引言
美妙的大腦交響樂

從宇宙大爆炸到人腦的形成

當第一聲小提琴聲穿過大廳的大理石墻壁，忽隱忽現地從二樓婉轉而下，來到空無一人的醫學院大樓門前時，我不禁被這荒謬的情形搞得有些惶然。畢竟，沒有一位醫學院的學生想到，自己會在半夜、在最繁忙的急診室的短暫休息時間里聆聽協奏曲。然而，我最初的不安很快被美妙的音樂所取代，它帶來了全新的生活，充滿了希望與冒險，氤氳在熱帶潮濕的夏夜里。也許這就是為什么25年前吸引我的琴聲，時至今日仍令我記憶猶新，仍會讓我驚嘆那旋律的優美。一個個沒有意義的音符匯聚成了最熱切的請求，召喚我追隨這迷人的音樂。我三步并兩步地跑上樓梯，悄悄地穿過狹長的走廊，站到了禮堂的入口，那里正在演奏偉大的作曲家瓦格納的歌劇《帕西法爾》（Parsifal）的序曲“晚禱”。它美得令人無法抗拒，我隨著音樂進入了禮堂。

我失望地發現，禮堂里燈火通明，枝形吊燈全都亮著，只有一位上了年紀、衣著講究的紳士正在忙著修理出了故障的投影儀——顯然，多年來這臺投影儀放了太多的幻燈片，已經不堪重負了。除此之外，禮堂里什么都沒有。禮堂建于20世紀20年代末，圣保羅大學醫學院的禮堂都堪稱節儉的典范。禮堂內的最前方，是一個像盒子一樣規整的舞臺，這就是教師們傳道授業的空間。一張沉重的木桌、一把結實的椅子以及一塊相當陳舊、可以滑動的黑板便構成了教師們的“一畝三分地”。學生們的座椅被筆直地排成一排一排的，這使得一些學生可以坐在最后一排，其中也包括我，為了在沒完沒了的上課期間避開教授充滿權威感的緊盯的目光。

而此刻，我打開講禮堂大門的聲音驚擾了這位梳著平頭、穿著樸素的實驗室工作服的老人。他轉向我，輕松地微笑了一下，然后揮了揮左手，好像我們已經認識多年，另一只手還在忙著修理投影儀。令人沮喪的是，我在講臺上看到了證明這位先生與那晚的獨奏會有關的證據。那里有一個唱機的轉盤、兩個看起來挺昂貴的揚聲器，還有幾張柏林愛樂樂團的唱片。

“進來吧，歡迎！這兒有紅酒和奶酪。今晚投影儀有點問題，不過我們很快就會開始。順便說一下，我是西澤·蒂莫–艾瑞爾（César Timo-Iaria）教授，是這門課的老師?！?/p>

他話音未落，投影儀發出了金屬的乒乓聲，一束光照在了禮堂的屏幕上。還沒等我答話，他便迅速地換了位置，站到了投影儀的后面，看起來很像站在艦橋上久經戰爭考驗的海軍上將。在將吊燈調暗，等著第二張唱片開始播放時，他饒有興致地撥弄著幻燈片——我只有童年時期在老街區的狹窄街道上踢足球時看到并體驗過這種樂趣。我獨自坐在黑暗中，歌劇《唐懷瑟》中的歌曲在整個禮堂里回響，屏幕上掠過與醫學課毫不相關的畫面。我感到激動并被深深吸引，以前聽任何講座都沒有這樣的感受。

“您教的是什么課呢？”我問。

“生理學概論?！卑馉柦淌诖鸬?，看也不看我。

為了確認自己沒聽錯，我又看了看屏幕。就像所有醫學院的學生一樣，我在幾年前就學過必修的生理學概論。在我看來，我看到的圖像與以前學過的內容完全不相符。

“怎么會？”我繼續問。

“什么怎么會，孩子？”他反問道，依然沒有看我。

“這怎么會是‘生理學概論’？我的意思是，您的幻燈片只是在展示……”

“是嗎？”看起來我的不安讓他感到好笑，似乎這種情況發生過很多次。他說道：“繼續說，告訴我是什么讓你這么吃驚?！?/p>

音樂、這些圖像以及半夜里在空曠的禮堂里講課的老人……這一切都顯得那么不合常理。我有些困惑地問道：“您展示了一些星星、星系的圖像。看，現在屏幕上是一個射電望遠鏡。這怎么可能是生理學概論課的內容？”

