從日俄戰爭到神經科學的二次革命（多圖）

<Sir Joshua Reynolds, Dr Samuel Johnson, 1772, oil on canvas, 75.6 x 62.6 cm, Tate Britain, London.>這個問題看似簡單，實際是一個很Fundamental的問題，目前有的其他答案或多或少解答了一些，但是並不完整，合併起來也不足夠解釋問題。為了從根本上系統性的解釋問題，我從1904年起的日俄戰爭講起。

<Mosin–Nagant Model 91>當時俄軍使用的是莫辛-納甘步槍(Винтовка Мосина, Mosin–Nagant Model 91)，該槍使用7.62毫米步槍彈，彈頭初速大概620m/s，穿透力很強，但是停止作用較弱。彈頭射入人體之後不會造成太大的附帶損傷，而是直接穿透。因此很多中彈的日軍都能倖存下來，即使是頭部中彈。剛從東京大學畢業的眼科專家Tatsuji Inouye (井上達也)負責檢查士兵的視覺損傷，以據此發放適當的撫恤金。

<Tatsuji Inouye (井上達也)>但是井上達也並不滿足於此，他注意到腦部的損傷部位跟視野的缺失部位有一定的對應關係，於是著手研究。為了客觀的評估視野損傷的區域，他製作了顱腦坐標參照器(Kraniokoordinometer, cranio-coordinometer)，以排除腦子大小對結果的影響，並準確評估視野區域。

<顱腦坐標參照器，cranio-coordinometer>他檢查了28位典型頭部中彈視覺損傷病患，測試的結果證實了他的想法——即腦部區域與視野存在著一定的對應關係[1]，得到了世界上第一張Visual Cortex Map[2]

實驗的結果以德文發表(Visual Disturbances following Gunshot Wounds of the Cortical Visual Area)[1,3,4]

論文發表後五年，第一次世界大戰爆發了。這時候戰爭雙方所使用的步槍武器特性跟日俄戰爭中俄軍事用的類似，同盟國的德國使用的主要是Gewehr 1888(1888式委員會步槍)。

<Gewehr 1888>當時在Royal Army Medical Corps(皇家陸軍醫療隊)服役(因為弱視的關係，他不被允許上前線，只允許在輔助部隊服役)的神經解剖學家(Neuroanatomist) 英國神經解剖學家Sir Gordon Holmes(高頓-福爾摩斯 爵士)受到Tatsuji Inouye工作的影響，開始研究腦損傷(槍傷)跟視野損失的關係[5]。

<Sir Gordon Holmes, 左起第二，1915年>在檢查了2000多名傷兵之後，他著重對23名枕葉(後腦)受傷者做了分析。得益於X光機的實用化，Sir Gordon Holmes可以比Dr. Tatsuji Inouye更為準確的觀察腦組織損傷的位置，從而繪製出更加完備準確的Visual Cortex Map, 也就是後來被稱作Retinotopy(視網膜拓撲映射)的技術[6]. 此外，他還研究了腦外傷跟偏盲/象限偏盲的關係[7].

以上便是視覺皮層發現的基本過程[8]。視覺皮層也是神經解剖方面發現的第一個特定功能腦區，在這之後，感覺運動皮層，聽覺皮層等相繼被發現，均在很大程度上得益於戰爭中的腦外傷研究。與此同時，在研究神經解剖方面，還有另外一派，他們通過研究腦皮層的細胞組織和髓鞘結構(Myelocytoarchitecture)來劃歸腦區，而不是根據腦區的功能。

<Cytoarchitecture: 6個月嬰兒的大腦皮層的典型六層結構；引自論著[11]>這一脈的重要創立者便是Prof. Oskar Vogt [9].

