一部浓缩的神经科学史

    ■梁培基

    2017年“中国好书”《三磅宇宙与神奇心智》作者、复旦大学教授顾凡及近年来在脑科学方面做了许多卓有成效的普及工作。顾老师对脑科学的科普，始于约20年前，作品数量大概不下十部。他的新作《发现大脑》是以人物故事的体裁向读者介绍神经科学发展史上一些具有里程碑意义的发现。这本书堪称一部浓缩的神经科学史，并且很耐读，书中每一个故事，都值得慢慢地品味。

    “只相信大自然和亲眼之所见”

    本书介绍的第一位人物，是生活在16世纪的意大利解剖学家维萨里。在那个时代，对人体的探索多受限于教会的阻碍；医学院所传授的解剖学知识，主要是来自对动物的解剖。医学生根据学到的动物解剖知识去治疗人体疾病，不免会出现很多问题。学校里，教师按教科书授课，学生按教科书考试，这在大多数时候、大多数地方都是天经地义的事情，即便在21世纪，依然如此。然而总也有为数不多的一些人，对教科书的内容不太满意。帕多瓦大学的教授维萨里就是这么一个人。他在教学中发现了教科书中的多处谬误，因此劝告学生“不要过于相信解剖书上所说的一切”。为了纠正传统教材中的错误，他花了5年时间投入到对人体的解剖工作中，于1543年完成了长达700页的解剖学图谱《人体的构造》。虽然250多幅插图里只有10多幅涉及大脑结构，却堪称神经解剖图谱的开山之作。根据神经系统的结构和分布，维萨里认为神经的作用是传递感觉和运动，脑和神经系统是心智和情绪的中心。

    神经解剖历史上，以自己的观察来写书和绘制图谱的，维萨里并不是唯一。英国医生威利斯也是“每当得到一具新的尸体，就毫不拖延地进行处理，只靠它，而不是寄托于先前学到的他人的说法，也不凭自己的怀疑和猜测，我只相信大自然和亲眼之所见”，并在1664年出版了《大脑解剖学》。这本专著描述了大脑结构的大量细节，包括由威利斯发现并命名的纹状体、视丘、迷走神经等。正是凭借着将病人生前的生理状态与其死后大脑病理解剖相联系，威利斯认识到大脑皮层（而不是脑内腔体）才是心智的所在地，“是运动和思想的来源”。

    跨学科知识结构的力量

    和其他学科相比，神经科学是一门年轻的学科。在其发展过程中，不断地发生和其他学科的交叉融合。神经科学史上的一些重要发现和进步，也渗透了一些其他学科的智慧。

    以物理学知识背景对人体生理系统进行探索，并揭开人体听觉奥秘的，是匈牙利的一位通信工程师冯·贝凯希。在人体感觉系统中，听觉的重要性仅次于视觉。冯·贝凯希对人体听觉系统的研究，是出于对通信系统进行改善的初衷，他希望从人体听觉系统的工作原理中寻找启发。但是听觉系统中对声波进行检测的耳蜗，却是包埋在颞骨深处。因此对其在生理状态下的活动进行观察，是一件非常困难的事情。拥有坚实物理学背景和丰富工程经验的冯·贝凯希设计了一系列的辅助设施，对耳蜗结构以及基底膜活动进行观察。和传统的神经电生理实验相比较，这样的研究更接近工程实验。但是他成功地观察到了基底膜在声波作用下的振动方式，提出了基底膜的行波理论。而这个理论本身，也具有丰富的物理学内涵。

    神经动力学是神经科学的一个新的分支，其创始人弗里曼是近代神经科学史上的另一个传奇人物。他本人以物理学和电子学的背景进入医学科学领域，他的实验通过电生理方法，对嗅觉过程中兔子嗅球神经元的电活动进行记录，并对实验结果进行分析。他的研究结果告诉我们，在嗅球，嗅觉刺激特性并不是通过单个神经元的活动模式来反映，而是通过大量神经元群体的协同活动来进行编码的；而且，神经元的活动模式不仅和外界刺激有关，还和脑内活动的近期状态有关。这个神经元群体活动对刺激信息动态编码的规律，不仅存在于嗅觉系统，也适用于其他感觉系统。有人认为他的科学思想远远超越了其所处的时代。

