写在前面

脑比天恢弘，

若将两相较，

脑中有天空，

君亦在其中。

——迪金森（Emily Dickinson）

什么是世界上最复杂的东西？什么系统总共还不到三斤重、里面的“元件”数却和银河系里面星星的数目一样多？什么系统中可处状态的数目比整个宇宙中所有的基本粒子数还要多？什么机器里的每个元件都要和其他成千上万个元件有立体的联系？什么系统虽然只有半个排球那么大，但是里面所有的连线如果一根接一根连在一起的话可绕地球两圈？什么系统的耗能只有一个冰箱中的灯泡那么多，但是如果要让当今最先进的超级计算机完成其类似功能却需要整个水电站产生的电能，还不能完成其所有功能？什么系统对来自外界的输入不光抽取其特征，还要对其加以重新组织、分门别类并赋予意义？什么东西知道自己的存在，还有喜怒哀乐？如此等等。这些问题中的每一个听上去都是如此奇特和匪夷所思，然而所有这些问题的答案都指向同一个物体——人脑。

在生物界中按脑和体重之比来说，人的脑体比要比与人类亲缘关系最近的其他灵长类动物高三倍。人的脑重占整个体重的 2%，但是在休息状态，脑所消耗的能量要占到整个身体总消耗的 20%。我们人之所以为人，主要就是因为有这样的一个脑。人脑使我们区别于所有其他生物，人脑使我们成为万物之灵。脑使我们有记忆、有思想、有感情、有目的、有意识，脑使我们能够预见未来、发明创造。移植了其他器官，一个人还可以是他自己，但是如果移植了别人的脑，那么就变成了别人。

人类已能够打破原子，可以上天揽月，甚至发送航天器飞出太阳系，还能够测定自身的基因序列。然而，对于我们的脑是怎样工作的，我们怎样“看”、怎样“听”、怎样“想”、怎样“行动”，怎样有喜怒哀乐，等等这些问题，尽管有些我们已经有了不少线索，但是不知道的比知道的还要多得多。特别是我们怎么会有主观体验，我所“看到”的“红”色和你所“看到”的“红”色是一样的吗？我们怎么会有意识？我们怎么知道自我？如此等等，这些都依然是难解的谜题。这些问题尽管很难，但是由于其重要性和挑战性，“引无数英雄竞折腰”，正在成为科学研究的热点和前沿。这些问题的中心也就是一个字——脑。近世最伟大的生物学家、诺贝尔奖得主克里克（Francis Crick）说：“如果要想正确地懂得我们在这个极其广袤和复杂的世界中的地位，我们就必须要比较细致地认识我们的脑。”也就是说，研究脑也就是认识我们自己。

尽管现代的电子计算机在运算速度上比人脑快得多，在许多专业领域，例如下棋，已经“打遍天下无敌手”，但是往往只有“一技之长”，要想全面超越人脑，即使可能的话，也还有很长的路要走。使无数工程技术人员着迷的一个问题是怎么样设计出具有类似脑的某些功能，甚至有通用智能的机器；或者造出一种“人性化”的机器，使用它的时候就好像在和一个人打交道。要想造出这样的机器，认识脑是怎样工作的会对此有所启发。

社会的快节奏和老龄化，以及人们对生活质量越来越高的要求，也使得如何防治脑疾病成为当务之急。据统计，85 岁以上的老年人中至少有 4 成得阿尔茨海默病（俗称老年痴呆症），还有大量年纪不到这个岁数的人也得了同样的病症。这些人连自己的亲人都不认得，生活完全不能自理，需要有人整天护理，这对社会和家庭都是极大的负担，但至今还没有有效的治疗手段，也没有有效的预防方法，甚至连病因都不是很清楚。美国前总统里根就因阿尔茨海默病而离世，他在确诊后但还不太糊涂的时候，发表了一份告美国人民书，希望公众能重视这种疾病。他在公开信中写道：“通过敞开我们的心扉，希望使公众更加关注这种情况，或许这会使人们更深地理解受到这种疾病折磨的个人和家庭……不幸的是，随着阿尔茨海默病的发展，患者家庭会承受沉重的负担。我只希望能有办法减轻南希将要经受的痛苦。当那天来临时，在你们的帮助下，南希一定会有勇气直面它。”这些话语透露着英雄末路、无力回天的一丝悲凉。阿尔茨海默病还仅仅是折磨人类的诸多脑疾病的一种。据美国神经科学学会 2008 年的统计，全世界有20 亿人为与脑有关的疾病所苦，为此耗费的费用超过 20 万亿美元。因此，要预防和治疗形形色色的脑疾病，认识脑的工作机制必不可少。

