大腦9大謎—《大自然探索》—2011年第3期

　　記憶是由什麼組成的?這是科學家一直都在探索的課題。記憶是構成思維的基本材料，每當我們要做某件事情的時候、要通過語言與他人交流或形成最簡單的想法或概念的時候，都會到大腦記憶庫中去提取需要的知識。然而，對於我們來說，記憶的物質形式迷霧重重，我們感到困惑不解的是：當某個新的記憶形成之時，大腦會產生什麼樣的變化呢?

　　記憶的形成與神經細胞突觸之間的聯繫得到加強有關，這一點我們已經確信無疑。2009年，美國一個研究小組對海蛞蝓的大腦進行研究之後首次觀察到，當記憶形成之時，神經突觸上會生長出新的蛋白質。這種海洋生物的神經系統相對來說比較簡單。

　　那麼，在哺乳動物結構複雜的大腦中，記憶存儲在何處呢?短時記憶存儲在大腦兩半球的海馬部位。2008年，研究人員通過小鼠研究發現，在某個記憶事件發生一個小時之內，大腦海馬部位神經系統的DNA發生了某種化學變化，由此改變了其產生的蛋白質種類；接下來的一個星期內，大腦皮層神經系統的DNA也發生了類似的變化，這種變化似乎是永久性的，表明長期記憶就儲存在這裡。這表明，海馬區形成短期記憶，然後在大腦皮層轉化為長期記憶。

　　大腦對恐懼的反應尤為強烈，因為令人害怕的事情有可能關乎生死。海馬區附近杏仁體結構對此起著重要作用。2009年，加拿大一個研究小組發現，小鼠在受到雜訊干擾之後，杏仁體神經元突觸被強化，但在殺死這些神經元之後，小鼠對雜訊恐懼的記憶也同時消除。這是科學家首次跟蹤到某個特殊記憶形成的神經細胞。

　　神經元細胞再生可戰勝老年性疾病。

　　人們多年以來一直認為，在我們出生時就擁有了一生所有數量的腦細胞，以後不再會增加。然而，上世紀90年代的新的發現推翻了這一理論。事實上，包括人類在內的哺乳動物，一直都在製造出新的腦細胞。對於人類來說，「神經細胞再生」發生在兩個地方，學習新的氣味的嗅球區，以及與學習和記憶能力有關的海馬區。

　　新生成的神經元可與成人大腦中原有的神經細胞整合在一起，這一發現給人類的未來帶來了無限的可能性。我們是否能駕馭這一過程來治療某些大腦疾病，如帕金森氏病和老年痴呆症?是否能以新生的健康神經元替代遭到破壞的腦組織?據估計，組成神經系統不同功能的腦細胞種類多達10000種，大腦細胞的複雜程度意味著我們不可能利用神經細胞的自然再生來完成這一任務。

　　瑞典科學家從流產胚胎中獲得一種能夠產生多巴胺的神經細胞，在將其移植到帕金森氏病患者的大腦里後發現，這些新移植的神經元明顯改善了患者的大腦功能，只是這種治療方法並不能普遍適用於所有的患者。科學家如今正在尋找從胚胎幹細胞或再編程成人皮膚細胞獲得這些具有專門功能的大腦神經元細胞。

　　研究發現，即使在大腦的非神經再生部分，也存在少量胚胎期大腦發育時留下的「祖細胞」，它們雖然並非真正意義的幹細胞，但至少動物實驗已經證明，它們也具有形成神經細胞的能力。研究人員追蹤小鼠大腦化學變化線索發現，祖細胞產生的新的運動神經可代替小鼠因疾病而被破壞的運動神經。

　　大腦非神經元再生部位的再生能力令科學家感到振奮，大腦神經複雜而纖細，但科學家有信心以同樣的精確程度來重建大腦。

　　鏡像神經元可能成為打開人類移情作用之謎的一把鑰匙。

　　什麼是鏡像神經元?「當你微笑時，世界與你一同微笑。」這是著名黑人爵士歌手路易斯·阿姆斯特朗當年的一句名言。但令阿姆斯特朗意想不到的是，他在無意之中道出了神經科學領域內最偉大的發現之一：鏡像神經元。

