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人们曾长期认为脑是灵魂的栖息地，不可能用数理方法来进行研究，但是数理方法在化学和其他学科研究中的成功应用，使美国的一些学者在 20 世纪中叶开始尝试把数理科学的方法应用于脑科学。
1934 年俄裔美国数学生物学家拉舍夫斯基（Nicolas Rashevsky）教授来到芝加哥大学，建立了跨系、科的数学生物学博士点。他强壮而和蔼，带有明显的俄国口音，有一把蓬松的大胡子，在系里举行的野餐会上，常常用胡子给小孩子开玩笑。他鼓动了一大批物理学家和数学家参加他组织的科学讨论会。一到会上，他就热情洋溢、唾沫横飞，任何坐在第一排的人，都得准备受到他“沫弹”的袭击。后来名满天下的麦卡洛克（Warren McCulloch）和皮茨（Walter Pitts）都是他每周一次的讨论会上的常客。
皮茨是拉舍夫斯基的研究生，专攻数学生物物理，同时还学习数理逻辑。他非常聪明，但脾气有点古怪，考试时老是不回答问题，反而批判试题，因此最终没有拿到博士学位。他与精神病学家麦卡洛克合作发表的一篇论文是神经网络研究的奠基之作，也开创了把神经元作为一种计算单元的研究。后来他转到麻省理工学院，参加了维纳（Norbert Wiener）（图 1.24）组织的有关科学方法论的讨论会。
20 世纪 30 年代末在哈佛医学院有一个关于科学方法的系列讨论会，维纳是讨论会的积极分子，他是一位数学家，而讨论会的组织者罗森布吕特（Arturo Rosenblueth）是一位生理学家。维纳小时候有“神童”之称，15 岁就取得了数学学士学位，19 岁得了博士学位。他的整个身心都沉浸在科学思考之中。据他的同事回忆：
“（维纳）是一位不肯闲下来的人，对什么都充满好奇，他既热爱交友，同时也颇为饶舌。他的一大嗜好是在麻省理工学院的小路上走来走去。20 世纪 30 年代的中期，戴着眼镜的维纳教授在学校里的小径和偏僻罕人的地方漫步，堪称麻省理工学院的一道著名风景。他一边走，一边还在手指缝里夹一根雪茄，嘴里叽里咕噜地讲着一些最新的话题，还往往发一些奇谈怪论……” ［11］
有一个学生回忆与他路中相遇的情形：
“他在半路上停了下来，我们正好向着他的方向走过去，他便开始与我们讨论他正在思考的问题。我们结束谈话的时候，他继续前行。突然之间他又转回来，走来问我们：‘顺便问一句，你们有没有留意我们碰面之前，我是往哪个方向走的？’我忍住笑，回答道：‘您好像是准备去往 8 号楼。’他一副恍然大悟的表情，连声道谢，还说：‘嗄，那看来我已经吃过饭了。’” ［11］
参加这个讨论会的还有其他数学家、生理学家、物理学家、医学家和工程师。他们一边吃饭，一边讨论。讨论的气氛非常自由，大家畅所欲言，对所作的报告提出问题并发表自己的看法，甚至是尖锐的批评意见。这种批评意见尽管是善意的，但是非常直率、不留情面，以致有极少数人因为受不了这样直率的批评而再也不来参加讨论会了。但是绝大多数人都觉得从这种批评中获益良多。
正是通过这种讨论，维纳感悟到：
“在科学发展上可以得到最大收获的领域是各种已经建立起来的部门之间的被忽视的无人区。”“正是这些科学的边缘区域，给有修养的研究者提供了最丰富的机会。”“到科学地图上的这些空白地区去作适当的查勘工作，只能由这样一群科学家来担任，他们每人都是自己领域中的专家，但是每人都对其邻近的领域有十分正确和熟练的知识；大家都习惯于共同工作，互相熟悉对方的思想习惯，并且能在同事们还没有以完整的形式表达出自己的新想法的时候就理解这种新想法的意义。
数学家不需要有领导一个生理学实验的本领，但却需要有了解一个生理学实验、批判一个实验和建议别人去进行一个实验的本领。生理学家不需要有证明某个数学定理的本领，但是必须能够了解数学定理中的生理学意义，能够告诉数学家他应当去寻找什么东西。” ［12］ 虽然，这些话从原则上来说几乎已经成为共识，大家普遍认可交叉科学的重要性，但是在实际上能真正做到维纳要求的专家依然不多。这是因为每个学科有每个学科的思想习惯、专门知识和术语，每个专家在自己的领域上无论从时间上来说，还是从经济上来说都做了大量的投资，当他们熟门熟路，沿原来的道路走就能取得成绩的时候，除非看到非常突出的好处，惰性使人不愿意轻易更弦改辙。诺奖得主克里克原来是学物理学的，后来转入生命科学研究，他在回顾往事时感叹道：“（这种转变）几乎就好像是要求人必得重生一次。”不过他一点也不后悔这种“重生”，正是这种重生让他发现了DNA的双螺旋结构，揭开生命之谜，并开启了向意识这一以前科学家唯恐避之不及的神秘领域的科学研究之路。