“其實，那只是起點。一切都起源于那里，在大約150億年中，從宇宙大爆炸發展到人腦的形成。這真是一段漫長的旅程，不是嗎？接下來，我給你講解一下?！?/p>

我看著艾瑞爾教授一張張地展示幻燈片，這似乎是一場無盡的視覺巡游：閃爍著的螺旋星系、處于萌芽階段的星團、頑皮的星云、叛逆的彗星以及爆炸的超新星，它們描繪著人類心智從無到有的史詩。音樂隨著這些圖像的切換流淌，它似乎是宇宙眾神創作的。行星形成了，大部分都光禿禿的，沒有生命的跡象。然而，幾十億年前，至少一個有趣的實驗導致了生物化學及遺傳機制的出現，使生命得以維持與繁衍。之后，生命開始變得繁盛，努力拼搏，永遠充滿希望與志向，并通過許多完全不可預知的路徑開始進化。

接下來，我看到了第一對原始人類伴侶肩并肩行走的圖像，那是數百萬年前的一個夜晚，在非洲中部——今天埃塞俄比亞境內的阿法爾沙漠。正當瓦格納歌劇中的唐懷瑟拒絕長生不老，只想體驗凡人的生活，最終從維納斯那里獲得自由時，我看到人類的祖先第一次仰望無邊無際的天空，眼中充滿了敬畏與恐懼，那時他們的大腦中電波涌動，搜尋著我們今天還在苦苦思索的問題的答案。我意識到，這些膽怯而好奇地看著天空的原始人類開始了漫長而宏偉的接力賽。從那以后，世世代代的人類都在尋找有關存在、意識以及周圍一切的意義的根本解釋。這是記錄科學誕生的歷史的最好方法，顯然，這位站在艦橋上、經驗豐富的“海軍上將”非常了解如何駕駛他的輪船。

《唐懷瑟》中朝圣者的合唱漸漸消失，宣告那是最后一張幻燈片，隨后我們都陷入了莊嚴的沉默中，此時，幻燈片上顯示的是人類大腦的側視圖。幾分鐘后，艾瑞爾教授打開燈，從講臺上走下來，靜靜地朝禮堂的大門走去。在離開之前，他轉過身，好像要跟我說再見，但他說的是：“這是生理學概論的第一課，但我忘了告訴你，我還教授神經生理學的高級課程。明天晚上是這門課程的第一堂課，我強烈建議你也來聽聽?！?/p>

我還沒有從剛才的震撼中回過神來，只問了一句：“我需要做什么才能注冊這門課？”艾瑞爾教授笑了笑，在走出禮堂時，他給我——他終身的學生提出了一個毫不費力的選課建議：“只要跟隨著音樂就可以了?！?/p>

神經元投票與人性的產生

在過去的25年里，我一直牢記艾瑞爾教授不可撼動的信念，音樂和科學方法代表了人類思維無盡辛勞與痛苦的最令人震驚的副產品。這也許可以解釋我為什么會選擇將聆聽一種非常不同的音樂——腦細胞組成的“交響樂”作為我畢生的事業。

從技術角度來說，我是一名系統神經生理學家，至少這是同事們對我和我的學生們的工作的定義。我們在美國北卡羅來納州達勒姆的杜克大學神經工程研究中心的實驗室工作。用通俗的話來說，系統神經生理學家就是研究各種神經回路背后的生理學原理的人，這些神經回路由大腦中數千億神經細胞構成的神經纖維組成。在復雜程度與連接的廣泛性方面，大腦網絡使得人類發明的任何輸電網絡、計算網絡或機械格柵都相形見絀。大腦網絡中的每個單一的腦細胞（神經元）都能夠與其他幾百或者幾千個神經元建立直接的聯系。由于神經元具有獨特的形態，因此它們可以通過細胞觸點——突觸來專門接收和傳遞微小的電化學信息，神經元通過突觸與其他神經元進行交流。正是通過這些廣泛連接、高度活躍的細胞網絡，大腦才能完成它的主要任務：做出大量專門化的行為，而這些行為共同定義了我們常常引以為傲的人性。

從人類開始出現直到今天，這些微小的神經網絡便通過控制大量毫伏級的神經放電，為我們每個人以及祖先們的每一種行為及表現奠定了基礎，如思考、創造、破壞、發現、掩飾、交流、征服、引誘、屈服、愛、恨、快樂、悲傷、團結、內省、歡欣等。因此，我認為在神經科學家報告大腦回路所創造的奇跡時，全社會應該授予他們使用“奇跡”這個詞的專有權。

