王立銘專欄｜生命的秘密（五）：感覺——與客觀世界握手
前言：
那些探尋外星生命的好奇者們，你們是否想過智慧究竟是一種什麼東西？智慧又是如何與外部的客觀世界發生連接的呢？我們已經知道，人類智慧的秘密都蘊藏於大腦，那也是我們真正感知周圍世界的神奇之所。
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很難想像人類未來接觸到的外星生命會是什麼樣子，也很難相信所有的外星生命都會千人一面、充滿相似。
但是可以推測，第一個來到地球的外星生命，一定是智慧高度發達，而且其智慧水平應該遠在地球人之上，這樣他們才能夠遠渡星海、從天而降。
但是智慧究竟是一種什麼東西呢？我們能根據人類的智慧，大致推斷外星文明的基本形態么？宇宙間最高級別的智慧之間，一定可以相互理解、交流、表達情感么？
儘管絕大多數科學家和稍具科學知識的公眾都同意人類智慧的秘密——包括我們的喜怒哀樂、我們對這個世界的所有認識、我們的回憶、我們的全部思考和自由意志——都來自我們那顆在地球生物圈裡獨一無二的腦袋，但是我們並不十分清楚這顆論尺寸在自然界毫不驚人的腦袋是怎麼樣決定我們的智慧。甚至有這麼一句話：如果我們（人類）的大腦真的那麼簡單容易理解的話，這麼一個簡單到傻的大腦根本就不可能做任何事！(If our brains were simple enough for us to understand them, wed be so simple that we couldnt.)
但是這並不意味著我們對大腦如何工作一無所知。實際上，過去百年以來，人類正在用驚人的速度理解大腦的奧秘。在今天的故事裡，我想嘗試著用地球人類最重要的感官能力——視覺，來講講這裡面有趣的科學故事。
01視覺：要有光！
視覺是我們與外部世界互動最重要的通道：日常生活里我們有超過90%的信息是通過眼睛獲得的。但我們到底是怎麼看到東西的呢？
不管是中國的墨子還是西方的畢達哥拉斯，都不約而同提出眼睛可以發射某種光芒或者火焰，這些火光接觸物體後才會被眼睛感知、從而產生視覺。但是眼睛主動發射信號的理論立刻會遇到一個邏輯上的難題：既然眼睛能主動發光，那麼人為什麼黑暗中什麼都看不到？當然人們可以繼續修正這個理論來自圓其說，比如說一個可能是人眼發射的信號必須和物體天然發射或者反射的信號同時出現，人眼才能看到東西。但是這樣的打滿補丁的理論實在是太反直覺了。到了古羅馬時代，托勒密已經在集大成的《光學》一書中正式放棄了這種探照燈式的眼睛模型，同時提出眼睛的功能是被動接收光線。只有那些發光或者反射光的物體，才能被人眼所捕捉到。
但是人眼到底是怎麼捕捉到光線的呢？如果僅從光學的角度來看，問題倒沒有特別複雜。人們很早就通過人體和動物解剖，知道眼睛的前方有一塊圓圓的、像放大鏡一樣中間厚周圍薄的透明物質，而放大鏡能夠聚焦光線則是托勒密時代就已經知道的事情。那麼眼睛模型就可以很簡單了：外部世界的光線進入眼睛，被放大鏡聚焦和翻轉，投影到眼睛背後一塊小小的熒幕上，於是我們就能看到東西了。