　　上世紀90年代，研究人員在對短尾猿的實驗中發現了鏡像神經元細胞。他們通過短尾猿的大腦微電極測試發現，當猴子表現出某種行為時，許多神經元都活躍起來，而當猴子看著研究人員做同樣動作時，一群神經元也會變得活躍起來，不同類別的鏡像神經元會因不同的活動而活躍起來。

　　人類大腦中是否也存在鏡像神經元細胞呢?核磁共振成像技術顯示，當我們在演示某個動作時，或看到別人做某個動作時，我們大腦中的某個被稱為「鏡像系統」的部位就會「亮」起來。大量研究表明，大腦鏡像系統越活躍的人，越善解人意，越能理解他人的情緒變化；反之，鏡像系統不太活躍的人，其性格多淡漠孤僻。神經科學家猜測+人類大腦里的神經鏡像細胞是產生移情作用的神經學基礎，鏡像神經元同時還與模仿、學習能力有關，甚至還可能與語言獲得能力有關。當然，也有研究人員認為，理解他人的情緒或行為併產生移情作用，是一種很了不起的認知能力，恐怕不是某個神經系統獨自就能夠完成的。

　　意識並非像電燈開關那樣非睡即醒。

　　你也許會覺得，意識就像電燈開關那樣，不是處於開的狀態，就是處於關的狀態。但事實真相遠非如此簡單，這個問題挑戰著我們對自我意識和自由意志的認識。

　　以往人們認為，意識以三種狀態存在：醒著狀態、無夢睡眠與有夢睡眠。但大腦成像技術顯示，意識狀態並非只有這三種。以夢遊現象為例，每20人中就有一人有過夢遊經歷，而研究發現，夢遊者的大腦實際上處於一種半睡半醒的狀態。研究人員將一位夢遊者的大腦與大腦掃描設備聯在一起，通過監測發現，在患者發生夢遊時，其大腦皮層中與意識有關的部分處於關閉狀態，而大腦其他一些區域則處於活躍狀態，包括與情摩情緒有關的部分。

　　意識還存在於其他各種奇異的狀態。在有夢的睡眠中，即快速眼動(REM)睡眠中，我們靜靜地躺在床上，此時大腦抑制並中斷向肌肉發送運動指令的活動。但對於一些患有REM睡眠障礙的人來說，抑制機制因出現故障而失靈，他們在做夢時會手舞足蹈，將夢境付諸行動。另一種睡眠麻痹症則正好相反，睡眠者感覺自己已經醒來，但卻發現自己的身體無法動彈。

　　研究還發現，在清醒和昏迷之間可能存在著某種被忽略的狀態，英國一個研究小組發現，與進入植物人狀態的病人交流並非沒有可能，雖然病人無法意識到周圍環境，但只要他們還有條件反射能力，並能自主呼吸，就存在這種可能性。研究人員對躺在大腦監測儀器下的患者說：想像一下自己在打網球或在屋子周圍走動，結果發現，患者能夠對研究人員提出的一些問題做出「是」或「否」的反應。植物人通常被認為是沒有意識的，但如果他們能聽懂醫生的問題，並能與醫生溝通，那麼他們或許還能對治療方案表達自己的想法。

　　我們也許無法弄清楚意識究竟有幾種狀態，但可以肯定的是，意識並非像電燈開關那樣非開即關，而更像一架梯子，我們越向上攀登，心中越是沒底，不知前面還有多少奧秘是我們暫時還不知道的。

　　科學家正在揭開精神力量控制物質的秘密。

　　如果你不幸因病住院，那麼，你住在一間窗外有花草樹木、視野開闊的病房裡，一定比住在一間面對磚牆的病房裡恢復得更好更快。

　　早在醫學開創之初，人們就開始探究精神狀態與身

體健康之間的聯繫。例如，如果病人身上出現一些無法解釋的癥狀，聰明的醫生就會從病人的精神狀態或情緒影響方面去查找原因。正如我們所知道的那樣，失去親人或離婚等打擊影響健康引發疾患的例子並不少見。

