撰文 | BERGSTEIN
翻譯 | 王培
校對 | Janvier
編輯 | 語月
儘管埃隆·馬斯克的Neuralink公司取得了技術突破，科學家們仍然缺少解釋大腦如何工作的可靠理論。
BRIAN BERGSTEIN
封面：Owen Davey
在哥本哈根，有一座擁有玻璃牆溫室和花園的19世紀別墅，名叫嘉士伯學院（Carlsberg Academy）。該學院在科學史上是一塊聖地，它最早是嘉士伯啤酒公司創始人J. C. 雅各布森（J. C. Jacobsen）的住處。後來雅各布森將此地指定為「投身於科學、文學或藝術事業之男男女女的榮譽會所」。
從1932年至1962年，丹麥籍物理學家尼爾斯·玻爾就曾在該學院工作，並憑藉在量子力學如何決定原子結構方面的貢獻而獲得諾貝爾物理學獎。玻爾曾與阿爾伯特·愛因斯坦、維納·海森堡以及J.羅伯特·奧本海默等科學界名流在該學院散步和交流，探討奠定了核時代基礎的基本物理學問題。
時至今日，嘉士伯基金會（位於嘉士伯學院）仍然是舉辦科學會議和專題研討會的大本營和後花園。今年5月，這裡召開了為期三天的會議，十幾位來自全球各地的科學家們聚集在此，圍繞一個既令人著迷又令人困惑的根本問題分享自己的看法。這個問題之於他們，就像當年的量子力學之於玻爾，那就是：大腦是如何工作的？
— Brian Stauffer
他們主要討論了準備如何解決這一問題。信息是如何在這一像海綿般、充滿脂肪的器官中得以呈現和處理的？860億個形狀和其他物理屬性差異巨大的神經如何通過相互作用，促成了人類的推理、決策和運動？是什麼因素使得這些系統會運轉失靈，又是什麼因素使得這些系統能恢復正常？
這些都屬於此前從未有人探討的大問題，而到目前為止，我們最多只能說答案還是粗淺的、暫時的。
「我們正不斷取得進展，但問題依然非常棘手。」西北大學神經科學家薩拉·索拉（Sara Solla）說道。她參加了今年的哥本哈根會議，也參加過2016年在嘉士伯學院舉辦的類似會議。另一位參會者，紐約大學醫學院的捷爾吉·布薩基（György Buzsáki）很擅長吸收各種科研成果，但仍未能從這些成果中理出頭緒。他說道：「我們離目標還相當遙遠。」他剛寫了一本新書，名叫《由內而外看大腦》（The Brain From Inside Out）。他在書中寫道：「神經科學仍處於初期階段。」
我們需要更基礎的大腦理論
顯然，大腦仍然是很神秘的東西。我們仍然不清楚該如何治療阿爾茨海默病、精神分裂症，以及其他會造成嚴重後果的神經失調。科學家們甚至還不清楚抗抑鬱藥起作用或者常常不起作用的原因是什麼。擺在參加哥本哈根會議的神經科學家們面前的挑戰提醒著他們，關於大腦的問題有多麼艱深困難，即便腦科學已經成為我們這個時代最受追捧的科研前沿。
幾十億美元的資金正在流入諸如美國的大腦計劃、歐洲的人類大腦項目和「中國大腦」計劃之類的研究和神經技術項目。神經科學家們最近披露，他們通過操控20個神經元讓老鼠產生了幻覺。埃隆·馬斯克聲稱，他共同創辦並投入1億美金的Neuralink公司很快就能將極其細微的「線」（電極探針）插入人類大腦，從而記錄至少1000個大腦細胞的信息，而這是通往腦機心靈感應交互的重要一步。
然而，儘管科學家們也許能夠用越來越嫻熟的技巧探索大腦的局部區域，但如果對大腦沒有一個全面的理解，沒有建立起對大腦的正確理論（就像玻爾和他的同事們在哥本哈根別墅里構建的原子理論那樣），神經科學就只能取得漸進式進展，仍然需要依靠不斷地試錯，甚至需要一點運氣。
全面理解大腦是一個急迫的問題，因為人類社會已經被神經和心理疾病困擾已久，並且為此付出了極大的成本和精力。此外，有人宣稱人類大腦可以被駕馭、被更新，可以與機器融合，甚至意識可以被上傳到永不休眠的雲端伺服器中；而如果理解大腦這一問題仍然懸而未決，這一切都無從談起。
毫無疑問，探究人類和實驗室動物大腦的技術已經讓神經科學家們理解了認知的某些面向，例如注意力和記憶是如何在電子信號和生物化學變化中體現出來的。
