中被切断的轴突就无法再重新生长和正确连接。由于随着年龄的增长，成熟的大脑会失去再生新神经元和连接的能力，修复“破碎”的人脑就成了医学领域的重要课题之一。这是一项巨大的挑战，不仅是因为构建大脑是一项复杂而敏感的工程（正如我们将看到的），还因为其中的关键步骤大多发生在子宫中。子宫一直保守着自己的秘密，特别是在实验科学领域，我们在寻求进展时必须非常小心。尽管如此，科学家们仍在这一领域取得了非凡的进步。例如，根据从神经发育研究中了解到的知识，研究人员现在可以引导培养中的干细胞发育成大脑中特定类型的神经元，或是成为人脑类器官（微型人脑组织），用于研究大脑疾病，并寻找可以减轻痛苦的治疗方法和大脑修复策略。

人人们可能会想：了解更多有关人脑构建方式的知识，是否能够帮助我们更好地了解它的工作原理呢？虽然我们可以在不知道某样事物原理的情况下学习如何建造这样的事物，但现在我们已经拥有了大量关于大脑工作原理的科学知识，而且仍在快速增长，因此，我们已经对大脑的功能有了很好的了解。在此前提下，学习如何从头开始构建大脑，可以帮助我们更好地了解它的工作原理，具体地说，也就是信息如何在大脑中高效流动。

本书的最后一章聚焦于人类大脑是如何从我们最亲近的灵长类亲戚和原始人类进化而来的。人类的大脑与我们灭绝的祖先和在世的亲戚相比，它们之间有什么根本性的差异（如果有的话），以及这些差异是如何产生的？与其他物种的大脑相比，构建典型的现代人类大脑所必需的特殊机制是什么？无论我们出生时拥有怎样的大脑，都会因我们的经历而发生变化（特别是在童年时期），而个人信息、技能和记忆的存储也会改变大脑。事实证明，正是因为人类大脑这样的发育机制，使得世界上不存在两颗完全相同的大脑。这让我们成为人类，也让我们每个人都与众不同。

我将在接下来的几页中讲述一个复杂的故事。作为一名实验神经科学家，我亲眼见证并参与了这一领域的工作。我将描述科学如何揭示大脑发育的机制和结构，从最早的胚胎起源，到分娩，再到更远。故事按照时间顺序，循序渐进，追踪人脑的实际生长发育。总体而言，各种模型生物（如线虫、苍蝇、青蛙、鱼、鸟、鼠，有时也包括非人类灵长类动物）的研究结果都被汇集到叙述中，为人们提供了来自进化过程（与发育过程平行）的视角。本书最后讨论了使个体大脑独一无二的因素，以及早期神经发育研究将如何帮助我们更好地理解神经和认知特征的遗传及胚胎起源，这些特征通常只能在后续生活中显露出来。从受孕到分娩，人类大脑将如何发展，这是一个无与伦比的故事，也是我们正在进行解构和探索的问题。