解鎖大腦之謎

菲利斯·賈布爾

通過對大量不同物種的大腦進(jìn)行解剖和分析，人類對大腦的一些固有的認(rèn)知受到了顛覆，在“大腦湯”的幫助下，人類對大腦有了新的認(rèn)識。

2012年6月的一天，在巴西圣保羅國際機(jī)場，蘇珊娜·埃爾庫拉諾一霍澤爾將兩個沉重的行李箱吃力地放到安檢儀的傳輸帶上。箱子緩緩?fù)ㄟ^安檢儀時.安檢人員不禁睜大了眼睛：兩個行李箱里裝的，并非衣服、化妝品或別的什么日常旅行用品，而是20多個古怪的小包裹.每個里面都有一團(tuán)懸浮于液體中的模糊物體。安檢員懷疑埃爾庫拉諾一霍澤爾試圖將鮮奶酪走私入境——幾分鐘前就有兩個人試圖這樣做，遂要求開箱檢查。

“里面沒有奶酪，只是大腦而已?！卑枎炖Z一霍澤爾說。

她解釋說，自己是一名神經(jīng)科學(xué)家，剛從南非做完科學(xué)考察歸來。在這次非同尋常但完全合法的行程中，她收集了長頸鹿、獅子、羚羊、貓鼬、鬣狗、角馬和跳鼠等許多動物的大腦，將它們浸于防凍液里，準(zhǔn)備帶回她位于里約熱內(nèi)盧的實驗室。最后，安檢員在檢查了她出示的—大疊許可及相關(guān)證件后將其放行。

埃爾庫拉諾·霍澤爾如今是美國范德堡大學(xué)（位于田納西州首府納什維爾市）的一名教授兼研究員。過去12年間，她已經(jīng)收集了130多個物種的大腦.既有老鼠、松鼠、鴿子等尋常物種的，也有古氏樹袋鼠和袋獾等珍奇物種的。她有不少小蜜蜂的大腦，還有一頭非洲象的大腦。如果條件允許，她傾向于將大腦整個取出，并在運(yùn)輸途中竭盡全力地加以保護(hù)。

大腦中蘊(yùn)含著當(dāng)今科學(xué)的諸多未解之謎。人類對于它的認(rèn)識較為膚淺，未知的領(lǐng)域遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于已知的領(lǐng)域：我們不清楚大腦如何產(chǎn)生意識：也不清楚睡眠及做夢的意義之所在：許多常見的精神疾病和神經(jīng)錯亂的病因仍然不明：記憶的物理形態(tài)是什么？對此我們所知甚少，我們依然未能破譯神經(jīng)系統(tǒng)的奧秘，即神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)是如何利用電信號和化學(xué)信號來儲存及傳送信息的。我們甚至都不知道人類大腦中究竟有多少細(xì)胞，只不過以前覺得自己知道。直到2009年埃爾庫拉諾-霍澤爾將其一項重大發(fā)現(xiàn)公布，這一謎團(tuán)才被解開。

在埃爾庫拉諾·霍澤爾取得突破性發(fā)現(xiàn)之前，有一種關(guān)于人類大腦的說法被科學(xué)家、教科書和媒體記者反復(fù)提及，大致是說：體積大的大腦要優(yōu)于體積小的大腦，因為前者能容納更多的神經(jīng)元。而比體積更重要的是大腦占身體的比率，最聰明的動物都擁有與其體型不相符的大腦袋，比如從人類的體型來看，人類大腦比預(yù)期的大了整整7倍，這是一個無可匹敵的比率。所以按照這種說法，人類在進(jìn)化過程中一定發(fā)生了某種突變，導(dǎo)致大腦與身體的比例遠(yuǎn)大于其他物種，比聰明的類人猿及我們的靈長類近親的也要大。這樣一來，我們就成了動物王國里的“大頭娃娃”，我們的頭蓋骨內(nèi)足以容納數(shù)萬億個腦細(xì)胞，這其中包括1000億個電活性神經(jīng)元，以及10至50倍于此的神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞。

不過，通過對許多物種的大腦進(jìn)行解剖和對比，埃爾庫拉諾一霍澤爾發(fā)現(xiàn)，這個說法有著嚴(yán)重缺陷。她的發(fā)現(xiàn)，不但推翻了此前關(guān)于大腦的諸多假設(shè)和謬誤，改寫了涉及大腦構(gòu)成的基本常識，還提出了迄今為止最為嚴(yán)謹(jǐn)，論據(jù)最為充分的人類大腦進(jìn)化理論之一。