— Andrew Baker
不過，這些解釋性研究成果並沒有解決更大的、實質性的問題。比如說，一些理論能夠解釋神經元如何通過相互作用，引起走下樓梯之類的行為，但這些理論不一定適用於經驗的其他方面，例如你是如何決定要走下樓梯的，或者你是如何回憶起你祖母家裡的樓梯的。神經科學尚未建立起像物理學那樣具有預測能力的更基礎的理論，對物理學而言，引力理論可以解釋為什麼行星會圍繞恆星轉動，也能解釋為什麼你的筆會掉到地上。「單一神經細胞已經得到部分理解，儘管不是全部。但如果我們把注意力從單一神經細胞上挪開，那麼沒人知道多個神經細胞是如何協同運作從而產生感知、思想或自主行為的。」丹麥神經科學家佩爾·羅蘭（Per Roland）說道。
羅蘭在今年5月和2016年各組織了一次哥本哈根研討會，在每一次會上，他都會讓來訪的神經科學家探討電極如何在他們各自所研究的大腦區域相互重疊和融合。他強調，建立一種關於大腦如何工作的好理論並不只是出於學術研究需要。羅蘭認為，通過將目前的特定研究方式與理論框架結合起來，可以讓神經科學取得巨大進展。如果不對更基礎的假說進行驗證，神經科學家們必然不能從所有令人讚嘆的探測大腦的技術中提出深刻的新洞見。沒人希望用Neuralink設備從事漫無目的的研究。「比方說，假設我們確實可以記錄大腦100萬個神經元的活動，」羅蘭說，「你會得到很多數據，但你想從裡面找到什麼呢？我們至少要對自己要找的東西有一些概念。」
即便我們尚未接近於建立大腦的基礎理論，斯蒂夫·拉米雷斯（Steve Ramirez）認為，他和他的神經科學家同行們也許最終能找到一條正確的路徑，建立這樣的理論。所以，在與參加哥本哈根會議的某些科學家們交談之後，我來到了拉米雷斯的實驗室，他在這個實驗室里搞出了一些不可思議的成果。
記憶研究能揭示什麼？
現年31歲的拉米雷斯在2013年就讀麻省理工學院研究生時就得到了學術界的關注，當時他和一個同事輕微激活了一隻小鼠的恐懼記憶。當他們把恐懼記憶激活時，呆在盒子裡的小鼠立刻驚恐得無法動彈，儘管盒子裡沒有什麼讓它感到恐懼的東西。當他們把恐懼記憶消除時，小鼠毫不猶豫地又重新在盒子裡跑來跑去了。
隨後，拉米雷斯和他的合作者又用另一隻小鼠做實驗，他們事先在小鼠大腦中植入了恐懼記憶，接下來他們不需要激活這段記憶，小鼠就對盒子產生了巨大的恐懼。不過，拉米雷斯和他的合作者已經事先在老鼠大腦中植入了恐懼記憶。然後，他們又把該記憶從大腦中抹掉。他們借用克里斯多福·諾蘭的科幻電影《盜夢空間》的名字，把這項研究稱為「盜夢項目」（Project Inception）。
如今拉米雷斯已成為波士頓大學神經科學助理教授，他仍在研究如何操縱小鼠的記憶，而且研究得更深入了。今年5月，拉米雷斯和他的同事們宣布，他們可以從根本上調節老鼠記憶的容量，使得積極體驗而非消極體驗更容易被老鼠記住。
拉米雷斯是一個喜歡自嘲又善於社交的人，他的辦公桌上貼有一個標籤，寫著「世界上最棒的老闆」。他似乎仍然對人類能夠如此有效地操控大腦感到不可思議。在他辦公桌上方的高處有一個架子，擺著6個空香檳酒瓶，它們是慶祝重要論文發表或其他里程碑事件的紀念物。當我在7月拜訪他的前一天晚上，一瓶新的香檳剛被開啟，因為美國國家衛生研究院剛授予他的實驗室團隊一筆為期5年的研究經費，那是他們極為渴望的。
如果你事先不知道拉米雷斯的實驗室從事的是記憶研究，你第一眼可能會把這裡誤認為某類科技創業公司。博士後、研究生，甚至少數幾個本科生研究員坐在小隔間的電腦前。但你只要轉個彎，就進入了一個潔凈的白房間。在那裡，你能看到一整個小鼠大腦在試管底部漂浮，還能看到一台機器，看起來仿佛是全世界最精細的熟食切片機，它能將小鼠大腦切成足夠薄的切片，供研究員放在載玻片上，用標準顯微鏡進行觀察。
— Andrew Baker