對于大多數像我一樣的系統神經生理學家來說，我們的終極追求是破解產生豐富人類行為的神經生物放電的生理機制。然而，在過去200年間，在追求這個神圣的終極目標的過程中，神經科學領域的研究者們將太多的努力投入到了哪個腦區負責哪種功能或行為的激烈爭論之中。其中一個極端是激進的局部論者，他們是“顱相學之父”弗朗茲·加爾（Franz Gall）的繼承人（不過他們通常不承認這一點）。他們堅定地認為，大腦的不同功能是由高度專門化、相互區隔的神經系統產生的。而另一端是人數較少、但規模日漸壯大的一群人，我稱之為分布論者。他們認為，人類大腦依賴的不是獨特的專門化，而是依賴于分布在各個腦區的可進行多任務處理的神經元，從而實現每一個目標。為了證明這種觀點的正確性，分布論者提出，大腦的生理機制類似于選舉，分布在不同腦區的大量神經元參與了投票，雖然投票的數量很小而且不等，但最終產生了人類的行為。

在過去200年間，局部論者和分布論者都將大腦皮層作為他們無休止的爭論的主戰場。大腦皮層是大腦最外層的組成部分，位于頭蓋骨的下方。這場論戰可以追溯到顱相學家宣稱他們能夠通過觸摸頭皮進而感受顱骨的凹凸起伏來判斷人的主要人格特征的時代。他們認為，顱骨的凸起反映了大腦皮層某個區域不成比例的增大，由此會產生諸如喜愛、驕傲、自負、虛榮或野心等特質。根據這種觀點，每個人的情感和行為都是由大腦皮層的特定區域產生的。

盡管加爾和他的偽科學在今天已經失去了權威性，但它的理論框架依然存在，并搖身一變成了21世紀神經科學領域的主要信條之一。大約100年前，以西班牙神經科學家圣地亞哥·拉蒙–卡哈爾為代表的第一代全職腦研究者做了一系列了不起的實驗。他們發現，與其他所有的器官一樣，大腦的基本解剖單元也是單一的細胞，即神經元，因此，神經元幾乎可以被默認為也是中樞神經系統的基本功能單元。隨著單一神經元理論的出現，加之1861年法國醫生皮埃爾·保羅·布洛卡發現，左側前額葉的局部損傷會導致患者喪失語言功能，并造成右側軀體癱瘓，這使得分布論者的陣營暫時陷入了混亂。就在分布論者變得孤立無援時，英國生理學家查爾斯·謝林頓爵士（Sir Charles Sherrington）拯救了他們。謝林頓認為，即使是最簡單的大腦功能，比如產生脊髓反射弧，也依賴于許多神經元以及不同神經回路的密切合作。

在過去的10年中，盡管分布論者沒有發起具有決定意義的進攻，但在有關大腦的論戰中，他們已然占據了高地。世界各地神經科學實驗室的研究發現正在推翻局部論者的模型。在過去20年里，我在杜克大學的實驗室進行的研究明確地證明：單個神經元無法再被視為大腦的基本功能單元。相反，負責創作大腦思維“交響樂”的是相互連接的神經元集群。如今我們能夠記錄這些“神經元樂團”創作的音樂，甚至可以以具體、自發的動作來重現其中的一個小片段。通過聆聽大腦中數十億個神經元的一個極其微小的樣本——幾百個神經元，我們已經開始能夠復制這種產生從復雜思維到即時的身體動作的神經反應過程了。

那么，指導創作與指揮這些神經“交響樂”的原則是什么？經過對神經回路20多年的潛心研究，我不僅在大腦之外、在制約著我們始于星團的生物進化的邊界之外尋找著這些原則，我還在中樞神經系統的深處試圖識別并表達大腦自身的觀點。因此我的觀點是，就像讓我們如此著迷的宇宙一樣，人類的大腦是一位相對論的雕塑家、一位技藝高超的建造師，它將神經的空間與時間融合成了有機的連續體，進而創造了我們看到和感受到的現實，其中包括我們的存在感。在后面的章節中，我將探討人類如何在未來幾十年里通過將這種“大腦的相對論”與不斷發展的技術能力相結合，聆聽并解讀更宏大、更復雜的神經“交響樂”，神經科學將推動人類最終超越脆弱的靈長類軀體及自我的束縛。