人類視覺的放大鏡-小熒幕模型，來自法國哲學家笛卡爾1644年出版的《哲學原理》一書。在笛卡爾的想像里，物體發射或者反射的光線進入眼睛，被放大鏡（晶狀體）折射和聚焦後，在小熒幕（視網膜）上呈現一副倒立的、縮小的、但卻完整無缺的圖像，從而被人腦感覺到。當然，就像我們將要討論的，這個模型儘管接近真實，但是完全逃避了回答更基本的問題，也就是小熒幕上的那幅圖像是怎麼被人腦」感知「到的。（圖片來自http://www.princeton.edu）
但是這個簡單的解釋其實並沒有真正回答」我們怎麼看到東西「的問題，它只不過是把這個棘手的問題從眼睛外挪到了腦袋裡而已。
首要的問題就是小熒幕自身是如何感知到光的。我們現在知道，這塊小熒幕——也就是我們熟知的視網膜——和人體的其他器官一樣，也是由許多細胞組成的。那麼問題就變成這些組成視網膜的細胞是如何感知光線的，或者說，當幾個光子遠道而來，經過放大鏡的聚焦、擊中視網膜上的某個細胞之後，這個細胞是怎麼知道的呢？
最初的提示來自1877年，在羅馬養病的德國科學家鮑爾（Franz Boll）發現，新鮮解剖出來的青蛙視網膜在日光下呈現出鮮艷無匹的紅色，但是很快就會褪色、變黃、最終變得無色透明。起初鮑爾認為，也許是解剖出的視網膜在培養皿里死亡變質了？但是他很快發現，如果把青蛙在強光下飼養一段時間，那麼新鮮解剖出的視網膜從一開始就已經是無色透明的了，而如果把已經褪色的視網膜在黑暗中放一段時間，它又能重新變成紅色。事情因此就清楚了：視網膜中肯定有一種紅色的物質，能夠吸收光從而褪色，也能夠在黑暗中重新恢復顏色。鮑爾因此大膽猜測，也許視網膜就是靠這種紅色-無色的循環來感受光的？
體弱多病的鮑爾在做出了這個偉大猜測後不久就因肺結核去世，死時剛滿30歲。所幸，他的發現和猜測被另一位德國科學家庫恩尼（Willy Kuhne）延續下去。從1878年到1882年，庫恩尼馬不停蹄地挖掘著鮑爾的發現，他成功從大量的青蛙視網膜中提純出了這種有顏色的物質，並把它命名為視紫紅質（rhodopsin）。不僅如此，庫恩尼還證明，就像鮑爾提示的那樣，純凈的視紫紅質分子也能夠在光照和黑暗下呈現有色-無色的循環。庫恩尼還發現，當光照射視網膜時，視網膜會產生微弱但清晰的電流變化。他於是宣稱，這種紫色的蛋白質就是視覺秘密的核心！他認為，該物質通過自身的某種未知化學變化（褪色），將外在世界的信號（光線）變成了一種能夠被我們的大腦感知的信號（電流）。即便用今天挑剔的眼光來看，這個假說依然正確得不可思議！
02
光已經有了，視覺還會遠么？
從鮑爾到庫恩尼的發現揭示了人眼感光的原理。但是我們必須聲明，感受到「光」，距離真的」看見東西「還相差甚遠。草履蟲這樣的單細胞生物也同樣具有感光能力，而如果僅能感知光，充其量能幫助生物確定光源的位置和距離，這點信息量對於希望探索大千世界的智慧生命來說就差得太遠了！我們不光需要看到光，我們還需要看清獵物的多少、天敵的遠近、前進的道路，和電腦屏幕上的文字呢。
簡單的光信號又是如何帶給我們關於色彩、形狀、遠近等複雜的視覺信息呢？
實際上，這個問題的意義遠遠超過視覺本身，它的本質是，我們的大腦是如何將簡單的感覺刺激（例如是否有光、哪裡有光）組裝成為人腦可以識別和處理的複雜感覺信息。從某種程度上說，我們的視網膜細胞本質上就是千萬個草履蟲細胞，它們中的每一個都有能力像草履蟲一樣檢測光線是否存在。我們可以把這些細胞的功能類比成數碼相機的像素，每個像素有一個獨一無二的位置（多少行多少列），每個像素的唯一功能就是檢測這個位置有光或者沒有光。當我們的大腦收穫了來自無數只草履蟲或者無數個像素點的非黑即白的信息的時候，它是如何從中總結歸納出一幅生動的圖畫的呢？
