新書首發(fā) | 科赫：神經(jīng)科學(xué)如何測量意識？

在恒星這一主題上，所有最終無法簡化為單純視覺觀察的研究......均將被我們視為無效。......我們無法采用任何方法來研究恒星的化學(xué)成分。

——奧古斯特·孔德《實證哲學(xué)教程》

（Cours de Philosophie Positive, 1830–1842）

意識是實在的一個根本的、不可還原的方面嗎？或者，依照多數(shù)科學(xué)家與哲學(xué)家的看法，它是否源于有組織的物質(zhì)？在離世之前，我亟欲求得答案；故我無法忍受無的等待。哲學(xué)之爭雖引人入勝，甚而有所助益，然而它未能解決根本問題。探尋物質(zhì)之水如何化為意識之酒的最佳路徑，在于理論發(fā)展與實驗的有機結(jié)合。

在現(xiàn)階段，我將暫不考慮一些瑣碎的爭論，例如意識的準確定義，以及意識是否只是無法影響世界的副現(xiàn)象。同樣，關(guān)于“我的內(nèi)臟是否有意識但無法向我傳達”這一疑問，也留待日后研究。盡管這些問題都值得我們深入研究，但現(xiàn)階段對它們的過度關(guān)注只會阻礙我們的進步。我們不應(yīng)為哲學(xué)上嘩眾取寵的主張和關(guān)于意識的“難問題”所誤導(dǎo)，認為這些問題將永遠困擾著我們。哲學(xué)家所依賴的是信念體系、簡單的邏輯和各種觀點，而非自然規(guī)律和事實。他們提出了一些有趣的問題，這些問題確實帶來了挑戰(zhàn)性的困境，但他們在預(yù)言方面的歷史記錄并不出色。以奧古斯特·孔德為例，這位法國哲學(xué)家、實證主義之父曾自信地宣稱我們永遠無法理解恒星的物質(zhì)構(gòu)成；然而幾十年后，恒星的化學(xué)成分卻通過光線的光譜分析被推導(dǎo)出來，進而直接促成了氣體氦的發(fā)現(xiàn)。不妨聽聽弗朗西斯·克里克的看法，他是一位在預(yù)言方面有著更好記錄的學(xué)者：“談?wù)摮隹茖W(xué)范圍的事物是非常輕率的。”沒有任何理由可以阻止我們最終理解現(xiàn)象心智是如何融入物理世界的。

我的進路是直截了當(dāng)?shù)?，但在我所在的學(xué)術(shù)圈，這一進路被不少同人視為不明智和不夠成熟。我將主觀體驗視作給定的事實，并認為腦活動對于任何形式的體驗來說已經(jīng)足夠。盡管內(nèi)省和語言在社會生活中扮演至關(guān)重要的角色，且對文化與文明的維系具有支撐作用，但我仍認為它們對于體驗?zāi)骋皇挛飦碚f并非必要條件。基于這些假設(shè)，我們得以以前所未有的精度來研究人類和動物意識的腦基礎(chǔ)。讓我向你舉兩個實例，以便更好地闡述我的觀點。

嚴重受損患者的意識測量儀

當(dāng)你從無夢的深度睡眠中醒來時，你什么都不記得了。前一刻你還在對一天的事情進行回顧，下一刻你就知道自己早上醒來了。與REM睡眠（這時往往伴有生動奇異的夢境體驗）不同，意識在非REM睡眠期間處于低潮。可是在身體睡眠時，腦卻非常活躍。要證實這一點，只要看看睡眠時腦活動的EEG痕跡——慢而深的規(guī)則波——就會一目了然。此外，皮層神經(jīng)元的平均活動同完全清醒期間的活動是一樣的。所以，為什么這一期間意識會消退呢？根據(jù)上一章所討論的朱利奧·托諾尼的理論，如果深度睡眠時的整合程度低于清醒狀態(tài)，那么意識就會消退。

