從物理學(xué)到腦科學(xué)
——克里斯托夫·科赫訪談錄

編譯 陳軼翔

神經(jīng)元建模自然而然地引發(fā)思考神經(jīng)科學(xué)中更深層次的問題，包括意識的本質(zhì)和實(shí)驗(yàn)可重復(fù)性危機(jī)。

20世紀(jì)80年代早期，克里斯托夫·科赫（Christof Koch，現(xiàn)任西雅圖艾倫腦科學(xué)研究所所長、首席科學(xué)家）的博士生導(dǎo)師從德國去了美國麻省理工學(xué)院（MIT），他邀請科赫進(jìn)行博士后研究。之后導(dǎo)師還給他發(fā)了一份電報(bào)，對他的情況表示擔(dān)憂：“美國已經(jīng)有人在對神經(jīng)元建模。你很快會成為父親，一旦你走入了更大的世界，我可不能保證給你提供一份工作?！笨坪债?dāng)然沒被嚇住，他馬上前往MIT。想起那份電報(bào)，他不禁笑了出來：“現(xiàn)在，毫無疑問，有成千上萬的人在各種尺度上對大腦建模。”

在MIT工作4年之后，科赫加入了加州理工學(xué)院。2011年他又到了西雅圖的艾倫腦科學(xué)研究所?？坪諏奈锢韺W(xué)的角度理解意識抱有濃厚興趣。他說：“我的研究興趣從物理學(xué)向神經(jīng)科學(xué)的轉(zhuǎn)變是十分自然的，我一直對計(jì)算機(jī)著迷，也經(jīng)常被大腦深深地吸引，用物理學(xué)的方式來研究大腦似乎是相當(dāng)討巧的?！?/p>

在艾倫研究所里，科赫管理著一支330多人的團(tuán)隊(duì)，該團(tuán)隊(duì)致力于確定和列出小鼠和人類大腦中不同種類的神經(jīng)元，還要建立“大腦觀測站”，追蹤小鼠大腦活動(dòng)中數(shù)以萬計(jì)神經(jīng)元的活動(dòng)。團(tuán)隊(duì)另一個(gè)目標(biāo)是在神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域引入通用標(biāo)準(zhǔn)，提高實(shí)驗(yàn)的可重復(fù)性。

從物理學(xué)轉(zhuǎn)行到神經(jīng)科學(xué)難嗎？

我還記得我在德國參加神經(jīng)生物學(xué)會議上貼過的第一張海報(bào)。當(dāng)時(shí)我還是德國圖賓根大學(xué)和馬克斯·普朗克生物控制論研究所的研究生，而且是當(dāng)時(shí)唯一的建模者，其他人都在講述他們的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。我那張用電纜理論解釋樹突棘特征的海報(bào)被放在展示廳的最后面，只有兩個(gè)人經(jīng)過，而其中一個(gè)人只想知道洗手間在哪兒。在順便看海報(bào)的同時(shí)，他用同情的眼神看著我，讓我解釋一下我的計(jì)算機(jī)模擬。那個(gè)晚上，我喝醉了，我懷疑選擇神經(jīng)元建模是個(gè)錯(cuò)誤的研究方向。

克里斯托夫·科赫坐在他的辦公室里，背后的照片是他的導(dǎo)師弗朗西斯·克里克

但是事情無疑變好了。您最后怎么去了加州理工學(xué)院？

著名的物理學(xué)家約翰·霍普菲爾德（John Hopfield）是真正推動(dòng)計(jì)算科學(xué)并給這個(gè)領(lǐng)域帶來信心的人。他在MIT工作的時(shí)候，我曾經(jīng)和他同在一個(gè)辦公室。他告訴我，加州理工學(xué)院正在尋找這樣的人：能從工程學(xué)層面看大腦，也能從生物學(xué)層面看待計(jì)算機(jī)。隨后加州理工學(xué)院征詢了我的意向，于是我得到了這份工作。

我到達(dá)加州理工學(xué)院后，生物學(xué)家認(rèn)為，克里斯托夫顯然是最聰明的，但是他明顯是個(gè)工程師；而工程師們則認(rèn)為，克里斯托夫明明是個(gè)生物學(xué)家。最終教務(wù)長打破了這個(gè)僵局，他設(shè)立了一個(gè)同時(shí)在兩個(gè)系服務(wù)的職位。這是對在交叉領(lǐng)域工作人員的通常安排。