    用数学方法解决神经科学问题的历史，可以回溯到20世纪中叶。那时，工具药远不如现在丰富，电生理技术也远不如今天发达。将神经电生理和数学计算相结合，霍奇金和赫胥黎的工作阐明了动作电位发放过程中离子通道的活动规律，被誉为“神经科学界的麦克斯韦”。对于亦师亦友的霍奇金，赫胥黎有如下评价：“他善于识别自己感兴趣的领域的重要问题，同时找出定量解决这些问题的方法。再加上他在解剖学和电子学方面娴熟的技巧，以及数学方面必要的深厚功底，使他得以胜任非常困难的任务。”其实赫胥黎本人也拥有这样的卓越品质。在解剖学和电子学两个方面都具备娴熟的技巧，这绝对不是一件轻而易举的事情。得益于剑桥大学独特的培养模式，主修生物科学的霍奇金在数学上投入了大量的精力；而主修数理专业的赫胥黎则选修了生理学。宽广且深厚的知识背景，使得这对黄金搭档在研究中如鱼得水，但是知识的学习和积累，却远非一日之功。

    向病人致敬

    虽然从维萨里开始，人们就已经开始认识到大脑是心灵的居所，然而大脑功能究竟是如何组织的，是整个大脑整体参与了全部功能，还是大脑的各个部分分别实施了脑的各种功能，当时的人们并不明白。直到19世纪，法国医生布罗卡根据对多个病例的观察和分析，首先确认了语言表达在脑中是有特定的功能定位的。此后，综合其他人的工作，人们对大脑皮层具有功能性分工的概念形成了共识。而20世纪以来，临床医生和他们的病患合作者，更是为我们对大脑的认识贡献良多。

    加拿大神经科医生彭菲尔德的专长是手术治疗癫痫。为了手术安全，彭菲尔德设计了一个操作规范，就是术中在对癫痫病人进行脑内病灶切除之前，先要检查一下有待切除的区域是不是包含了重要的功能区域。这本来是个临床规范，但是身为外科医生的彭菲尔德同时也关注大脑功能分区的问题。依赖于对163个病例的观察，他绘制了中央沟前回初级运动皮层和中央沟后回初级体感皮层中的躯体部位投射图，并发现了辅助运动皮层的语言功能，以及颞叶在记忆和意识中的作用。这些发现，使得自布罗卡以来对大脑功能分区的认识又进一步细化了。

    癫痫病人中，有一部分出于治疗的需要，会接受颞叶切除手术。曾经师从彭菲尔德的心理学家米尔纳，通过对一些颞叶切除病人的研究，发现内侧颞叶切除会导致失忆，确认颞叶深处的海马结构的一个重要功能是将短时记忆转化为长期记忆。其中有一位病人和米尔纳之间的合作甚至长达近50年，他名字的缩写H.M.，也经常出现在教科书中。通过对这位病人的跟踪观察，米尔纳发现人脑中存在不同的记忆系统，负责不同的记忆任务。海马缺失导致陈述性记忆能力的损伤，而非陈述性记忆则是由另外的系统负责。坎德尔对此赞扬说：“米尔纳对H.M.的研究是近代神经科学史上的丰碑之一，它开辟了研究脑中两种记忆系统（外显记忆和内隐记忆）的途径，为日后对人类记忆及其异常的一切研究打下了基础。”

    布罗卡、彭菲尔德和米尔纳的发现，都已经成为教科书上的经典，而神经科学依然在探索中前行。大脑有左右两个半球，两个半球之间通过由神经纤维组成的胼胝体相互联系。左右个半球看似对称，所以人们习惯于认为大脑两侧的功能也是对称的。对有些癫痫患者，为了阻断癫痫发作从大脑的一侧扩展到另一侧，医生会施行胼胝体切断术。这种手术在阻断疾病发展的同时，也阻断了大脑两个半球之间的功能联系。加扎尼加长期以这样一些“裂脑病人”为合作对象，通过一些专门设计的实验，发现大脑两个半球的功能差异以及相互间的联系和协调，并开创了“认知神经科学”这个新领域。被坎德尔誉为“当代布罗卡”的拉马钱德兰，也是通过和一些伤残病人的合作，揭开了幻肢之谜，并通过现代技术手段，阐明了联觉产生的脑机制。

    人们常说，医学科学的发展离不开病人的贡献。神经科学的发展中，又何尝没有病人的贡献！