图1.24 维纳
1948 年，维纳出版了其经典著作《控制论》，其中专门有一章讨论计算机与神经系统的问题。这个学派的活动对推动用数理科学、信息科学的思想与方法研究脑产生了深远的影响。计算机科学的主要奠基人冯·诺伊曼（John von Neumann）还专门写了一本书讨论计算机与脑的问题。但是，把数理科学应用于脑研究的做法在当时也曾为一大批生物科学家所不理解，他们认为这种研究把生物对象过于简化，或者说“漫画化”。例如，他们不能容忍把神经元理解为像开关一样的某种二值逻辑元件，或者把脑说成为计算机。尽管这种批评有合理的一面，但对使脑研究走上定量化、精密化的初步尝试采取把小孩和洗澡水一起倒掉的态度是不可取的。20 世纪的后半叶起，科学家开始认真地把数理科学以及信息科学应用于脑研究。
最早、也最成功地把数理方法应用于神经科学的经典范例是前面提到的霍奇金和赫胥黎有关动作电位产生和传播的数学模型。他们根据生物学实验结果，建立起依赖于膜电位和时间的钾离子通道和钠离子通道的电路模型，列出了相应的方程，即霍奇金—赫胥黎方程（或H — H方程）。解这个方程，不仅能精确地再现它所依据的实验事实，还能产生动作电位，并且以合理的速度向前传播；而这些现象并不包括在建立方程的前提假设中。这就像电学中的麦克斯韦方程是根据“静电场、静磁场、恒定电流产生磁场、切割磁力线产生电流”这样 4个实验事实建立起来，并能预测并不包含在其基本假设中的电磁波那样！霍奇金—赫胥黎模型证明了多学科研究对神经科学的重要意义。神经科学一点都不能离开实验研究，但是实验研究也决不能只是就事论事，满足于现象的描述，还需要理性的思考，上升成为理论，甚至是定量的理论！
就在维纳积极与生物学家交流的时候，同一时期，在大洋彼岸战火纷飞的欧洲，有两个年轻人——21 岁的哈森施泰因（Bernhard Hassenstein）和 19 岁的赖夏德（Werner Reichardt），前者是念生物学的大学生，后者是念物理学的大学生，都被征了兵。他们相约如果能活下来，一定要做成一件大事——建立一个综合物理学和生物学的研究所。1958 年，他们在（前联邦）德国图宾根的马普生物学研究所建立了控制论研究组，通过对甲虫视动反应的研究建立了初级运动检测模型，开始了视动检测的研究，奠定了对视觉运动检测的模型研究的基础。尽管赖夏德是念物理出身，但他对生物学实验非常重视，后来他告诫新来的青年人：“理论必须每时每刻都与实验紧密结合。我不相信无中生有的脑科学理论会有任何机会取得成功。”多年以后，当《当代生物学》（ Current Biology ）杂志问当今计算神经科学的领军人物之一波焦（Tomaso Poggio）“您得到过的最好的劝告是什么”时，他就以赖夏德的这段话相赠，并且还说：“我对每一位想从事计算神经科学的学生都强调同样的思想。” ［13］
经过近半个世纪的努力，终于在 20 世纪 90 年代正式诞生了计算神经科学、神经工程、神经信息学、神经动力学等多学科交叉研究分支，并且日益受到人们的重视。这些研究在生命科学和数理科学之间架起了桥梁，不仅使对脑的研究可借用数理科学的方法和工具，而且也给数理科学和技术科学带来新的思想，并把两者结合起来为人类造福。关于后者我们将在最后一章中详加说明，此处就不多讲了。
搞多学科研究的大师们无疑有许多共同之处，克里克也是讨论会的常客。对于会议报告他会不留情面地提出评论，尤其不能容忍思想上的模糊不清，以至于有些报告人对他有些害怕。他说：“讲情面对任何良好的科学合作都是一剂毒药。”有一次，有位从麻省理工学院来的访问者向克里克介绍有关某种脑功能的一个模型，他看到克里克对此很不以为然，于是说：“克里克博士，我的模型确实很漂亮，也行啊！”克里克回答说：“小伙子！如果你推销的是吸尘器，大可以这样说，但是我看不出你的模型与脑有什么关系。”直到现在，还会有一些从其他学科刚刚转入脑科学研究的专家，用深奥的数学方法、严密的推理得出某些理论上的结论。他们对自己的工作感觉良好，但他们的前提假设却缺乏神经生理学根据，得到的结论也经不起实验的检验。这些人真应该听听克里克的这一教导。
克里克对别人是这样，对自己更是这样。在他生命的最后 20 年里与他密切合作的忘年交、神经科学家科赫
（Christof Koch）回忆说：
