叩開前額葉皮層（PFC）研究的大門

文 / @東華君

長久以來，人類一直都認為心臟是我們的「智慧之源」。原因可能很簡單，整個身體中，只有它一直的撲通撲通的跳著，似乎昭示著自己的存在。而且，人死之後最明顯的特徵就是心跳停止，這不禁讓大家將它與我們的「靈魂」聯繫到一起。

有趣的是，這一觀點過去在人類世界裡是普遍存在的。古埃及人製造木乃伊的時候，會將心臟妥善保存，而大腦卻會被取出和丟棄（圖1）。智慧如亞里士多德甚至固執的認為大腦只是一個「散熱器」，是用以給被「火熱的心」沸騰的血液降溫的器官。同樣，這一觀點也早已深深的印刻在了華夏民族的文化中。我們祖先在造字的時候，凡是與心理活動相關的字大多都是有心字旁的，比如思想、忐忑、愉悅、憐憫等等。甚至於，我們描述思維活動用的詞是「心理」而非「腦理」。

那麼，我們什麼時候開始才認識到大腦在思維活動中起到決定性作用的呢？

1、人類很晚才認識到大腦是「智慧之源」

在希臘時代，人們對腦的認識只能通過其外在特徵來判斷。這個想法很合邏輯，人的身體之所以要具備不同的部位，正是為了行使不同的功能。比如，手和腳之間巨大的結構差異正是與兩者所行使的功能相關的：我們用腳來行走而用手來執行精細操作。對於腦袋，人們很容易便發現，眼睛、耳朵、鼻子和舌頭等與感覺相關的器官都位於其上。因此，當時的主流觀點認為：腦是感覺的器官（圖2）。

彼時，也有少數學者試圖將大腦與心智相聯繫。希波克拉底（Hippocrates）就認為：大腦不僅參與對環境的感知，而且也是智慧的發祥地。當然，這種觀點很小眾，而且沒有實驗依據，只是憑空推測的結論。

到了公元一世紀，一位為羅馬角鬥士治傷的醫師Galen，通過觀察腦損傷給患者帶來的傷痛和解剖實驗動物，他進一步推測大腦很可能是感覺的接收裝置，而小腦一定是支配肌肉的。那麼，為什麼Galen會認為大腦和小腦存在這樣的功能差異呢？原因很荒誕：小腦較為堅硬而大腦較為鬆軟。他認為形成記憶的關鍵是將感知「刻印」到腦中，這一過程只能發生在鬆軟如麵包的大腦上，小腦太硬了記憶刻不上去（囧，還被歪打正著了。。）。

並且，他當時還發現了羊腦中存在中空的腦室和灌滿其中的液體（即腦脊液）。結合當時流行的體液驅動機體運行的觀點，Galen總結大腦的功能為：大腦負責記錄感知和啟動運動，並且這些都是由液體通過（中空的）神經到達腦室和離開腦室的流動來實現的[1]。

之後，歐洲便進入了漫長且黑暗的中世紀，由於教廷禁止對人體和動物進行解剖，人們關於腦的認識幾乎停滯不前。就這樣，Galen有關腦功能的觀點延續了將近1500年。

直至文藝復興時期，伴隨著解剖學、生理學等學科的興起，人們對大腦的認知才又逐步開始豐富起來。隨著神經系統被完整的剝離和描述、大腦灰質和白質的鑒定、溝回和腦葉的定義，以及通過局部損傷對腦的進行功能定位等研究的開展。終於，大約在19世紀，才有一系列的證據表明，大腦才是與我們一系列的高級認知功能相關的器官，是我們靈魂的居所。

2、人類很晚才知道前額葉的重要性

雖然，人們大約在兩百年前就認識到大腦是人類靈魂的居所。而那時，人們對於大腦具體是如何工作的，卻所知甚少。

當時學者們檢測大腦行使功能的主要方法就是實驗性切除法：通過系統地損毀實驗動物腦的某一部位，觀察其行為變化，進而決定其功能。通過這一方法，科學家們很快便發現不同的功能定位於大腦的不同位置。但是，這一實驗方法是非常粗放且極具誤導性的。這甚至導致了神經科學史上最荒誕的偽科學「顱相學」（Phrenology）的風行。這個學說的擁躉者認為：顱骨的形狀是與大腦內這些區域的形狀相關的，因此通過測量人的頭顱便能夠判斷每個人不同的人格（圖3）。

雖然顱相學家的主張從來都沒有被科學界主流所認可，但是這幫人的確抓住了公眾的想像了。長期以來，這一蠱惑性極強的學說在民間廣泛流傳。即便是現如今，恐怕還有不少人還認為額頭隆起的人更聰明吧。

與此同時，神經外科的醫生們所收治和記錄的一些腦疾病患者，才真正為我們揭開了研究大腦中靈魂居所的序幕，其中，最為大家熟知的便是被鐵夯刺穿前額葉的鐵路建築工頭Phineas Gage（PG，封面圖）。