但她做研究的方式迥異于其他同行。她沒有把活體生物的大腦連上電極或加以掃描，也沒有將大腦組織切片后再小心翼翼地置于玻片中觀察，更沒有將大腦長期浸泡在福爾馬林液中。相反，她將大腦攪拌成了糊狀。那些她小心翼翼地包裝后飛越了大西洋的大腦，最終都逃不了變?yōu)橐黄繙啙嵋后w的命運(yùn)，她則親切地稱它們?yōu)椤按竽X湯”。這一研究方法是其突破性技術(shù)的關(guān)鍵所在，能讓我們了解大腦這個可以說是宇宙中最復(fù)雜的物體。在破壞大腦的同時，她也在重塑大腦。

早在攻讀研究生學(xué)位之前，埃爾庫拉諾-霍澤爾便被灌輸了質(zhì)疑一切的思想，因而不囿于各種已存的觀點(diǎn)與論斷。在巴西長大的她回憶說，父母總是強(qiáng)調(diào)，“不要輕信別人，不管對方多么受人尊敬……寧肯多問一句‘為什么？你是怎么知道這件事的？”不過，直到在歐洲取得神經(jīng)系統(tǒng)科學(xué)的博士學(xué)位并于1999年回到里約之后，她才開始面對并糾正神經(jīng)生理學(xué)界的謬誤。

她沒有進(jìn)行博士后研究，而是在里約剛開放不久的生命博物館覓得一份向公眾普及大腦知識的工作。她最先做的項目之一就是調(diào)查公眾對大腦的普遍認(rèn)知，設(shè)置的問題包括“意識依賴于大腦嗎？”“藥物會讓大腦發(fā)生生理變化嗎？”等。調(diào)查結(jié)果讓她大吃一驚：里約受過大學(xué)教育的人當(dāng)中有六成都認(rèn)為，人類大腦只被開發(fā)了10%。這是一個由來已久的謬論，實際上，人類大腦整體上一直很活躍，即便在我們昏昏欲睡或睡覺時照樣如此。這讓她如鯁在喉：這個廣為流傳的謬誤從何而來，又是如何傳播的呢？

她開始在研究論文和科普著作中尋根索源。一番詳盡無遺的調(diào)查之后，埃爾庫拉諾一霍澤爾斷定：這種說法毫無科學(xué)根據(jù)。去年，她與內(nèi)華達(dá)大學(xué)醫(yī)學(xué)院的克里斯托弗·范·巴塞爾德教授共同發(fā)表了一篇論文，總結(jié)了他們的調(diào)查結(jié)果。根據(jù)該論文，在上世紀(jì)50和60年代，少數(shù)科學(xué)家在對小腦區(qū)域進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上，提出了大腦中神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞的數(shù)量約10倍于神經(jīng)元數(shù)量這一說法。然而小腦區(qū)域的神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞與神經(jīng)元的數(shù)量比例恰好很高。

數(shù)十年來，研究人員以訛傳訛，將這一說法推廣到整個大腦。媒體記者則在報道中機(jī)械地照搬了這些數(shù)字。很快，這一錯誤說法就堂而皇之地出現(xiàn)在教科書和教育網(wǎng)站上?！拔乙庾R到.我們首先不知道人類大腦是怎么構(gòu)成的，更不知道其它動物的大腦是怎么構(gòu)成的，也不知道該如何將人類大腦與其他物種的大腦進(jìn)行比較。”埃爾庫拉諾一霍澤爾說。最終，她決定自己尋找答案。

幾十年來，立體測量學(xué)一直是計量腦細(xì)胞數(shù)量的標(biāo)準(zhǔn)方法：先將大腦切片，然后將切片放置于顯微鏡下，計算出其中的細(xì)胞數(shù)量，再用這個數(shù)量乘以相關(guān)區(qū)域的體積從而得到一個估算數(shù)字。這種方法實施起來耗時又費(fèi)力，適用于處理大腦中范圍較小，且相對整齊劃一的區(qū)域。但很多物種的大腦通常都很大，而且錯綜復(fù)雜，不適合采用這一方法。