朱利奧與年輕的同事馬塞洛·馬西米尼（Marcello Massimini，現(xiàn)為意大利米蘭大學(xué)教授）開始著手證明這一點。他們利用經(jīng)顱磁刺激（TMS）技術(shù)，向志愿者的腦部發(fā)送一個高場磁能脈沖。在實驗過程中，他們將塑料絕緣線圈環(huán)繞在志愿者的頭皮上，通過放電使顱骨下的灰質(zhì)內(nèi)產(chǎn)生短暫的電流。由于電流刺激，志愿者會有輕微的刺痛感。這個脈沖成功地激發(fā)了腦細胞和附近的通道纖維，它們反過來引起與突觸連接的神經(jīng)元做出一連串反射活動。在不足1秒鐘內(nèi)，這種興奮就會消失。

在實驗中，朱利奧和馬塞洛采用64個電極對頭皮進行精密操控，觀察受試者處于安靜休息或睡眠狀態(tài)時的腦電活動。當(dāng)受試者清醒時，EEG會隨著TMS脈沖呈現(xiàn)出一種典型的快速反復(fù)波的動態(tài)模式，這種模式大約持續(xù)1/3秒。對EEG信號的數(shù)學(xué)分析表明，存在一個高振幅電位的熱點，該熱點位于TMS線圈的上方，并會從前運動皮層傳遞至與另一腦半球相對應(yīng)的前運動皮層，同時還會傳遞至腦后部的運動皮層和后頂葉?？梢孕蜗蟮貙⒛X比喻為一個巨大的教堂鐘，TMS裝置則類似于敲擊鐘的槌。一旦進行敲擊，這個精良鑄造的鐘將以它獨特的音高回蕩相當(dāng)長一段時間。同樣，清醒狀態(tài)下的大腦皮層也會在每秒鐘內(nèi)嗡嗡作響10~40次。

相反，當(dāng)受試者處于睡眠狀態(tài)時，其腦部表現(xiàn)得就像一個受到抑制且嚴重失衡的時鐘。盡管其EEG信號的初始振幅在睡眠狀態(tài)下比清醒狀態(tài)下更大，但其持續(xù)時間卻更為短暫，且無法通過皮層向其他關(guān)聯(lián)區(qū)域進行反播。盡管從強烈的局部反應(yīng)來看，神經(jīng)元仍然保持活躍，但神經(jīng)元的整合功能卻已瓦解。正如所預(yù)測的那樣，那些在清醒狀態(tài)下出現(xiàn)的典型的腦電活動（這些活動表現(xiàn)為空間上分化且時間上富于變化的序列）在睡眠狀態(tài)下幾乎完全消失。全身麻醉的受試者同樣如此。與朱利奧的理論一致，TMS脈沖無一例外地會產(chǎn)生一個簡單的局部反應(yīng)，這表明皮層之間的交互已瓦解，整合程度降低。至此，該理論勝出一局。然而，情況還有可能進一步改善。

在第五章，我詳細闡述了植物狀態(tài)患者的情形。這些患者由于遭受嚴重的腦部損傷，雖然仍維持著基本的生命體征，但卻處于一種極度的身體和精神障礙狀態(tài)。雖然他們保持著睡眠和覺醒的周期性變化，但他們的認知和運動能力受到嚴重限制——他們無法進行任何有目的的活動，并且需要長期臥床。相比之下，處于最小意識狀態(tài)（MCS）的患者表現(xiàn)出一些非反射性的行為反應(yīng)，比如能夠追蹤目標物或?qū)唵蔚闹噶钭龀鲅哉Z或肢體反應(yīng)。盡管意識已經(jīng)從處于植物狀態(tài)的患者身上消失，但在MSC患者身上還部分保留著。