在加州理工學(xué)院，你把全部精力都投入了意識研究，是什么讓你對這個(gè)領(lǐng)域感興趣的？

我最感興趣的工作是關(guān)于意識的問題。這是亞里士多德提出的一個(gè)古老的問題。我們發(fā)現(xiàn)，自己身在一個(gè)可以用物理學(xué)和其他科學(xué)完美描述的宇宙中，但是我們也很迷惑，為什么生活會是這個(gè)樣子。

比如，悲傷從何而來？快樂又從何而來？我首先想到了疼痛。比如我們知道疼痛是個(gè)物理過程：受體被激活，電活動(dòng)沿著神經(jīng)傳輸，進(jìn)入脊髓，最后轉(zhuǎn)換成丘腦中的刺激，導(dǎo)致腦皮層的電活動(dòng)。但是那究竟是什么？所有這一切意味著有些離子在你腦中晃蕩，比如鈉、鉀、氯、錳等。這僅僅是物理學(xué)，但是為什么產(chǎn)生疼痛的感覺呢？這種感覺是從何而來的？

先回到1989年，我開始在弗朗西斯·克里克的科研機(jī)構(gòu)里從事意識的研究，當(dāng)時(shí)這一研究領(lǐng)域還并不流行。我們是把意識用科學(xué)方式研究的第一批科學(xué)家。我們說，讓我們忘記哲學(xué)吧，去尋找意識在大腦中的足跡吧。當(dāng)我們感到痛苦或悲傷、能夠產(chǎn)生視覺和嗅覺時(shí)，在大腦中有什么特殊機(jī)制被激活呢？是否有特殊電活動(dòng)與此有關(guān)，比如振蕩？是否有特殊的基因與此有關(guān)？你可以提出問題。不管你認(rèn)為意識是否真的存在，你都可以獨(dú)立地詢問這些問題?，F(xiàn)在有數(shù)百個(gè)實(shí)驗(yàn)室都在追蹤意識在大腦里的各種足跡，這是個(gè)大工程。

這個(gè)研究有什么進(jìn)展嗎？

有的。例如，有成千上萬個(gè)病人難以意識到家里有沒有別人。他們呻吟著，眼睛睜開或閉上，擺動(dòng)著腦袋。最后有些人會康復(fù)，有些人因此死去，有些人活著但是一直受到折磨。現(xiàn)在有一種設(shè)備正在臨床試驗(yàn)，用磁脈沖探測腦皮層的各種活動(dòng)。你可以通過高密度的電極網(wǎng)絡(luò)來測量電反應(yīng)，然后可以看到復(fù)雜的反應(yīng)，推論出病人是否有意識。這稱為經(jīng)顱磁刺激。

意識還是你最感興趣的研究方向嗎？

是的，有一系列主題都與意識有關(guān)。其他動(dòng)物有意識嗎？如果你養(yǎng)了狗或者貓，毫無疑問你覺得你的寵物是有意識的。那么到底意識的范疇在哪里？是只限于哺乳動(dòng)物嗎？烏賊或者章魚有嗎？它們也是很復(fù)雜的生物。蜜蜂呢？一只蜜蜂只有100萬個(gè)神經(jīng)元，而人有810億個(gè)。蜜蜂可以識別其他個(gè)體，它能跳復(fù)雜的8字形舞，那它到底有沒有意識？

我們必須意識到夜晚是奇怪的、充滿未知的。普通的物理學(xué)用外部手段來描述世界——磁力、電力、強(qiáng)力、弱力和核子力等?？赡芤庾R是從內(nèi)部感受到的非常特殊的物理系統(tǒng)。兩者應(yīng)該是同一體系，只是表現(xiàn)在外在還是內(nèi)在。我喜歡從這個(gè)角度理解意識。

又是什么促使你離開了加州理工學(xué)院？

部分原因是我喜歡挑戰(zhàn)。我在加州理工學(xué)院待了27年，我知道我可以在那里待到老。同時(shí)，我開始感到我躁動(dòng)不安，我渴望尋找新的自己。