時間快進到1958年，兩個三十齣頭的科學家幾乎是無意間得到了開啟視覺大門的鑰匙。
那一年的年初，大衛·休伯（David Hubel）和圖斯坦·威瑟（Torsten Wiesel）在美國約翰霍普金斯大學的校園裡相識了。在他倆共同的導師，視網膜研究的大師斯蒂芬·庫福勒（Stephen Kuffler）的建議下，兩個年輕人跳過了視網膜，直接把目光投向了視覺信號的最終輸出地——大腦。
他們的想法並不新奇，甚至有點「蠢」。老師庫福勒首創了用微型電極記錄單個的視網膜細胞對光線的反應。因此他們希望如法炮製，用微型電極記錄大腦細胞的電信號，看看能否找到光刺激和大腦細胞電信號之間的聯繫。但是要知道，視網膜細胞本來就是專司感光的，大批的細胞能夠在光照下產生電信號，要做電極記錄幾乎是一紮一個準。大腦的細胞總數大了幾個數量級，要在這麼多細胞里找出一個碰巧能對光信號有反應的細胞，如同大海撈針。
可想而知，當他們有一天終於好運氣爆棚，用電極在貓的大腦里定位到了這麼一個細胞的時候，兩個人有多麼興奮。他們變著法子給出各種各樣的光刺激，大的、小的，左邊、右邊，強的、弱的，一個、兩個，開燈、關燈……看看能否從這個撞上槍口的細胞的反應中得到什麼線索。
必須說明，兩個年輕人調整光刺激的方法是很原始的。他們的實驗系統很簡單，把可憐的貓麻醉固定，然後在貓的眼前放一台老式幻燈機。休伯和威瑟輪換著更換各種幻燈片給貓貓看。每張黑色的的幻燈片上用針挖出形狀位置大小不同的小孔，於是穿過黑色幻燈片，各種稀奇古怪形狀的光斑就照射到了貓的眼睛裡。
徒勞的嘗試一直持續到直到午夜，兩個機械地移動手臂更換幻燈片的年輕人都快要睡著了。突然之間屏幕上的波紋變得雜亂，這個細胞突然像機關槍一樣開始乒乒乓乓地產生電信號了！
兩人一躍而起睡意全無，但是仔細一看幻燈片，好像一點也不稀奇啊！僅僅是黑色背景下的一個小光斑，剛才這樣的刺激已經給了不知道多少次卻一直沒有如此劇烈的反應。而且，當他們把同一張幻燈片拔出來再插上，機關槍一樣的電信號居然消失了，就像剛才的一幕是他們做的一個夢。
經過一番折騰，休伯和威瑟終於發現，原來那張幻燈片沒有很好地卡入卡槽里，造成幻燈片和卡槽的邊緣，漏出了一條細細的光線，恰好投射到貓的眼睛上！
他們推想，大腦其實並不是直接感受光點，而是感受光點組成的「光線」。在隨後的幾個月里，休伯和威瑟發現大量的大腦細胞的確不會對光點光斑有特別反應，而是會對某種角度的長方形光條反應強烈。有趣的是，有的細胞只會對水平放置的光條有反應，有的細胞偏愛垂直的，有的細胞乾脆喜歡45度角傾斜的。
這一發現標誌著我們對人類感覺系統的理解，從「要有光」正式邁進了「看見圖案」的時代。
打個比方，我們可以想像，有一條毛毛蟲突然出現在我們的視野里，毛毛蟲的身體分頭、肚子、尾巴三節，每一節都亮閃閃地發著光。在休伯和威瑟的猜測中，我們大腦是這樣看見毛毛蟲的：首先，在我們的視網膜上有三個細胞，同時檢測到了來自毛毛蟲頭肚子和尾巴的光——我們姑且命名它們為視網膜」頭「細胞、視網膜」肚子「細胞、和視網膜」尾巴「細胞吧！這一步早在鮑爾到庫恩尼的工作里就已經揭示清楚了。