神經(jīng)病學(xué)家史蒂文·洛雷、馬塞洛·馬西米尼、朱利奧以及他們的同事測量了這類患者腦整合的范圍。他們對睜開眼睛的患者的頂葉或額葉實施了TMS脈沖檢測，并進行了嚴謹?shù)膶嶒灧治?。實驗結(jié)果表明，（當(dāng)確實有任何反應(yīng)時）處于植物狀態(tài)的患者表現(xiàn)出簡單和局部的腦電反應(yīng)，通常為一個緩慢的正負波，這與深睡眠和麻醉狀態(tài)下的反應(yīng)類似。而對于MCS患者，磁脈沖能夠引發(fā)預(yù)期的復(fù)雜腦電反應(yīng)，這種反應(yīng)在不同皮層區(qū)域具有多重病灶。此外，研究團隊還從重癥監(jiān)護室中招募了五名蘇醒的患者，其中三名最終恢復(fù)了覺知，另外兩名則沒有。在恢復(fù)意識的患者中，意識恢復(fù)前表現(xiàn)出磁脈沖延長和復(fù)雜化的腦電反應(yīng)，這些反應(yīng)從單一的局部波逐漸演變?yōu)楦S富的時空模式。綜上所述，評估整合程度的馬西米尼-托諾尼方法可以充當(dāng)一個粗略的意識儀，檢視嚴重受損患者的意識水平。與具有少量電極的EEG裝置組合的小型TMS線圈能被輕易地組裝成一個臨床實踐儀器。在有意識期間，皮層-丘腦的整合度要高于在植物人或非意識狀態(tài)期間。基于這一發(fā)現(xiàn)，研究者能夠更精確地區(qū)分真正無意識的患者與部分或完全有意識的患者。

運用光遺傳學(xué)追蹤意識的蹤跡

當(dāng)深入觀察狗的眼睛時，你能夠察覺到，盡管其心智與我們存在顯著差異，但兩者之間卻存在某種關(guān)聯(lián)。狗與人類都對生命有體驗。人類往往自視為與眾不同，認為自身因意識的眷顧而凌駕于其他生物之上；這一觀點源于猶太-基督教的傳統(tǒng)信仰，即人類在萬物中有特殊的地位和優(yōu)選權(quán)；然而這一信念完全基于宗教信仰，并無實證基礎(chǔ)。實際上，人類并非獨一無二。我們只是浩瀚物種中的一個。盡管我們與眾不同，但每個物種都有其獨特之處。從科學(xué)的角度來說，這意味著我們能夠通過研究其他有情識的生物來進一步探究意識。

但在此之前，我們需要解決一個緊迫的倫理問題。人類是否有權(quán)將其他物種的福祉置于對自身欲望的滿足之下？當(dāng)然，這是一個復(fù)雜的議題。但長話短說，唯一可能的理由是減少或預(yù)防人類這種習(xí)慣自省的生物所遭受的痛苦。

在一起駕車逃逸事故中，我目睹了一只狗的后腿被軋斷。在獸醫(yī)的指導(dǎo)下，這只狗開始使用一種雙輪車作為代步工具，通過兩條腿和兩個輪子的配合來進行移動。盡管它的行動變得遲緩，但它是我見過的最快樂的狗，它似乎完全忘記了自己的傷痛。僅僅看著它，我就深感悲戚。它沒有認知能力去思考可能發(fā)生的事情——它無法想象如果沒有那場事故，它會過著怎樣的生活，它會如何東奔西跑。它活在當(dāng)下。而人類恰恰相反，我們“被賜予了”前額皮層，可以想象未來的各種可能性，思考本可以過上的生活。想象一位因路邊炸彈爆炸而失去一條或多條肢體的退伍軍人，這樣的殘疾對于擁有前額皮層的他來說要難以承受得多。

為了減輕人類的痛苦，以一種侵入性的方式研究動物，這是唯一有道德價值的理由。我的一個女兒死于嬰兒猝死綜合征；我的父親飽受帕金森病的折磨；他的一個朋友因嚴重的精神分裂癥發(fā)作而自殺；阿爾茨海默病在我們生命的最后時刻等待著我們。消除這些折磨腦的疾病需要進行動物實驗，這要求實驗者具有關(guān)愛和慈悲之心，同時盡可能爭取動物的配合。