　　為什麼精神因素會對身體狀況產生巨大影響?為什麼一些疾病比其他疾病更容易受到精神狀態的影響?為什麼安慰劑會讓人「受騙」而產生意想不到的治療效果?精神暗示對我們身體健康的影響有多大?這些問題至今仍未得到完全的解答。

　　精神力量的影響似乎與我們的免疫系統有關，試管實驗和人體實驗都證明，巨大的精神壓力會降低免疫細咆的活力。大腦似乎通過多種途徑影響免疫系統，包括從化學介質到神經系統調控。例如，研究發現，與腦部相連的迷走神經的一個分支起著調節免疫系統功能的關鍵作用，經大腦發出的信號經地謎走神經，在那裡改變了脾臟中免疫細胞的行為。研究還發現，在包括癌症在內的許多疾病中，電刺激迷走神經可減輕發炎感染的程度。

　　如果我們無法做到用精神力量有意識地控制免疫系統，我們至少可以通過藥物，或許還可以通過迷走神經，讓我們的免疫系統處於良好狀態。

　　人的聰明程度不在於大腦的大小，而在於大腦的結構。

　　1955年，愛因斯坦的大腦被解剖，令人大失所望的是，他的大腦甚至比普通人的還小。事實上，最新研究表明，大腦的大小與智力程度之間關係甚小。

　　決定智力的一個重要因素似乎在於神經細胞之間的溝通交流是否通暢高效。荷蘭神經科學家發現，聰明的大腦中神經細胞網路的傳輸效率更高，也就是說，它們以最短最有效的傳遞路徑在大腦各部分之間傳遞信息。

　　另一個重要因素取決於包裹在神經纖維外面，起著絕緣作用的髓鞘質，髓鞘質的多少直接影響到腦電信號的傳輸速度。研究發現，在智商高低和髓鞘質的多少之間存在著聯繫。

　　遺傳基因對智力的影響有多大，我們至今仍然不很清楚，各種研究得出的估計結果是在40％至80％之間，差距如此之大是因為，年齡越大，遺傳因素對智力的影響也越大。一項對11000對雙胞胎的研究發現，智力差異的遺傳因素影響，在9歲時佔40％，17歲時佔大約2／3。

　　為什麼會這樣呢?也許是因為在我們日趨成熟的過程中，基因影響著大腦本身的發展，也許與成年人主動尋找刺激大腦的體驗，積極開發大腦，從而促進大腦成長有關。

　　一位科學家說，天生聰穎的大腦，也需要一個適合其成長的外部環境。

　　當天才的火花綻放得太過耀眼時……

　　「天才未必不癲狂。」兩千多年前，古羅馬哲學家塞涅卡如是說。

　　縱覽歷史上的一些偉大的創造性天才人物，如牛頓和愛因斯坦，都有輕度的情感障礙，畫家文森特·梵高患有躁鬱症。

　　精神完全失常的人是不可能有創造性成就的，這一點沒有人會有什麼異議，但一些輕微的癥狀也許對天才的創造能力有所助益。研究認為，人的精神狀態就好比光譜，一端為嚴重失常狀態，另一端為正常狀態，只有處於中間狀態者創造性能力得到強化，有可能成為超乎常人的天才。

　　一些證據來自對左右大腦相對優勢的研究。具有某種特別優勢的人通常被稱為「左腦人」或「右腦人」。普遍認可的理論認為，左腦擅長語言和邏輯分析，右腦擅長創造性思維。許多研究表明，一些精神障礙者的右腦活動更活躍。

　　此外，遺傳基因研究表明，一種被叫做神經調節蛋白1的物質在大腦胚胎髮育中起著重要作用，這種基因產生的突變有可能抑制大腦前額葉皮層的活性，對於有的人來說，可能因此釋放出一定程度的創造能力，但對於另外一些人來說，則有可能出現妄想等癥狀。