而之後呢，這三個特殊的視網膜細胞，同時把電信號傳遞給了大腦中的同一個細胞——我們就叫他大腦「毛毛蟲」細胞好了。這個「毛毛蟲」細胞藏在大腦深處，自己並不直接感光，但有一個神奇的特性：當它同時接收到來自視網膜「頭」細胞、「肚子」細胞、「尾巴」細胞的信號時，它自身就會被激發起來，產生一個新的電信號。而這個電信號的含義，就是我們的大腦意識到了毛毛蟲的出現！
03從信號到信息，從視覺到全世界
休伯和威瑟的發現，第一次揭示了我們的大腦是如何從簡單的光信號中整理出複雜的、有意義的視覺信息的。而基於這個簡單的原理，我們可以展開無窮無盡的想像和推理：既然視網膜上的光點信號匯合一次，就能產生關於方向的信息，那麼方向的信息匯合一次，應該就能產生形狀的信息；形狀再疊加色彩，就能形成我們對五彩世界的基本感知；要是兩個眼球看到的東西稍有不同，疊加起來又能告訴我們物體的遠近。這樣的話，僅僅能夠感受光點的視網膜細胞，最終可以在大腦中構造出充滿各種細節的豐富視覺世界來。更重要的是，這種信號處理其實並不神秘，僅僅需要簡單信息之間的疊加或者抑制就可以了！
至少對於人類來說，各種感覺系統採集和處理信息的方式也都使用了類似的邏輯。比如說吧，在嗅覺和味覺世界裡，我們的鼻子和舌頭上有成百上千的化學感受蛋白，能夠結合和識別各種各樣的化學分子，從而產生我們對化學世界的第一層認知。這些信號在大腦中再不斷地匯聚合流，最終產生難以言說的複雜感受，從香醇的紅酒在舌尖的回味、到媽媽剛出鍋的家鄉菜的香氣。
而在聽覺和觸覺世界裡，人體最初感知的是聲波震動空氣、或者物體接觸皮膚所帶來的機械能刺激。這些不同強度、不同頻率、不同位置的機械能刺激，被不同的感覺細胞採集到，最終在大腦中整合成為巴赫節律謹嚴的《哥德堡變奏曲》，或者愛人充滿柔情的撫慰。
而我們同樣可以猜測，那些人體無法利用的信息，也許能夠被其他生物體所利用，產生人類完全無法想像的美妙感知。這樣的例子即便在地球生物圈裡也並不罕見。我們知道很多動物可以聽到看到在人類感覺系統能力之外的信號，例如人耳能夠採集到振動頻率在20到2萬赫茲的聲音，而蝙蝠可以聽到頻率達到十幾萬赫茲的超聲波，蝙蝠的聽覺世界一定比我們嘈雜得多。也例如人的眼睛能夠識別三種基本顏色（紅、綠、紫），這些色彩的組合構成了我們能看到的五彩斑斕的視覺世界。而蝴蝶能夠感知五種不同的顏色，它們看到的世界一定是不可言說的豐富和美妙。
有些生物甚至還發展出了人類無法想像的感覺。例如蜜蜂、螞蟻和鴿子都能夠檢測到極其微弱的地球磁場方向，並且利用地磁場來引導它們的行動。有些魚類能夠產生和感受到周圍電場的微弱變化，並利用這些信號來搜索和捕食……
我們甚至可以大膽猜測，自然界存在的任何能量形式，都有可能被生命所捕捉和利用，從而在他們的大腦中構造出豐富豐滿的客觀世界！
阿拉斯加某些鳥類的遷徙地圖。地球上許多種鳥類會因為季節變化、生殖和食物需要等目的，開始長達數千乃至上萬公里的遷徙。很多時候它們飛行在沒有任何地面標誌物的茫茫大海上，利用星光或地磁場導航是它們必須的生存技能。（圖片來自http://www.encountersnorth.org）
敬請期待下一篇，生命的秘密（六）：自我意識——我和我的世界
（責任編輯：徐可）
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