## 为什么搞清楚脑的工作方式如此困难 脑并不是一个在实验上容易对付的器官。一方面，它不像我们所熟悉的任何东西——它不是一个泵（像心脏那样），也不是一个过滤器（像肾脏那样）。神经元（在脑和脊髓中负责传递信息的细胞）非常微小，肉眼是看不到的。神经束，比如构成坐骨神经的那些神经束，是可以看到的，但这些神经束是由成千上万个神经元构成的。在大脑皮层中，一立方毫米的脑组织包含着数以万计的神经元，10亿计的连接点（突触），这些连接加起来的长度大约有4000米。 没有光学显微镜，无法看到作为单个细胞的神经元，[\[1\]](#id_1_11)而光学显微镜直到大约1650年才开始在研究中广泛使用。即使在那时，也必须要寻找专门的化学染色剂，以便单个的微小的神经元能够从紧密包裹在一起的数以百万计的微小神经元中凸现出来。只有如此才能看见神经元的基本结构——接受信息的输入端和传递信息的长长的连接线。分离出活的神经元来研究它们的功能的那些技术直到完全进入20世纪以后才出现。 在脑如何工作这个问题上取得进展依赖于对电的理解。这是因为脑细胞的特殊之处在于它们彼此传送信号的能力，而这个能力是由它们电状态的迅速但却微小的变化造成的。所以，如果你对电一无所知，而你又想要知道神经元怎么传送信号以及信号是什么的时候，你就会丈二和尚摸不着头脑。你也许会想，神经元是通过魔力在沟通。在很长一段时间，人们都摸不着头脑，即使在人们已经知晓了神经元的基本结构以后也是如此。 多亏了路易·伽伐尼（Luigi Galvani），他在1762年观察到电火花会造成青蛙分离的肌肉发生痉挛，由此，电对于神经和肌肉的功能也许是非常重要的这个想法就提上了研究日程。但电是怎样做到这一点的呢？伽伐尼自己完全不理解这之间的关联，这主要是因为在那个时代对电的了解还非常贫乏。他猜测存在着一种特殊的电生物液体，这种液体被携带到神经和肌肉。直到20世纪上半叶，研究才发现神经元的信息传递依赖于离子（带电原子）突然间地跨神经元膜的进出运动。在1952年，两位英国生理学家劳埃德·霍奇金（Lloyd Hodgkin）和安德鲁·赫胥黎（Andrew Huxley）对离子的跨膜运动是如何造成了信号最终做出了精确的解释。这个发现革新了脑科学，但注意这个发现是晚近到1952年才做出的，那是我已经出生了。 简单来说，霍奇金和赫胥黎的发现是这样的：向所有细胞一样，神经细胞（神经元）也有外表膜，部分由脂分子构成的外表膜具有特殊的蛋白门，通过门的开合，特定的分子会跨膜进出神经细胞。当神经元处于静息状态，膜内相对于膜外带负电，这是由于正电离子，比如钠离子，的主动泵出造成的。负电离子，比如氯离子，则被隔离在神经细胞内部。当神经元受到刺激时，这种电压差会突然改变。神经元之所以特殊就是由于这种迅速的跨膜电压变化。例如，当你碰到热的炉子，热敏感神经元就会做出反应，在这种情况下，钠离子会冲进细胞，短暂的扭转膜内外的电压。在这之后，钠离子又会立即被泵出神经元膜，恢复原来的状态。这个跨膜电压的迅速扭转和恢复就是被称作峰电位（spike）的东西。在神经元附近放置一根导线，并将其与扩音器连接，你就会在神经元处于峰电位时听到噼啪声。 电压变化一旦开始，它就会沿着神经元膜一直运动到终点（峰电位传导）。这种信号也被称为神经冲动（nerve impulse），它最终（在几毫秒之内）会到达那个神经元的尾端。这会造成化学物质（神经递质）的释放，释放出的神经递质会穿过一个细小的空间来到下一个神经元，停靠在特定的位置，造成这个接收神经元的电压变化。而接着，如果神经元连接的是一个肌肉细胞，肌肉就会做出反应，比如通过收缩。这个解说诚然是过于简单化了，但它却开启了通往神经系统的大门，这其中是一个复杂而壮丽的世界。[\[2\]](#id_2_7) 尽管我们都习惯了各种各样的电子装置，但了解到下面这一点，还是不免让我们大吃一惊，那就是迟至1800年，电还不为人们所理解。许多人把电现象视作神秘的事，根本不可以作为物理现象来解释。在19世纪初叶，所有这一切都改变了，那时电开始被明确地作为一种完全物理的现象来理解，它遵循明确的法则运作，并且能够在实践中被操控。[\[3\]](#id_3_7)有些人悲叹这个发现把神圣的神秘性从电现象中驱逐了出去，而其他的人则开始发明各种电子装置。 神经科学中尚未解决的所有困惑为（非物理的、柏拉图意义上的）灵魂留有空间吗？可能吧。但在我看来，这样的可能性实在是渺茫的很。尽管如此，如下的这种情况还是让许多人对二元论不忍释手，即当神经元以峰电位做出反应，神经元所做出的这种反应似乎完全不同于我在碰到热炉子时所感到的疼痛。神经元——也许需要许许多多的神经元——的活动是怎样产生出痛觉或听觉抑或视觉呢？ 答案仍是未知数，但有许多策略都可以用来推进对这个问题的回答，尽管这些策略中有一些会聚敛在一起。所以，虽说不是对机制的充分详细的解释，但在这个问题上进展还是有的。（更详细的讨论，参见第9章）例如，许多研究都已经在尝试精确地理解当一个人被麻醉失去了有意识的觉知时发生了什么。许多麻醉药是通过关闭某些类型神经元的活动来发挥作用的，尽管哪些区域特别容易受到这种抑制作用的影响仍旧是悬而未决的问题。一种不同的研究路径针对的是深度睡眠中觉知的丧失，而其他的研究则针对的是当注意力放在其他事物上时对一个刺激未能有所觉知。尽管这些研究的路径是不同的，但对于有意识与无意识过程相互依赖的研究进展得却越来越快。 [\[1\]](#id_1_10) 这一点适用于绝大多数神经元，但令人非常惊奇的是，乌贼有一个非常巨大的运动神经元，它可以控制乌贼的喷水推进系统的肌肉，这个神经元的轴突肉眼就能够看到。由于它的尺寸（直径有大约一毫米），在20世纪神经科学发展的早期阶段，乌贼的巨大轴突成为神经科学家做研究的有用对象。通过对它的研究，霍奇金和赫胥黎搞明白了神经元传递和接受信息的机制。 [\[2\]](#id_2_6) For a terrific website that shows how neurons work,see Gary Matthews,http://www.blackwellpublishing.com/matthews/animate.html.For a more advanced electronic text by Gary Matthews,go to http://books.google.com/books/about/Introduction\_to\_Neuroscience.html?id=1dRYEQwJcEAC. [\[3\]](#id_3_6) Edmund Taylor Whittaker,A History of the Theories of Aether and Electricity:From the Age of Descartes to the Close of the Nineteenth Century（Forgotten Books:Originally published 1910,reprinted 2012）.