“因为他太有名了，许多人都不敢对他的想法进行批评，而他要的就是批评。他的想法多得惊人，有些想法非常聪明，有些想法非常有洞察力，但是也有些并非如此，还有一些简直是发了疯。但是要知道，你碰到的是这样一位奇才，这样一位富于创新的天才，他的思想喷涌而出，他需要有人和他共鸣，并告诉他这个想法不行，那个想法太棒了，而那个想法又太愚蠢了……这就是他的工作方式，你早上 10 点去，一直讨论到傍晚 6 点，他会把所有的证据从头到尾梳理一遍，会对数据进行筛选，对此进行讨论，从不同的角度进行考察，否定某个想法，提出新的假说，再次予以否定，然后吃晚饭，通常饭后这个过程还要继续下去。直到他去世的那天为止，他数十年如一日始终如此地工作和生活。”
克里克还说：
“在自然界中杂种往往不育，但是在科学中正相反，交叉学科常常惊人地丰产。如果一个学科过于单纯，它就会枯萎。”
“由于我得到的第一个学位是物理学方面的，所以直到 30 岁时，除一般知识外，我对生物学所知甚少。我花了不少时间才使自己适应生物学所需要的不同思考方法，一个人如同重新出生了一次。不过这种转变也不是极其困难，而且所付出的努力肯定是值得的。” ［14］
［1］ Finger S. Origins of Neuroscience: A History of Explorations into Brain Function. New York: Oxford University Press, 1994.
［2］ Bear M F, Connors B W, Paradiso M A. 神经科学——探索脑 . 王建军，主译 . 北京：高等教育出版社，2004.
［3］ Kosslyn S, Andersen R. Frontiers in Cognitive Neuroscience. Cambridge,MA: MIT Press, 1992.
［4］ Bentivoglio M. Life and Discoveries of Santiago Ramón y Cajal ［EB/OL］.［2010 — 12 — 27］. http://nobelprize.org/nobelprizes/medicine/laureates/1906/cajal-article.html.
［5］ Golgi C. The neuron doctrine—theory and facts//Nobel Foundation. Nobel Lectures Physiology or Medicine 1901— 1921. New York: Elsevier, 1967: 189—217.
［6］ Ramón y Cajal S. The structure and connexions of neurons//Nobel Foundation. Nobel Lectures Physiology or Medicine 1901— 1921. New York:Elsevier, 1967: 220— 253.
［7］ Bullock T H, Bennett M V L, Johnston D. The neuron doctrine, redux.Science, 2005, 310: 791— 793.
［8］ Loewi O. From the Workshop of Discoveries. Lawrence: University of Kansas Press, 1953.
［9］ Rosenzweig M R, Breedlove S M, Leiman A L. Biological Psychology. 3rd ed. Sunderland, MA: Sinauer Associates, 2002.
［10］ Gazzaniga M S, Ivry R B, Mangun G R. Cognitive Neuroscience: The Biology of the Mind. 2nd ed. New York: W. W. Norton & Company, 2002.
［11］ 亨德森 . 现代机器人技术——万能机器的制造 . 管琴，译 . 上海：上海科学技术文献出版社，2008.
［12］ 维纳 . 控制论 . 郝季仁，译 . 北京：科学出版社，1963.
［13］ Poggio T. Q & A——Discussion. Current Biology, 2004, 14(23): 985—— 986.
［14］ 克里克 . 狂热的追求 . 吕向东，唐孝威，译 . 合肥：中国科技大学出版社，1994.