沿著大廳有幾間如大型衣櫃般大小的房間，它們是從事光遺傳學實驗的地方。這種技術大約2005年由史丹福大學的卡爾·戴瑟羅斯（Karl Deisseroth）實驗室開發，如今已經成為神經科學領域中廣泛使用的一種便宜的工具。在最近的讓老鼠產生幻覺的研究中，戴瑟羅斯也是領軍人之一。
光遺傳學技術始於某種精巧的基因工程技術。通過將一種病毒注射進動物的大腦，科學家們可以有選擇性地修改特殊類型的神經元，以便讓這些神經元對光脈衝產生敏感，並且在處於激活狀態時發光。雷射發射器通過小鼠頭骨上的一個孔被插入大腦中，該發射器的開閉可以激活或抑制神經元。同時，亮光也使得繪製哪些細胞在特定時間段處於激活狀態成為了可能。
拉米雷斯和他最初的合作夥伴劉旭（Xu Liu）第一次使用這項技術開關記憶時，他們瞄準了海馬體中的細胞。眾所周知，海馬體是哺乳動物記憶形成和存儲的區域。這項研究意義深遠。所有構成心智生活的無形體驗必定根植於有形的大腦物理結構之中——即使我們接受了這一事實，要親眼看到意識的一個重要特徵如何從大腦中產生，這仍會令人感到不安。
— Brian Stauffer
然而，這項研究的目的已經超越了這個形上學問題，它還涉及海馬體之外的大腦細胞。多年來，科學家們已經不止步於激活神經元簇，他們還能嫻熟地激活一個個神經元，並且能夠在單個神經元作出決策的時刻激活或抑制它們。如今，在這些實驗中發光的神經元正在幫助我們繪製關於大腦行為的更細緻、更精微的圖像。拉米雷斯希望自己能夠在大約在5年內，將小鼠身上記憶形成和回憶的全過程生成一張三維渲染圖。該圖像將顯示整個大腦中的細胞如何保有一段記憶。它還將揭示神經元會不會以差異足夠顯著的不同方式同步運作，產生積極記憶和消極記憶，以及如果答案是肯定的，這個過程又會如何進行。
他的終極目標不一定是把光遺傳學運用到人類大腦上——那需要通過基因工程改變人類的神經元，並將發光的雷射發射器插進人類的腦袋裡。相反，他想知道，小鼠記憶所涉及的大腦結構在多大程度上與人類大腦相似，並且這些結構在記憶中所發揮的作用在多大程度上被低估了。如果真是這樣，我們就有可能研發藥物（或者改進現有藥物），瞄準那些區域中的細胞。拉米雷斯推測說，這些藥物或許可以重建或增強人們回憶的能力。也許它們還能與心理治療或其他療法結合起來，有效抑制負面經歷帶來的創傷。
尚在襁褓的神經科學
在為整個大腦的工作機制建立終極理論尚未取得進展的情況下，這些研究能夠取得突破嗎？拉米雷斯說，他不敢保證。一方面，修復一個你尚未完全理解的系統也是有可能的。「我是玩『超級任天堂』和『任天堂64』長大的，我不知道為什麼有時候遊戲機會死機，但每個人都會把卡帶拿出來，朝裡面吹吹氣，再把它插進遊戲機，你知道吧？」他說，「或者這有點像是，如果你的筆記本電腦無法啟動了，或者死機了，你沒法重啟它或者進行任何操作，有時候你只要關掉它就好了。你離開電腦，喝上一杯咖啡，然後再回到電腦前，發現居然又能開機了。你並不需要依靠計算機科學來理解剛才所發生的一切，但你不知怎麼就修好了它，你的辦法奏效了。」
這種情況也會發生在生物學中。早在理解免疫系統的運作原理之前，人們就靠著運氣和試錯發明了疫苗和抗生素，為世界帶來了巨大的改變。拉米雷斯能夠讓記憶形成或者被抹掉，即便他或其他人都不知道記憶是如何存儲在大腦中的。「我們一定要理解某個現象的每一個細節，才能知道如何解決問題嗎？」他說，「有時我們可能會碰巧發現答案。」
不過他承認，科學家離理解大腦的組織原則還差得遠，而且建立一個整體模型的確有可能幫助神經科學獲得更大進展。他提到了一本名叫《神經科學原理》（Principles of Neural Science）的教科書。「那本書應該完全留白，」他說，「也許我們已經知道的唯一原理就是，大腦是由大腦細胞構成的。」
然而有趣的是，他補充說，這種情況可能正在發生改變，因為神經科學家們即將全面理解大腦究竟是什麼。
— Brian Stauffer