埃爾庫拉諾·霍澤爾從一份1970年代的研究報告中，發(fā)現(xiàn)了一個替代立體測量學(xué)的有趣建議：為什么不先測量大腦中的DNA總數(shù)，再用它除以平均每個細(xì)胞所含的DNA數(shù)量？這種方法的問題在于，從基因的角度來講，神經(jīng)元各不相同，而且基因組高度活躍，通過不斷地自我拆解和重新組合來強(qiáng)化或壓制某些基因。如此一來，測量DNA總數(shù)時即便出現(xiàn)微小的失誤，也會使整個工作前功盡棄。不過這啟發(fā)埃爾庫拉諾·霍澤爾想出一個更好的方法：“將大腦溶解，但不是數(shù)DNA的數(shù)量，而是細(xì)胞核的數(shù)量。”細(xì)胞核內(nèi)部含有細(xì)胞的基因組.每個細(xì)胞只有一個細(xì)胞核。“細(xì)胞核就是細(xì)胞核，你可以看得很清楚，不存在什么模糊不清的地方?！卑枎炖Z·霍澤爾說。

2002年.埃爾庫拉諾·霍澤爾從生命博物館跳槽到里約熱內(nèi)盧聯(lián)邦大學(xué).在那里從事科技傳播的工作，可以進(jìn)出實驗室并自由選擇研究方向。她最初用老鼠大腦做實驗，先用液氮冷凍老鼠大腦，再用手持式攪拌器把它們打成糊狀。一開始由于操作不當(dāng)，導(dǎo)致大塊的結(jié)晶神經(jīng)組織在實驗室里四處飛濺。后來她把嚙齒類動物的大腦浸泡在福爾馬林液當(dāng)中，此舉可促進(jìn)蛋白質(zhì)交聯(lián)，使細(xì)胞核的核膜變得堅固。接下來再將這些經(jīng)過強(qiáng)化處理的大腦切成小片，用玻璃研缽及研杵將這些大腦切片連同強(qiáng)效工業(yè)肥皂一起搗碎。這個過程會溶解大腦中除了細(xì)胞核以外的所有生物成分，最后大腦就只剩下自由漂浮在幾個小藥瓶里的細(xì)胞核。

埃爾庫拉諾·霍澤爾猛烈搖晃藥瓶，使里面的細(xì)胞核均勻分布后，從“大腦湯”里取了一滴放到顯微鏡的載玻片上。透過目鏡，她看到球狀的細(xì)胞核宛如哈勃望遠(yuǎn)鏡拍出的照片——黑絲絨般的太空中，遠(yuǎn)方的星球熠熠生輝。埃爾庫拉諾·霍澤爾從每個小藥瓶中都數(shù)次取樣，計算出其中的神經(jīng)元和神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞數(shù)量，再將數(shù)值與液體的總體積相乘，最后得出細(xì)胞總數(shù)。通過這種方法，埃爾庫拉諾·霍澤爾取得了史無前例的成果。不到一天時間.她就精準(zhǔn)確定了成年老鼠大腦內(nèi)的細(xì)胞總數(shù)：2億個神經(jīng)元和1.3億個神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞。

在埃爾庫拉諾·霍澤爾開展研究的早期，尤其是當(dāng)她剛結(jié)束對老鼠大腦的研究，轉(zhuǎn)向?qū)`長類動物的大腦進(jìn)行研究時，同行們對她進(jìn)行了強(qiáng)烈抵制。因為作為一個籍籍無名的年輕巴西科學(xué)家，她不僅提出了一種截然不同的大腦研究方式，還否定了流傳數(shù)個世紀(jì)的傳統(tǒng)智慧。不過隨著越來越多相關(guān)數(shù)據(jù)的取得，人們開始打消對她研究的疑慮。加拿大阿爾伯塔省萊斯布里奇大學(xué)進(jìn)化神經(jīng)學(xué)家安德魯·伊沃尼克便說：“毫無疑問，這種方法行之有效。它比傳統(tǒng)的方法快數(shù)百倍或數(shù)千倍。這就意味著我們可以快速比較許多物種的大腦，看看到底是什么讓人腦如此特別——或不特別?！?img alt="" src="https://cimg.fx361.com/images/2018/06/15/qkimageshwwzhwwz201806hwwz20180605-3-l.jpg"/>

2016年時，埃爾庫拉諾·霍澤爾已經(jīng)前往范德堡大學(xué)工作。當(dāng)我們走進(jìn)她的新實驗室后，首先映入眼簾的就是4個排成一排的白色大冰柜。她打開其中一個，露出了擺滿特百惠盒子的架子。每個盒子上都貼著標(biāo)有數(shù)字的膠帶：19號盒、6號盒、34號盒……“這些盒子里裝的是什么？”我問。“哦，各種各樣的東西，”她回答道，“大約有200個不同的大腦，都是鳥類和哺乳動物的……在這里你可以看到各種食肉動物的大腦，有獅子、豹子、狗、貓、浣熊的，有鴕鳥的，有靈長類動物的，還有一群長頸鹿的——它們的脊髓也在這里，那脊髓足足有4米長?！?/p>