<Prof. Oskar Vogt>他於1914年創立了威廉皇帝學會腦科學研究所(Kaiser-Wilhelm-Institut für Hirnforschung), 也就是先今的馬普學會腦科學研究所(Max Planck Institute for Brain Research, Max-Planck-Institut für Hirnforschung). Oskar Vogt曾在此研究過列寧的腦子。1959年，他又與他的妻子Cécile Vogt-Mugnier創立了Cécile and Oskar Vogt Institute of Brain Research (又被稱作Vogt-Vogt school). 該研究所後被杜塞爾多夫大學(C辿cile and Oskar Vogt Institute of Brain Research)吸收，是目前大熱的Big Brain Project [10]初創方(Forschungszentrum J端lich)，這是後話了。Oskar Vogt的高徒Korbinian Brodmann(布羅德曼)，從1901年開始跟隨他工作。

<左一: Korbinian Brodmann; 左二: Cécile Vogt-Mugnier, 左三/中間大鬍子者: Oskar Vogt >Brodmann在Oskar Vogt的指導下，花費數年觀察大腦皮層的解剖結構(Cytoarchitecture and Myeloarchitecture), 在1909年發表了他的大作"Vergleichende Lokalisationslehre der Gro?hirnrinde in ihren Prinzipien dargestellt auf Grund des Zellenbaues" (Comparative Localization Studies in the Brain Cortex, its Fundamentals Represented on the Basis of its Cellular Architecture)[11].

<原著中的Brodmann分區[11]>根據細胞組成結構將大腦皮層劃分為52的區域，其中關於枕葉皮層(視覺)的劃分跟Sir Gordon Holmes的結果具有相當的吻合性，可謂殊途同歸。Vogt-Brodmann這套方法可以稱為結構派[12]，Inouye-Holmes方法可稱為功能派。這兩種方法隨著技術(EEG, CT, MRI, MEG, TMS，PET，PLI，Immunohistochemistry)的發展，都逐漸演化精進，構成我們今天腦科學/神經科學的枝幹。這兩派的發起，可以稱之為神經科學/腦科學的一次革命，我們對大腦逐漸從一無所知到略有小成，伴隨著這個進程的，是科學研究的中心從德國轉移到美國，科學的語言也從德文轉變為英文。我們對視覺通路的認識，不再局限於視野和枕葉的遙遠關係，而是直接的聯繫起來[13]：

<視覺通路：視野與視覺皮層的聯繫>人腦的視覺信號傳導通路，在進入大腦皮層之前是高度的結構化的、分工明確的。視網膜感知的物體，通過該通路，會以一定空間關係映射視皮層上[14], 該關係也就是上文中提到的視網膜拓撲映射(Retinotopy)[15].

<Retinotopy>信息在進入初級視覺皮層之後，視覺信號的處理會會表現出非常複雜的狀態。根據結構和功能的信息，以及MRI技術幫助，發現視覺信號傳遞到初級視皮層V1之後，會繼續向更高級的視覺皮層傳遞，據此可以將視覺皮層更精細的分類，同時根據信息傳遞的關係，得到它們內部之間的分級結構。

<視覺皮層分級結構>從初級到更高級的視覺皮層，視覺信息逐級傳遞。人腦理解的內容越來越複雜化、抽象化，由「模式」變成具體的"物"，再到物的特性和物與物之間的關係。

<視覺分級結構的功能分工>在逐級傳到過程中，人們也注意到，其在皮層的傳導可以大體分成兩個通路，腹側通路(Ventral Pathway/Stream)和背側通路(Dorsal Pathway/Stream)[17]。

分別又按照功能，被稱作「What」和「Where」通路：

其中「Where」被認為跟物體的位置和運動處理有關，「When」被認為跟物體的識別有關[18]。當然，這種說法/猜想缺乏足夠的證據支持，仍然飽受爭議。在上面的視覺信息傳遞圖和分級結構圖中，我們可以看到，信息在進入人腦初級視覺皮層之後，其傳遞的過程非常的複雜，涉及到幾乎全腦的區域之間的寫作。語言區域的引入自然是不可少的，而當我們在讀的相應的內容，比如關於運動的內容，就需要有運動相關腦區的引入；對應的，讀到情感內容，就需要有情感相關腦區的工作協同。我們在想像一件事情時，大腦中的工作模式，跟我們實際操作這件事情時非常類似。神經科學發展到這裡，已經可以部分的回答這個問題，即所謂的"視而不見"，"讀而不解"，是我們的大腦在工作之中缺少必要的協同，相關的腦區並沒有進入工作狀態。類似的，我們在學習某一項技能/學科之前，由於腦內還沒有構建好協同工作狀態，以及特定腦區的功能不足，我們在讀這些相關圖書內容的時候，也是會讀而不解，即使我們想盡辦法集中注意力也無濟於事。以上也是目前的心理學/神經科學領域教科書能給出的最新的回答。但是，這個問題還是沒有得到足夠的回答，如要問什麼是特定的工作協同狀態，使用以上的知識/事實就顯得不夠可靠了。當然神經科學到此並沒有停止發展，而是發生了一定的質變。以上相當部分的認識，在MRI/fMRI引入神經科學研究之後發現的。隨著研究的深入，神經科學家不可避免的要碰到兩個問題：