幾個世紀的醫學和實驗觀察形成了這樣一種印象，即人類經驗的很多特徵來自大腦的特定區域：在一根鐵棍戳穿了一個鐵路工頭的大腦額葉後，他變成了一個性情暴躁的混蛋；另一個人被摘除了海馬體後，無法再形成記憶；視覺皮層受損會讓你成為瞎子。
然而過去幾十年的研究成果越來越清楚地表明，大腦的不同區域以多種方式彼此協同工作。看見事物不僅僅是通過眼睛接受到視覺信號，它還與基於其他輸入信號理解圖像有關，包括你對過去見過的類似事物的記憶。這也說明了為什麼拉米雷斯繪製記憶圖需要付出如此大的努力，記憶涉及所有大腦區域的細胞，而不僅僅涉及海馬體。
「大腦可不是一塊華夫餅，不是說這個格子負責處理空間，那個格子負責處理運動，還有一些小格子負責處理抑鬱，」拉米雷斯說，「大腦花了40億年，才進化成這樣一盤相互糾纏的意面，各部分之間以相當複雜的方式進行互動。大腦中的每件事物都會與自己互動。」
在紐約大學的捷爾吉·布薩基看來，進一步發展上述觀點對於神經科學而言是革命性的。在哥本哈根會議上和在他的新書中，布薩基認為，神經科學家已經太長時間陷在了1890年就首次提出的觀點中。
那一年，威廉·詹姆斯（William James）出版了兩卷本的《心理學原理》。在書中，這位哲學家兼心理學家勾勒了他所謂的「心智生活的科學」。詹姆斯寫道，他對「感覺、慾望、認知、推理、決策等諸如此類的心智活動」如何從大腦中產生這一問題非常感興趣，並且他花了好幾個章節來闡述諸如注意力、習慣、推理、想像和時間感知等心智特徵的性質。（在詹姆斯論時間那一章，即第二卷第十五章中，他寫道：「陶醉於吸食大麻後的體驗中，人們明顯對時間的感知度有很奇特的提升。當我們說出一句話，在話說完之前，說出這句話的最初幾個字似乎已是發生在無比遙遠之前的事情了。」）
由於神經科學是從心理學中分離出來的，20世紀的神經科學家採納了詹姆斯的觀點，設法明確詹姆斯所描述的體驗的神經機制。不過，儘管詹姆斯的分類法有助於描述意識的不同特徵，但布薩基還是指出，這些分類有些隨意：它們不一定能描述我們在大腦中看到的獨特模式或狀態。
— Andrew Baker
因此，布薩基認為，神經科學不應該只是「從外向里」看，即從現實世界中選擇某些刺激或體驗，然後試圖在大腦中找出相應的神經關聯。他的想法截然相反，認為應該「從裡向外」看。這種方法首先觀察的是整個大腦的行為模式，然後再去考察這些模式如何產生人類體驗的多重面向。
布薩基對「從外向里」和「從裡向外」的區分，有助於重新審視大腦研究的前景。
新的技術和數據有用嗎？
在很多神經科學家看來，研究的關鍵就是使用新技術獲得越來越多的精細數據，而這些數據總有一天能使得在細胞層面進行精確干預成為可能。然而要想理解整個大腦，一次實驗記錄了多少個神經元數據並不是至關重要的參數。與這些數據同樣重要的是科學家同時探測了多少個大腦區域，這點甚至可能更加重要。
「我們可以記錄更多的神經元信息，並且這些信息的質量對於實驗人員來說也會越來越好，」布薩基說，「但為了搞清楚哪些信息對於理解大腦的工作機制有用，你需要同時記錄下游大腦結構中的信息，從而了解這些信號是否被其他神經元利用。僅僅說『我記錄了海馬體中500萬個神經元的信息』是不夠的，新皮層如何理解這500萬個神經元的產出，這點同樣十分重要。神經的信息就在這些互動中。」
根據上述觀點，如果埃隆·馬斯克的Neuralink公司能夠同時記錄1000個神經元信息，正如馬斯克在最近的公開活動中炫耀的那樣，這「對於製造腦機介面而言是一件非同尋常的事情」，布薩基說。神經科學家們驚訝於該公司是如何將三種技術融合在一起的：柔韌的電極、將電極注射進大腦的裝置、在大腦和設備之間成功傳輸數據的方法。然而除此之外，Neuralink公司的產品還有什麼其他用處呢？這就很難說了。記錄1000個神經元、甚至更多數量的神經元信息，並不必然能揭示出關於大腦的新洞見。
— Andrew Baker