截至目前，埃爾庫拉諾·霍澤爾已經(jīng)發(fā)表了關(guān)于80多個物種的大腦研究成果。比對的物種越多，她的結(jié)論也越清晰：大多數(shù)關(guān)于大腦及其細(xì)胞成分的信條都是錯誤的。首先，體積較大的大腦并不一定比體積較小的大腦含有更多的神經(jīng)元。她發(fā)現(xiàn)，有些物種的大腦特別密集，比起其他物種海綿似的大腦，在相同體積的腦組織中細(xì)胞的含量更多。一般來說，因為靈長類的神經(jīng)元總體上比較小，所以它們的大腦比其它哺乳動物的要密集許多。盡管獼猴的大腦只比地球上最大的嚙齒動物水豚的大腦稍大一些，但獼猴的神經(jīng)元數(shù)量卻是水豚的6倍多。鳥類似乎有著最密集的大腦，但它們的大腦都不怎么大。如果一只鳥的大腦能像西柚那么大，那它可以統(tǒng)治世界了。

“大腦湯”研究技術(shù)進(jìn)一步揭示，人腦有860億個神經(jīng)元和差不多同等數(shù)量的神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞，而非1000億個神經(jīng)元和數(shù)萬億個神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞。這迥異于教科書和研究論文中經(jīng)常引用的數(shù)據(jù)。而且人類肯定也不是擁有最多神經(jīng)元的物種：非洲象的神經(jīng)元數(shù)量3倍于人類的，達(dá)2570億個。

而當(dāng)埃爾庫拉諾·霍澤爾把關(guān)注的焦點(diǎn)投向大腦皮層（大腦的最外層褶皺）時，她發(fā)現(xiàn)了一個令人震撼的差異：人類有160億個皮質(zhì)神經(jīng)元，排在第二位的是猩猩和大猩猩，有90億個，黑猩猩的則是60億個。大象的大腦雖然比我們?nèi)祟惖拇?倍.但大腦皮層里只有56億個神經(jīng)元。迄今為止，在地球上的所有物種當(dāng)中，人類似乎擁有著最多數(shù)量的皮質(zhì)神經(jīng)元。

工具制造、解決問題、復(fù)雜的交流和自我意識等能力，此前曾被認(rèn)為是人類獨(dú)有的心智能力，如今都已被證實，在動物界存在的遠(yuǎn)比人們之前認(rèn)為的要普遍得多。人類只是將這些能力發(fā)展到了一個空前的程度而已。埃爾庫拉諾·霍澤爾認(rèn)為，對于這種差異最簡單的解釋就是，人類大腦皮層神經(jīng)元的數(shù)量是已研究過的其它物種的將近兩倍。

即便如今我們?nèi)祟惖拇竽X皮質(zhì)神經(jīng)元比其他任何物種的都多，但這一差異性的真正意義依然不甚明確。要知道，大象的皮質(zhì)神經(jīng)元不足人類的三分之一，但大象是人類已知的最聰明的動物之一，會制造工具，能認(rèn)出鏡子中的自己，甚至對死亡也有某種程度的認(rèn)知。同樣，屬于無脊椎動物的章魚并沒有大腦皮層，其大腦和觸手內(nèi)分別分布著不足1億和3億多個神經(jīng)元，但這并不妨礙它成為最聰明的海洋生物之一。章魚能夠記住不同的人，打開結(jié)構(gòu)復(fù)雜的謎題箱子，從“防脫逃”水箱中逃出。大腦極其微小的蜜蜂，則有著優(yōu)于很多大腦更密集生物的協(xié)作與溝通天賦。

歸根結(jié)底，簡化論既是“大腦湯”技術(shù)的核心力量，也是此項技術(shù)的一大缺陷。將一個難以捉摸、錯綜復(fù)雜的生物實體轉(zhuǎn)化為小小的一組數(shù)字，該方法使之前無法實現(xiàn)的研究成為可能，但與此同時，人類也可能高估這些數(shù)字的作用。

在其《人類的優(yōu)勢》一書中，埃爾庫拉諾·霍澤爾強(qiáng)調(diào)了認(rèn)知潛能和能力之間的差異。我們和20萬年前的人類擁有幾乎相同數(shù)量的神經(jīng)元，所擁有的能力卻天差地別。人類的智慧至少有一半不是源自生物學(xué)，而是源自文化——源自于我們所處時代的語言、傳統(tǒng)和科技。文化，釋放了大腦的潛能。

[譯自美國《紐約時報》]