你來到艾倫研究所后，又遇到了什么挑戰(zhàn)？

一個(gè)挑戰(zhàn)是生物醫(yī)學(xué)研究遭遇到了重復(fù)性危機(jī)。有2/3的實(shí)驗(yàn)，無論是腦成像、癌癥生物學(xué)還是心理學(xué)都無法重現(xiàn)。這是整個(gè)科研機(jī)構(gòu)的軟肋。

造成這種情況的原因很多。一個(gè)原因是生物醫(yī)學(xué)研究競爭十分激烈；另一個(gè)原因是我們面對著一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)。就算是蠕蟲或者蒼蠅大腦都極其復(fù)雜，有相當(dāng)高的自由度，比希格斯玻色子或者黑洞還要復(fù)雜，希格斯玻色子或者黑洞的特征用一些數(shù)字就可以描述了，比如電荷、質(zhì)量、角動(dòng)量。生物醫(yī)學(xué)研究需要標(biāo)準(zhǔn)化。你需要把所有數(shù)據(jù)提供這個(gè)星球上的每一個(gè)人。所以我對研究所的創(chuàng)始人和資助人保羅·艾倫（Paul Allen）說，“建立大腦觀測站吧，我想把天文學(xué)和天文學(xué)模型的嚴(yán)密性帶給神經(jīng)科學(xué)。”他同意了。我們的預(yù)算大約是每年1億美元。

神經(jīng)科學(xué)與天文學(xué)相比有多遠(yuǎn)？

天文學(xué)與神經(jīng)科學(xué)的一個(gè)不同之處是，天文學(xué)只有一個(gè)天空。而神經(jīng)科學(xué)面對的當(dāng)然不只有動(dòng)物。哪怕你研究清楚了一個(gè)動(dòng)物，比如一只小鼠，但是每只小鼠都是不同的，然而我們試圖建立起統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。

另外，與天空不同的是，我能夠在毫秒之內(nèi)精確開啟和關(guān)閉大腦中的單個(gè)神經(jīng)元。所以我不僅能觀察系統(tǒng)，看看小鼠思考時(shí)神經(jīng)元的活動(dòng)，還能擾亂它，這是非常強(qiáng)大的。

運(yùn)營一個(gè)腦科學(xué)研究所和擔(dān)任教授之間有什么區(qū)別？

非常不同?，F(xiàn)在我擁有很多自由。我寫專欄，與其他研究人員交流，我們在艾倫研究所里做同一個(gè)項(xiàng)目。不過我現(xiàn)在是運(yùn)營者。

對我們來說，確立正確的目標(biāo)是生死攸關(guān)的：明確性、可衡量、可操作、現(xiàn)實(shí)和耗時(shí)合理。我必須做出決策。這種情況更類似產(chǎn)業(yè)界，即無法為每個(gè)人提供足夠的資源。人們不斷抱怨甚至嫉妒他人，還要考慮相關(guān)政治問題等。最大的困難是我必須做出直接影響人的決定，這很艱難，而且往往不會很愉快，但是對實(shí)現(xiàn)我們更大的愿景至關(guān)重要。

你對未來有何規(guī)劃？

我不知道。很多事情都在進(jìn)行。腦研究所的10年規(guī)劃大概在2022年初完成。

生物學(xué)正在成熟，部分原因是因?yàn)橘Y金充足。僅NIH每年就要在生物學(xué)上投入330億美元。美國的總投入是這一數(shù)字的2倍，世界范圍內(nèi)就更多了。最終，我們有必要將研究成果轉(zhuǎn)化為服務(wù)人類生活的產(chǎn)品，這在一個(gè)大學(xué)里很難。在物理學(xué)中，我們有完整的生態(tài)系統(tǒng)，包括眾多小型實(shí)驗(yàn)室、國家實(shí)驗(yàn)室、國際實(shí)驗(yàn)室等。生物學(xué)也需要類似的生態(tài)系統(tǒng)，現(xiàn)在正在形成。

這是一個(gè)激動(dòng)人心的時(shí)代，從業(yè)人員非常多。我們正處于腦科學(xué)研究的黃金時(shí)代。