1848年的某一天，25歲的Gage在實施地面爆破時，犯了一個致命的錯誤。他的工作之一就是炸平路面以方便鋪設鐵軌。每次爆炸作業，Gage都要在岩石上打個小洞，在裡面填滿炸藥和安上導火索。然後會在炸藥上鋪上沙子，再用鐵夯將沙子夯實。然而這一天由於疏忽大意，他沒有注意到這些炸藥並未用沙子封好。鐵夯撞擊岩石引起的火花點燃了火藥，於是爆炸使得鐵夯變成了一個致命的武器，從他的左臉頰進入，經由前額葉皮層，穿過頭蓋骨，最後落在距他十幾米之外的地面上（圖4、5）。

遭到如此致命的創傷，在旁人看來Gage是必死無疑。然而，奇蹟卻發生了：片刻之後，他恢復了意識，可以與旁人交談，甚至還平穩地爬上一輛牛車趕到市中心接收了治療。重傷之後的Gage奇蹟般地活了下來。可是，不久之後，親友們漸漸發現，受傷後的Gage已經不是從前那個勤奮、易於相處、富有責任心的Gage了。儘管在某種意義上，Gage似乎已經完全康復——他的感覺功能和運動功能沒有問題，記憶功能也正常。但是在另一種意義上，他變得舉止粗魯、缺乏責任感、做事反覆無常，以至因此丟掉了工作。12年之後，他最終變得為世人所無法忍受，並在悄無聲息中死去。

就個人而言，受到如此的創傷當然是件非常不幸的事情，但是對神經科學而言，Gage受傷後行為與性格的巨大轉變引起了學者濃厚的研究興趣，研究人員開始將前額葉與高級認知功能聯繫起來。可以說，這個極其罕見的病例，是人類深入認識前額葉的起點。

值得一提的是，由於這個事故的戲劇性，加之其背後給我們關於大腦可塑性的非常積極的暗示：受了這麼重的傷都能恢復，我們的大腦可真棒！。Gage之後受到了流行文化的「追捧」，還成為了萬聖節裝扮的熱門模仿對象（圖6）。

3、人類最近幾十年才開始系統研究前額葉

比較可惜的是，Gage的不幸雖然明確的告訴了我們前額葉是高級認知功能的結構基礎。但是，由於研究方法的局限，加之與前額葉對應的功能的複雜性，之後的一百餘年人們對前額葉的研究幾乎一直都沒開展得起來。即便，早在1936年，Jacobsen等人便開創性的驗證了前額葉皮層在工作記憶中的作用[2]。但是，學術界真正全面且系統的開始研究前額葉卻是最近幾十年的事情（圖7）。

這也是，二戰剛結束，額葉切除術剛盛行的時候，學術界並沒有形成強有力的反對意見的原因之一。因為，當時學界對前額葉的了解還不多，沒有充分了解到切除前額葉的危害。詳見：額葉切除術，諾貝爾獎的"黑歷史"？

提到當代前額葉研究，不得不提的一位科學家就是Patricia Goldman-Rakic。正是她和其合作者們開創性的在非人靈長類身上採用了多學科的方法，運用生化、 電生理 、藥理、解剖和行為等技術來研究前額葉的功能，才強有力的推動了人類對前額葉的研究熱潮。

更多關於這些研究的內容，可見前文：你所在的領域裡，有哪些堪稱開山之作的論文？

時至今日，伴隨著新技術的誕生，我們對前額葉的研究熱情正持續高漲。在初步了解大腦工作機制的情況下，我們再也不會提出類似「顱相學」這般荒誕的學說，也能更好的避免類似「額葉切除術」之類的悲劇發生。我們所研究的腦功能，也從最初的工作記憶（working

然而，我們也不得不承認，我們對大腦，特別是前額葉所進行的研究的時間還是太短了，對於真正了解這個宇宙中最複雜的器官具體是如何工作的，我們還有很長很長很長的路要走。

主要參考資料：

1. Freemon, F.R., Galens ideas on neurological function. J Hist Neurosci, 1994. 3(4):

2. Jacobsen, C.F. and H.W. Nissen, Studies of cerebral function in primates. IV. The effects of frontal lobe lesions on the delayed alternation habit in monkeys. Journal of Comparative Psychology, 1937. 23(1): p. 101.

3. Arnsten, A.F., The neurobiology of thought: the groundbreaking discoveries of Patricia Goldman-Rakic 1937–2003. Cerebral Cortex, 2013. 23(10): p. 2269-2281.

4. The True Story of Phineas Gage Is Much More Fascinating Than the Mythical Textbook Accounts

5. Phineas Gage: The Living Halloween Costume

推薦閱讀的相關文章：

• 人類的大腦有哪些天生的設計缺陷？
• 額葉切除術，諾貝爾獎的"黑歷史"？
• 我們大腦的「緩存」有多大？
• 你所在的領域裡，有哪些堪稱開山之作的論文？
• 注意力的認知神經機制是什麼？
• 我們腦內有兩個「小小人」，讓你歡笑讓你痛

歡迎大家閱讀本人的其他文章：

東華君的知乎《文章目錄》

也歡迎大家關注我們的其他平台：

微信公眾號：腦人言（ibrain-talk）

小密圈、新浪微博：腦人言

推薦閱讀：