腦機接口，超越身體與大腦的邊界

對于想象這樣的世界，我比較有信心，因為我已經通過實驗教會猴子使用具有革命性的神經生物范式，即我們所說的腦機接口（Brain-Machine Interfaces, BMI）。我們發現，利用這種腦機接口，猴子能夠學會自主地控制外部人造設備，比如機器人的手臂和腿的運動，無論這些設備離它們很近還是很遠。從長遠來看，這種技術能夠釋放身體與大腦的無限潛能，因此可以說它將徹底改變我們的生活方式。

為了檢驗不同版本的腦機接口，我們采用了新的實驗方法，直接、即時讀取某個神經回路的數百個神經元產生的電信號。起初，這種技術是用來檢驗分布論者觀點的一種方法，即大腦產生的任何功能都需要跨越不同腦區、相互連接的全體神經元的參與。當我們發現如何聆聽一些運動神經元演奏的“交響樂”后，便決定再向前推進一步：記錄、破解并傳輸靈長類動物大腦皮層產生的運動想法。我們將這些想法轉化成數字形式的指令，讓機器產生類似人的動作，而這是過去的人們無法想象的。就在這時，腦機接口的研究無意中發現了將大腦從身體的局限中解放出來的方法，使它能夠利用虛擬工具、電子工具以及機械工具來控制物質世界，而做到這一切的確需要一些思考。本書講述了這些實驗故事，并告訴我們這些實驗如何改變了我們對大腦功能的理解。

大多數人主要在醫療領域中感受到腦機接口技術研究所帶來的全面影響力。建立先進的腦機接口、了解大腦復雜的運作方式將會為患有神經障礙的患者開發出不可思議的新療法。通過各種神經義肢，病患將重新獲得運動、感覺和情感能力。這種設備能夠收集健康大腦的電波活動，并能夠調整像絲綢一樣薄、可以穿脫的機器人的松緊。這種機器人就像是一個背心，我們可以把它想象成人的第二層皮膚，它像皮膚一樣嬌嫩，但也像甲蟲的外骨骼一樣具有保護作用。它能夠支撐癱瘓者的體重，讓患者無法活動的身體重新獲得漫步、奔跑的能力，再一次歡暢自由地探索世界。

然而，腦機接口的應用不僅限于醫學領域。我相信，未來的幾代人將會實現的行為、將會體驗到的感覺是我們今天無法想象更無法表達的。腦機接口也許會改變我們使用工具的方法、改變我們彼此交流以及與遙遠的環境或世界溝通的方式。為了透徹地理解未來世界的樣子，你首先需要設想這樣的畫面：當大腦的電活動可以通過類似今天在我們周圍穿梭的無線電波來完成隨意漫游時，我們的日常生活將發生怎樣的劇變。我們可以想象生活在這樣一個世界里：人們僅僅是想一想，就可以使用電腦、開車、與他人交流；人們不再需要笨重的鍵盤或液壓傳動的方向盤，也不必依賴身體動作或口頭語言來表達自己的意愿。

在這個以大腦為中心的世界中，這類新獲得的神經生物能力將無縫地、毫不費力地擴展我們的運動能力、感知能力和認知能力，使人類的思想可以有效、完美地轉化成所需的運動指令，由此既可以操作簡單的小工具，也可以調控復雜的工業機器人。設想在未來，你回到自己的海邊小屋，面朝大海，坐在最喜歡的椅子上，通過網絡輕松地與世界上任何地方的任何人聊天，卻不用親自動手打一個字、開口說一句話。也就是說，你不需要牽動身體任何部位的肌肉，而只是通過思想就可以完成這一系列的活動。

如果這種未來還不夠誘人的話，那么你覺得足不出戶便能全方位地感受到觸摸幾百萬千米以外的另一個星球表面的真實感覺是不是很棒呢？甚至更美妙的是，你能夠進入祖先的記憶庫，下載其中一位的思想，通過他最私密的感情和最生動的記憶，創造一次你們原本永遠都不可能經歷的邂逅。然而，對于超越了身體給大腦設定的邊界后，人類將會迎來怎樣的未來生活，以上這些還只是簡單的一瞥。

這種奇跡很快將不再是科幻小說中的內容。此時此地，這樣的世界正在我們眼前開始展現。就像艾瑞爾教授所說的那樣，為了沉浸其中，你所要做的就是跟隨接下來將要奏響的音樂。