　　人們一直覺得創造力和精神障礙之間存在著聯繫，但卻難以得到證實。它們之間究竟存在著什麼樣的聯繫?兩者之間的距離究竟有多遠?對這個問題的答案，我們非常期待。

　　自由意志確實存在，但掌握自由意志的卻不是你和我。

　　潛意識被認為是大腦里默默無言的自動導航員，它讓我們在「不假思索」的情況下說出某些話，做出某些事。但最新研究表明，潛意識對學習和記憶起著重要的作用，在需要對困難問題作出決斷時，潛意識所起到的作用甚至超過了理性的分析。

　　上世紀80年代，在已故神經科學家本傑明·里貝特所做的實驗中，在受試者意識到自己的手指移動300毫秒之前，就已經監測到了其大腦的活動。

　　法國科學家通過實驗揭示了意識和潛意識之間微妙的相互影響的關係。在實驗中，志願者看見某個單詞出現在電腦屏幕上，緊接著屏幕上又出現了一幅畫面，志願者的注意力很快被圖片吸引，而忽略了對那個單詞的注意。大腦掃描儀器顯示的相關大腦活動表明，隨著單詞與畫面出現間隔時間的延長，志願者突然注意到了單詞，單詞出現在了志願者的意識中，這種情況通常在單詞和畫面出現間隔時間達到50毫秒時發生。但當某些帶有情感色彩的辭彙，如「愛」或「害怕」等辭彙出現時，只需要幾毫秒的時間間隔，大腦就會有所反應，不同的是，此時對這類單詞的重視和關注都是由潛意識作出決定的。

　　諸如此類的研究改變了我們對意識和潛意識之間關係的看法，如果說我們的意識像一盞聚光燈，那麼潛意識就起到了轉動控制光束方向的作用。

　　有科學家如是說，意識並不自由，我們稱之為「自由意志」的東西實際上存在於潛意識中。

　　在我們有能力創造人工意識之前，首先要理解意識究竟為何物。

　　沒有什麼能比創造出人工意識更具挑戰性的了。一些人懷疑我們是否真的能夠做到，或我們是否應該這麼做，但敢於挑戰的科學家並沒有因此而放棄挑戰，在他們看來，創造人工意識是一個可與將人類送上月球相比擬的重大挑戰。

　　2009年開始發行的《國際機器人意識》雜誌是機器人研究領域突飛猛進發展的一個標誌，另一個里程碑是最近出台的《機器人意識分類等級》，由西班牙卡洛斯三世大學的勞爾·阿拉巴萊斯制定，用來對各種形式人工智慧的智力水平進行比較分級。

　　目前與意識最為接近的機器人軟體是由美國科學家斯坦·弗蘭克林於2003年設計創造的人工智慧分配軟體「艾達」，其主要任務是為美國海軍分配任務、提出任務要求等。「艾達」的處理程序分為「有意識」和「無意識」兩個等級，無意識等級負責收集數據和處理信息，收集到的信息進入「艾達」的「有意識」的工作空間，在那裡進行互動交流，做出最終決定。擁有學習能力的「艾達」的升級版於2010年誕生，取名「麗達」，它能學習所感知所接觸到的一切東西，並用來指導以後的決策。「艾達」甚至還擁有了一些能對決定產生影響的「情感情緒」。

　　英國一個研究小組甚至開發出了身體結構與人類相似的機器人，據說這些發展認知能力的機器人與人類已經十分接近了。

　　但是，所有這些努力都還未能解決機器人的「意識」這一難題，這裡的「意識」當然指的是主觀意識。沒有人知道如何設計這樣的智能軟體，但隨著機器人技術越來越先進，這個難題會在我們不知不覺中以兩種方式消除：或者機器人的意識會自發地產生，或者我們假設機器人意識已經產生，只是我們無法確定它們是否有了真正的意識。

　　當然，要想創造出真正擁有意識的機器人，我們必須首先要真正了解大腦的運轉機制，以及意識究竟為何物。