大脑可塑性意味着我们每天都会变成一个不一样的人

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2020-11-16 06:45

“你就是你的大脑”这一点是毋庸置疑的。无论是你所经之事、所成之人、还是所见之物,你生活中发生过的每一件事都存储在你的大脑中。

据国外媒体报道,大脑的 “可塑性”是现代科学最重大的发现之一,但神经科学家大卫 • 伊格曼(David Eagleman)认为这个词具有误导性。塑料借助模具成型后,就会维持特定的形状不变,而大脑的物理结构处于连续不断的变化之中。不过伊格曼也没法对这个词避而不用,“所有文献都这么写,保守起见,我也只能这么写了。”伊格曼也不赞同将计算机比作大脑,并创造了 “livewired”一词(live 意为 “活的”,wired 意为 “连线”),以强调大脑的 “硬件”和 “软件”是密不可分的

伊格曼体内似乎蕴藏着惊人的能量。他既是斯坦福大学的教授,又是一名小说家,还是 PBS(美国公共电视网)《大脑》节目的主持人,此外还是 HBO 美剧《西部世界》的科学顾问。如今他还是硅谷公司 NeoSensory 的 CEO。该公司研发的小装置可以将数据输送给大脑,让人们可以通过皮肤 “看”和 “听”。

外网 Nautilus 近日对伊格曼展开了一场采访,探讨了神经元如何与彼此进行竞争、人类能否拥有全新的感官体验、以及他为何相信 “你就是你的大脑”等问题。

你说我们对大脑的可塑性几乎一无所知。大脑每天都会经历 “重新布线”吗?

在人的一生之中,大脑每时每刻都在重新接线。你的大脑中有 860 亿个神经元,神经元之间的连接更是多达 1015 次方。这些连接的强度会不断变化,并且会不断断开和重连。所以说,与一周前、或者一年前的你相比,此时的你已经是个不同的人了。你了解到我的名字叫大卫之后,你的大脑物理结构就会有所变化,这就是记忆的过程。

在一周时间里,大脑的连接方式是只会稍有变化、还是会产生显著区别?

两种都有。目前在疫情期间,每个人都会经历许多变化。我们的生活突然不再按部就班,必须重新思考某些事物,充分发挥创造力。大脑会自己建立起一套世界模型,借此预测接下来可能发生的事件。然而突然之间,我们的预测都变得不靠谱起来。在封城期间,唯一的安慰便是我们可以充分利用大脑的可塑性。只要你没生病,大脑就能从疫情中获益,因为我们每天都要用新鲜事物挑战自己,而这对于大脑来说恰恰是最重要的。

有一项已经开展了几十年的研究,受试者是一群终身生活在女修道院中的修女,均同意在死后将大脑捐献出去。研究人员在解剖时发现,有一部分修女患有阿尔茨海默症,但这些修女在世时,别人根本看不出她们得了病。这是因为,她们无时无刻不在 “挑战”自己。修女们有职责和杂务在身,还要经常和他人打交道。而对大脑来说,最大的挑战就是其他人(当然,这种挑战是有益的)。因此在她们去世前,她们的认知系统始终非常活跃。尽管她们的大脑结构受到了疾病的蚕食,但大脑中一直在不断铺设新的路径。

你在书中写道,我们大脑中的各组神经元之间一直在争斗不休,想争夺对大脑特定部分的控制权?

下至单个神经元,各个层面上都存在竞争关系。就好比森林里看似宁静而美丽,但每棵树木和灌木都在为了阳光而竞争,所以有些灌木长得矮宽,有些则把所有能量都用在长高上,伸展枝叶,吸收尽可能多的阳光。神经元之间的关系也正是如此。当一个神经元向另一个神经元传递信号时,也是以神经元之间相互斗争作为大背景的。如果从这个角度看问题,很多事情就说得通了。一旦大脑的某个部位暂时闲置,就会迅速被其它部位占领。

能举个大脑中竞争的例子吗?

我们总把大脑后部负责视觉的部位称作视觉皮层。但如果你失明了,或者甚至只是蒙住眼睛、在扫描机器里待一段时间,我们就会观察到,负责触觉和听觉的脑区开始侵占视觉脑区。如果是天生失明,这部分脑区就会被整个挪作他用,如负责触觉、听觉、单词记忆等等。所以我们不应给各个脑区贴上 “这部分是负责视觉的”之类的标签。

那大脑只是在收集信息,然后进行重新组织整理吗?