1. fMRI的信噪比低，即使使用超高場設備還是顯得不足
2. 人腦的個體差異極大，人與人之間，甚至同一個人的左腦和右腦之間的差異有時候都不可忽略。

以上兩個問題中，1可以通過技術進步得到改觀，而2則是目前fMRI研究不可避免的致命缺陷，這就造成相當部分的fMRI研究的結果重複困難，可以說目前大部分已經發表的fMRI研究結果都是不可信的，尤其是心理學方面的fMRI研究，由於涉及更為高級神經功能，其可靠性更是存疑，為了解釋奇怪的結果，一些稀奇古怪的說法也能編出來。fMRI研究要得到想要的或者是好的結果，一方面實驗設計不能出問題，另一方面一定的運氣也是不可缺少的。那些只靠一個fMRI實驗就做出結果順利畢業的博士研究生同學，必然是祖上積了八輩子德了。越是高級的功能區，個體差異越大(位置和大小, 甚至有無)，近代神經科學從視覺皮層的研究開始並非偶然，視覺皮層初級功能區是我們人類大腦中最大的一塊功能相對單一的特定功能區，這一區域面積/體積大，個體差異相對小，區域的結構和功能邊界也相對明顯並且比較一致。其他相對小一些的功能區，比如感覺運動皮層區域、初級聽覺皮層區域，也有比較好的個體間一致性。一旦牽涉到所謂高級功能區域，比如視覺的V5及更高區域，上面Where和What通路的大部分區域，個體間的差異對統計結果的影響因素就不可避免了。但是行為實驗，病理實驗都需要做組間對照和統計，所謂區域與區域間的比較，很可能就用錯了位置，致使組間統計的基礎都不夠牢固，引入更多被試可能平均掉一些個體差異，但也可能是引入了更多變數，致使差異不收斂。其結論無論是陰性還是陽性，都要大大的打個問號。為了解決或者迴避個體差異的根本問題，我們必須否定前面的認識，即關於個體腦組織結構的基本假設，也就是說，Vogt-Brodmann基於細胞組織結構的分區，Inouye-Holmes基於功能的分區，也是需要重新商榷的。腦部各區域之間的界線，並不是明顯的，而是模糊的；並不是靜止的，而是可變的；並不是相互獨立的，而是可以互相包含，犬牙交錯的。同時，腦部區域的功能，也不是一層不變的。以上這些特徵，使得目前的統計方法在很多方面並不適用於神經科學研究。我們在思考神經科學問題時，與其考慮腦區，不如考慮功能/結構節點，這也就是目前神經科學領域正在發生的二次革命：Connectome(腦連接體).

人腦在結構上存在一個人眼可直接觀察的連接體：白質纖維束連接。這一連接體把整個大腦通過神經元的軸突和樹突連接起來。這一結構雖然同樣的存在很大的個體間差異，但是因其是物理性的連接，在短時間內存在一定的穩定性，這是我們大腦連接體的硬體。另外還存在一個人眼不可直接觀察的連接體：功能連接，即我們大腦區域間的協同工作機制，是我們大腦連接體的軟體。在我們的大腦內，在神經元的突觸前膜向突觸後膜起信息傳遞作用的化學物質。按照作用後果可分為離子型（Ionotropic）和代謝型（Metabotropic）兩類。其中離子型受體按照電位變化可分為興奮型和抑制型兩類。這些神經遞質的分泌情況，構成了大腦區域間功能連接的柔性導線，它們不斷的聯通(強化性連接)和切斷(抑制性鏈接)連接的開關，形成大腦在應對不同任務時候的各自工作模式。

通過測度閱讀任務者，我們可以得到該任務造成的腦內連接的改變情況，這種連接情況的改變，可以解釋為閱讀能力的改變，其實是我們大腦進行閱讀任務時功能連接的殘影[19]。進行高級任務時，控制功能連接柔性導線的系統中，一個重要的因素是我們意識的注意力(attention)[20]。