探測大腦的任何新工具都可以打開「一扇新的窗戶」，布薩基說，「但只有你能以不同的方式看待事物時，那扇新窗戶才有用。今天我可以做出比艾薩克·牛頓更精密的實驗，但那不能使我成為艾薩克·牛頓。」
布薩基相信「從外向里」的框架強化了人們的誤解，認為大腦是被動的，這有點像計算機——一個感知引擎從外部世界獲取刺激，再用某種內部模型表征那些刺激，而這種模型能將被感知到的事物區分為好或壞，然後決定採取何種行為，由分管運動的各個大腦區域協作執行。
但即便是昆蟲和其他物種當中最小、最簡單的大腦，儘管小得無法區分感知和運動中心，它也可以採取行動，做出回應。這些動物的大腦和人類大腦又有哪些共同之處呢？它們可以讓自己的身體在自己所處的環境中生存下去。布薩基認為，大腦只有一個主要的進化目標：探索世界，持續從「成功的探索式行為的後果」中學習，以便將來重複使用。人類與其他生物體的區別在於，我們更擅長於此。至關重要的是，即便在大腦活動過程中並不存在某種決策中心，人類仍然擅長於學習，布薩基說道。「大腦不是用來處理信息的，」他寫道，「而是用來創造信息的。」
— Brian Stauffer
儘管這種觀點和其他不斷湧現的大腦理論均假定，大腦並非以神經科學家通常所想像的方式運轉，但它們很可能帶來了反直覺的好處，那就是為理解大腦的工作機制掃清障礙。畢竟，如果所有構成認知基礎的經驗都要服務於大腦對世界提出和檢驗假設的努力，那麼這些經驗可能就具有共同的機制，能夠被探測和解釋——也許還能用公式去描述，這是所有健全的科學理論的基礎。事實上，至少有一些哥本哈根會議的參會者看到了一些跡象，認同布薩基的觀點可能是對的。
華盛頓大學的計算神經科學家阿德里安·費爾霍爾（Adrienne Fairhall）指出，當科學家同時測量很多神經元在網絡水平的行為時，相對於參與其中的細胞和突觸的數量，這些神經元的行為模式「沒那麼複雜」。她說，我們應該有可能用公式或算法發現這些模式，就像描述其他複雜而動態的系統，比如人群或流體。
正如科學家不用測量液體或氣體中的每一個原子，就可以使用流體動力學預測液體和氣體的行為，神經科學家也可以不用測量每一個腦細胞，就能通過模型預測大型神經元網絡的行為。
在進入神經科學領域之前，西北大學的薩拉·索拉曾經是一名理論物理學家，她說，幾百萬年的演化可能已經讓神經元行為產生了諸多變異，而更高層面的系統仍然運行良好。「演化在行為層面運作，」她說道，「演化不會告訴第52號神經元：嘿，你和大家不在一個調子上。」最近的一項實驗在僅僅擁有300個神經元的蛔蟲身上證明了這一觀點。儘管遺傳信息完全相同的蛔蟲做出相同的動作，它們身上單個神經元的行為卻大相逕庭。細胞活動的不同組合可以產生同樣的更高層面的行為。
— Brian Stauffer
儘管這一結論同樣適用於大腦，但仍然引發了更多的問題。某些大腦活動網絡也許可以被識別和計算，但這些網絡是如何彼此交互的？這種交互能被建模嗎？
這提醒人們，哪怕有這麼多的新工具和新數據集，神經科學也許正在接近於取得實質性突破，但也許仍然前路漫漫。當你在黑暗中摸索時，你不可能確切知道自己將撞上什麼東西。
「我們正處在這樣一個時代，很多教條受到了挑戰，這迫使我們必須拓寬思維的界限，」費爾霍爾說道，「我認為，儘管已經出現了一些曙光，但那個能夠整合一切的黃金新概念目前仍然沒有出現。」
Brian Bergstein
現居波士頓，記者，NEO.LIFE網站編輯。曾任MIT Technology Review執行主編、美聯社科技編輯。
本文經授權轉載自微信公眾號「神經現實」，戳「https://onezero.medium.com/will-it-ever-be-possible-to-understand-the-human-brain-718c8c92722d」可查看原文。
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