大脑的神奇之处在于,它并不在意数据的来源,因为大脑内部的所有信息都是由微弱的电化学尖峰表示的。大脑中的每一个神经元每秒都会激发 10 至上百次,大脑根本不知道某个数据究竟是来自光子、还是耳朵接收到的空气压缩波、还是口鼻感受到的分子混合物。但它就是能弄清楚如何建立反馈回路,将指令发送给对应的肌肉,从而使输入发生特定改变。

你提出了一项有趣的猜测,称我们做梦是为了保护视觉想象力。你是说如果我们不做梦的话,就有可能失去这项能力吗?

没错。如今我们可以用电力照明,但在人类进化史上,99% 的时间里都是无法做到这一点的。你只能生活在黑暗中。黑暗对听觉和触觉没有影响,但对视觉来说就很不利了。考虑到脑区互相占领的速度,视觉皮层很快就会被其它脑区所占。数年前,我的学生唐 • 沃恩(Don Vaughn)和我研究出的一套模型显示,做梦似乎是一种在夜间保护视觉皮层不受侵占的方式。其中涉及到了一条非常特殊的回路。每隔 90 分钟,大脑中部的神经元就会变得活跃一下,展开一些活动。这些活动本身没什么特别的,但似乎是种保护性的激活机制,就好像 “现在是晚上了,你正处于睡眠模式。我们得让这部分脑区保持活跃,不然就会被隔壁脑区攻占掉。”

这么看做梦可真不浪漫!别人都说梦是灵魂之窗,你却说做梦只是为了保持视觉皮层活跃。

我有时也会追求浪漫,但大多数时候只追寻真理。我们分析了 25 种灵长类动物的大脑可塑性以及夜间的快速眼动睡眠长度。结果发现,两者之间有很强的相关性,大脑可塑性越强,所需的快速眼动睡眠就越多。顺便一提,快速眼动睡眠在婴儿时期出现得最多,因为这一阶段的大脑可塑性非常强,最需要好好保护视觉皮层。

假如有某颗行星不会自转,不会有半天时间都处于黑暗之中,这颗行星上的生物就不会做梦了吗?

我们这样会做梦的物种在宇宙中也许十分罕见。假如你生活在一颗永远处于白昼、或永远处于黑暗之中的行星上,就不需要担心这个问题了。或者说,假如你所在的行星自转速度很快,昼夜每隔 90 分钟就会轮换一次,那也用不着做梦。

据说有些人由于出生缺陷、或者手术原因,缺少了半边大脑,但仍然能正常生活。这真的可能吗?

只要是在 7 岁左右之前摘除的,就没有大碍。我曾经和几名幼时做过大脑半球切除术的年轻人交谈过,从交流中根本觉察不出他们少了半边大脑。只不过与被切除的一侧大脑对应的另一侧身体往往略有些跛。但他们的认知能力并没有问题。这说明即使大脑缺失了一半结构,整个大脑系统也能设法正常发挥功能。

动物中也有一些大脑可塑性的例子。比如有一条狗生来就没有前腿,于是学会了只用后腿走路。

这只叫 “信念”(Faith)的狗可以像人类一样用后腿走路。这是因为,她必须去找食物,也必须到母亲身边去,所以她不得不搞明白怎么用后腿行走。这说明狗的大脑并未受基因限定、只能控制狗的身体,而是怎么可行就怎么控制。纵观动物王国,身体类型、骨骼长度、肌肉组织、翼爪形状可谓千奇百怪。大自然不会为每一种生物单独设计一套大脑,只需从生物基因着手即可。只要对某个基因稍加改动,形成的身体结构就会大大不同。

人类大脑是如何重新 “布线”、弥补缺失的感觉的?

这个问题让我不由得思考,人类能否创造出新的感觉?大脑能否从全新的数据流中获取有用信息?这种情况叫做 “感觉替代”。我们在一些失聪者身上进行了这种尝试。我们制作了一件背心,上面布满振动马达,会产生类似手机那样的振动。背心接收到声音之后,便会将声音转换成特定的振动规律。马达按振动频率从低到高排列,与内耳的排布方式相同。这样一来,我们就相当于用躯干部分的皮肤代替了内耳。结果发现,失聪者仅凭皮肤感受到的振动规律,也能获取外界的声音信息。皮肤似乎没什么大作用,却有着出色的计算能力,可以传递大量数据。

皮肤为何如此擅长计算?