更为现实的是，许多残疾人由于损伤了部分器官而遭受苦难。人们希望制造这种器官的人工代替品并与脑建立起功能上的联系，恢复或至少部分恢复患者丧失了的功能，这就是现在科技上的一大热点——脑机接口，包括种种人工假体、脑植入芯片等。人们甚至期望通过类似装置还能提高人的能力。而要做到这一切，也需要认识脑。

正是基于上述一切，克里克说：“对我们人来说，在科学研究中没有比研究自己的脑更重要的了。我们对整个世界的认识都有赖于它。”另一位诺贝尔奖得主埃德尔曼（Gerald M. Edelman）则说：“脑科学的知识将奠定即将到来的新时代的基础，这些知识使我们可以医治大量疾病，建造仿照脑功能的新机器，对我们自己的本质和我们如何认识世界都会有更深入的理解。”所有这一切使美国参众两院在 1989年通过立法，并由时任总统老布什宣布 20 世纪的最后 10 年为“脑的十年”。2013 年，欧盟宣布了费时 10 年，原定耗资 10 亿欧元的“人脑计划”（最后实际耗资 6 亿欧元），其后美国宣布了美国的脑计划（BRAIN），包括我国在内的世界主要科技大国也都相继宣布了自己的脑计划。脑科学研究已经成为 21 世纪科学研究的前沿和热点，成为世界各国科学研究的重点领域和竞争舞台。

要真正发展脑科学，就要让社会各界了解脑科学，支持脑科学，要使一批有志青年对脑科学感兴趣，决心献身脑科学。那么，一本兼具科学性、前沿性、可读性和趣味性的科普作品或许可在这方面起点作用。本书就是为此所作的一个尝试。

本书并不想对所有关于脑的知识一一介绍，这不是本书的任务，况且笔者也没有这个能力。尽管最近几十年来在分子水平上已对脑进行了大量深入研究，成为脑科学研究中极为重要的领域和前沿，使我们对分子水平上脑功能的机制有了空前深入的理解，但是囿于笔者知识的局限，本书内容完全没有涉及分子神经生物学，也没有涉及运动控制、嗅觉、体感等，对于发育神经生物学、精神病、听觉等重要内容也很少涉及。笔者只是想在浩如烟海的脑科学知识中拾取一些美丽的贝壳，以引起读者对脑研究的强烈兴趣。所以，本书在取材时尽量选取那些故事性强而又有科学意义的材料，希望通过讲这些故事能无形中向读者介绍许多有关脑的知识。当然，为了使一般公众也能欣赏，笔者在相关之处，不得不对基本知识和术语做尽可能简要的介绍。

每章的最后，笔者以参考文献的形式列出了内容取材的主要来源，并在后记中推荐了一些相关的高级科普读物、教科书和专著，以供有兴趣的读者进一步阅读、思考。如果有读者由此走上了脑科学研究的道路，这将是对笔者最好的奖赏。对于那些对神经科学已经有相当了解，甚至本人就是研究神经科学的专家，也希望本书所搜集的材料能成为他们讲课时的调味品。

本书的写作得到了寿天德教授、孙复川教授、汪云九教授、唐孝威院士、郭爱克院士、杨雄里院士、梁培基教授、李光教授、童勤业教授、路长林教授等许多老朋友的支持和鼓励。特别是我近 60 年的老朋友和老同事寿天德教授，他鼓励我说一本好的有关脑科学的科普书有可能吸引一批有志青年走上研究大脑之路，这比一篇普通的科学论文更有意义。他还在 2008 年盛夏酷暑之中通读全稿，对第 1 章和第 2章中某些不够确切的表述作了修改，为本书作序并推荐出版。高上凯教授在百忙中审阅了本书的第 6 章，并提供了 1 张实验照片。郭爱克院士、李朝义院士、路长林教授、梁培基教授、唐孝威院士和杨雄里院士在百忙中审阅了全书，给出书评，并提出了宝贵意见。郭爱克院士还推荐了两本相关的参考书。在本书出版之后，除了以上朋友的继续支持之外，我也得到了陈宜张院士，以及已故弗里曼教授（Walter J.Freeman）、江渊声教授（Nelson K. S. Kiang）的不断鼓励，使我坚持科普写作。中国神经科学会的一些领导和同事也对本书的写作给予鼓励和支持。上海科学技术出版社胡炜编辑为本书的顺利出版做了大量工作，她对本书中所用的许多材料进行了查证，对内容进行了精心的加工和剪裁；她对稿中所用的插图逐一做了仔细检查，对印刷效果不够理想的图或者重新制作，或者找出更好的图予以更新，从而保证了本书的图片质量；她还在各节中加了小标题，使全书的眉目更为清楚。没有她辛勤而认真的工作，本书不可能有现在这样的质量。本书第三版的顺利出版则要感谢上海科学技术出版社包惠芳主任和王娜编辑的支持和精心编辑。笔者谨在这里向上述各位教授和同事表示我的感激之情，也希望能听到读者的反馈意见、批评和指正。

顾凡及