<在高級任務中，注意力對功能連接的主動控制>到這裡，就可以更為準確的解釋樓主的問題了，所謂讀不懂，原因有二：

1. 注意力沒有集中，腦中任務處理的連接網路沒有足夠的激活水平
2. 缺乏相關的知識/背景/經驗，腦中任務處理機制網路的能力沒有成熟

目前神經科學領域的這第二次革命才剛剛開始，很多研究在依賴第一次革命的既定成果的同時，還受到其局限性的限制，比如在連接節點上，還經常性的受限於以往固定性的腦區劃分，而不是按照個體內腦區功能做劃分。當然，如果按照後者，在統計上就存在既定的困難。在其他領域，比如人工智慧領域，我們對人腦的模擬最多還停留在使用第一次革命結果的階段，我們目前使用的智能方法，包括神經網路、機器學習/深度學習，都是把處理機制相對的固定化，因而其方法只對特定的任務/特定的數據好，自應能力非常蒼白。目前對人工智慧取代人腦的擔憂，只是杞人憂天罷了。以上。--------[1] Inouye, T. "Die Sehstoerungen der kortlichen Sehsphaere. W." (1909): b8.[2] Glickstein, Mitchell, and David Whitteridge. "Tatsuji Inouye and the mapping of the visual fields on the human cerebral cortex." Trends in Neurosciences 10.9 (1987): 350-353.[3] Tubbs, R. Shane, et al. "Tatsuji Inouye: the mind』s eye." Child"s Nervous System 28.1 (2012): 147-150.[4] Adams D, Horton J (1991) Book reviews. Nature 412:482–483[5] McDonald, Ian. "Gordon Holmes lecture: Gordon Holmes and the neurological heritage." Brain 130.1 (2007): 288-298.[6] Holmes, Gordon. "Disturbances of vision by cerebral lesions." The British journal of ophthalmology 2.7 (1918): 353.[7] Holmes, Gordon. "Disturbances of visual orientation." The British journal of ophthalmology 2.9 (1918): 449.[8] Glickstein, Mitchell. "The discovery of the visual cortex." Scientific American 259.3 (1988): 84-91.[9] Vogt, Cécile, and Oskar Vogt. Allgemeine ergebnisse unserer hirnforschung. Vol. 21. JA Barth, 1919.[10] Amunts, Katrin, et al. "BigBrain: an ultrahigh-resolution 3D human brain model."Science 340.6139 (2013): 1472-1475.[11] Brodmann, Korbinian. Vergleichende Lokalisationslehre der Grosshirnrinde in ihren Prinzipien dargestellt auf Grund des Zellenbaues. Barth, 1909.[12] Brodmann, Korbinian. "Neuere Forschungsergebnisse der Gro?hirnrindenanatomie mit besonderer Berücksichtigung anthropologischer Fragen." Naturwissenschaften 1.46 (1913): 1120-1122.[13] Standring, Susan. "Gray』s anatomy." The anatomical basis of clinical practice 39 (2008).[14] Tootell R B H, Hadjikhani N K, Vanduffel W, et al. Functional analysis of primary visual cortex (V1) in humans[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 1998, 95(3): 811-817.[15] Engel S A, Glover G H, Wandell B A. Retinotopic organization in human visual cortex and the spatial precision of functional MRI[J]. Cerebral cortex, 1997, 7(2): 181-192.[16] Van Essen, David C., and John HR Maunsell. "Hierarchical organization and functional streams in the visual cortex." Trends in neurosciences 6 (1983): 370-375.[17] Kandel, Eric R., James H. Schwartz, and Thomas M. Jessell, eds. Principles of neural science. Vol. 4. New York: McGraw-Hill, 2000.[18] Ungerleider, Leslie G., and James V. Haxby. "『What』and 『where』in the human brain." Current opinion in neurobiology 4.2 (1994): 157-165.[19] Berns, Gregory S., et al. "Short-and long-term effects of a novel on connectivity in the brain." Brain connectivity 3.6 (2013): 590-600.[20] Tyler, Sarah C., et al. "Functional connectivity of parietal cortex during temporal selective attention." Cortex 65 (2015): 195-207.
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