因为皮肤非常敏感,万一有苍蝇落在你身上、或是有什么东西在你身上爬来爬去,你都能感觉到。皮肤的 “带宽”非常合适,可以向其中传输大量数据。如今大家都在研究如何借助可穿戴设备、向人眼或耳朵中传入更多信息。但眼睛和耳朵应当另有用途,皮肤倒是一条现成的信息传输渠道。

为失聪人群研制这类设备是一方面,但我们的感觉体验也有可能得到进一步强化。就算我们的感觉一切正常,也有改进、甚至改变的空间。

感觉拓展也是一个令我很感兴趣的领域。例如,我们能否把自己的视觉扩展到红外光或紫外光波段呢?曾经有一天晚上,我的工程师给我戴了一根红外线腕带。我正在黑暗中走过两栋房子,突然感到手腕处传来一阵振动。我不禁纳闷:这是怎么回事?哪里来的红外线。于是我跟着腕带的振动,一直走到了一台夜视监控摄像头跟前,四周围了一圈红外 LED 灯。在正常情况下,我们完全看不到红外光。但你可以从 “引擎盖是热的”判断出一辆车刚刚停下。我们会从世界中接收到各式各样的温度信息。这一点很值得我们进行深入探索。

除了感官拓展之外,我们能否创造一种全新的感觉呢?如果你能像感觉到颠簸、转向、滚动和方向一样,能够通过皮肤直接接收股市、推特、或者你正在操控的无人机传来的数据,会是怎样一种感受?目前有许多实验正在考察这一点。这能否为大脑创造一种全新的体验呢?

我们未来能够绘制出某人大脑中的全部神经连接、并据此判断此人是个什么样的人呢?

也许能吧。不过无论是好是坏,我们这辈子都看不到了。但从理论上来说,你有过的每一种体验都会记录和存储在大脑之中。这不仅仅与神经元之间的连接强度有关,而是深入到细胞层面。信号通路的确切分布、生物化学的系统层级、一直到细胞核中的基因表达,这些全都代表着你在这个世界中的经历。从理论上来说,也许再过 300 年,你就能读取别人大脑中的信息了。

有人并不赞同将脑海中的一切事物都归结于脑科学。有些人称其为 “神经狂热症”、甚至 “神经垃圾”。你如何看待这种批评?

这种批评毫无依据。现在确实有很多 “神经垃圾”,有些人做了点影像学研究,就开始宣称 “瞧这块脑区亮起来了,我们已经找到了‘感激’或‘慷慨’的神经依据”。这根本不是真正的科学。但 “你就是你的大脑”这一点是毋庸置疑的。无论是你所经之事、所成之人、还是所见之物,你生活中发生过的每一件事都存储在你的大脑中。

例如,有些人患上帕金森综合征之后,就变成了难以自控的赌徒。一些机智的医生意识到,这与他们服用的药物有关。这些药物会提高大脑中的多巴胺水平,从而解决患病引发的运动问题,但也将他们变成了好赌之人。假如对神经递质加以改动,就会改变你的行为方式和风险回避程度。所以并不是他们有意选择变成了赌徒,而是当大脑发生变化时,整个人也会随之而变。

按照这种逻辑,许多老生常谈的哲学问题就显得无关紧要了,比如自由意志、或者灵魂体验的起源、或者自我的本质等等。这些说到底都只是大脑中的神经元被激发而已。

我们不妨走一条中庸之路,既能弄明白这些问题,又不必说这只是一堆神经元而已。大脑中的每一个细胞都极其复杂。每个细胞都包含一套完整的人类基因组。在一套极其复杂的生物化学系统中,有成百上千万的蛋白质受其管理。你大脑中的每一个神经元都复杂得远超想象,而人脑中的神经元有 860 亿之多。所以如果说 “你只是一堆神经元”,那就太大事化小了。事实上,你的体内可是有着一整个乾坤呢。

那我们能否把所有主观体验都归结于大脑功能呢?

当然可以。你可以通过吸毒获得完全不同的体验,也可能因脑损伤产生幻觉。我们知道这都是因为大脑所致。但还没有理论能很好地解释意识体验究竟是怎么回事,比如肉桂在你闻来是什么味道、或者夕阳在你眼中有多美等等。

意识似乎是由大脑产生,但也有可能另有来处。假设你生活在沙漠中的一个原始部落,有一天你在沙中发现了一台收音机,而你此前从未见过这种东西。你发现只要旋转按钮,就有声音从中传出。然后你把螺丝拆下,发现只要改变里面的线路,声音就会被搅乱。你也许能总结出,声音是由这些线路产生的。但你不会意识到,远处城市里有一座座信号塔,也不可能感觉到、甚至疑心过电磁辐射的存在,但恰恰这才是声音的真正来源。

这么说来,也许并非一切事物都是由大脑产生的,我们也许只是在 “收听”从别处传来的意识。

我不是这个意思,我只是说在神经科学中存在这种可能性,我们必须予以考虑。

大脑还有很多未解之谜,其中你最想弄清哪一个问题呢?

说到底还是意识的问题。我们可以造出非常精密复杂的机器,但我并不认为电脑有内在的主观体验,但我们却拥有这种体验。也许这就是生而为人的关键所在。我们不仅没有理论能很好地解释这一点,甚至想象不出这套理论该是什么模样。

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