在將實驗對象從人類轉(zhuǎn)為動物后，我們能夠直接探測動物的腦部活動，這在人類實驗中是無法實現(xiàn)的。然而，這種轉(zhuǎn)變也意味著我們失去了受試者向我們報告其體驗的可能性。對于嬰兒和嚴重殘疾的病人來說，他們同樣無法提供此類報告。因此，正如父母通過觀察新生兒的舉動來推斷其感受一樣，我們必須采用更為巧妙的方式，通過觀察動物的行動來推斷其可能的體驗。

在研究知覺和認知的過程中，心理學(xué)家和神經(jīng)科學(xué)家通常選擇舊大陸猴作為實驗對象。它們沒有瀕臨滅絕，并且它們的大腦皮層有許多類似于我們的溝回。人腦的重量約為3磅，擁有860億個神經(jīng)元，猴腦則相對較輕，僅重3盎司，包含60億個神經(jīng)元。正如我在第四章所討論的，猴子和人一樣能夠感知到許多視錯覺。這一共性為我們提供了一個獨特的機會——我們可以使用微電極和顯微鏡觀測單個神經(jīng)元的活動，深入探究視知覺的機制。

然而，我之前提到的一項驚人的技術(shù)突破，使得卑微的小鼠（其腦重不足0.5克，僅有7100萬個神經(jīng)元）成為科學(xué)家最有希望率先識別意識的細胞蹤跡的生物。

每一代天文學(xué)家在探索宇宙的道路上，都會發(fā)現(xiàn)宇宙的浩瀚遠超前人的想象。同樣，在研究腦的復(fù)雜性方面，每個時代最尖端的技術(shù)也會揭示出更多層次的嵌套復(fù)雜性，就像俄羅斯套娃一般無窮無盡。

動物體內(nèi)含有眾多不同類型的細胞，如血細胞、心臟細胞、腎細胞等。同樣的邏輯也適用于中樞神經(jīng)系統(tǒng)。在神經(jīng)系統(tǒng)中，存在多達上千種不同的亞類型神經(jīng)細胞以及膠質(zhì)細胞和星形膠質(zhì)細胞等配角。這些不同種類的細胞均由各自的分子標記、神經(jīng)元形態(tài)、位置、突觸架構(gòu)以及輸入-輸出加工方式進行界定。在視網(wǎng)膜上，大約存在60種神經(jīng)細胞類型，每一種類型都能完全覆蓋視覺空間（這意味著視覺空間中的每一個點都至少為一種類型的細胞所處理）。這一數(shù)字在腦區(qū)的代表性大致相同。

各種細胞類型以特定的方式相互連接。在新皮層中，第五層存在一種錐體神經(jīng)元，其軸突細如蛛絲，能夠蜿蜒伸展至中腦內(nèi)的丘系。同時，附近的錐體細胞的軸突在發(fā)送信息至另一個皮層半球之前，會分出側(cè)枝，與鄰近區(qū)域進行交互。此外，還有一些錐體細胞能夠向后傳遞信息至丘腦，通過一個復(fù)本（經(jīng)由一個分支軸突）傳遞到網(wǎng)狀核。我們可以合理地推測，每種細胞類型都向其目標傳遞獨特的信息。這是因為，如果單一軸突通過分叉能夠激活不同的目標，那么就沒有必要存在多種類型的細胞。此外，存在大量的局部中間神經(jīng)元，這些神經(jīng)元具有抑制功能，并且每個神經(jīng)元都以自己獨特的方式來減弱其目標。所有這一切都為細胞之間基于大量的組合回路模體進行交互提供了非常豐富的基質(zhì)。請想象一個場景，其中存在1000種不同顏色、形狀和大小的樂高積木，這些積木被巧妙地組合成一個建筑體。人類大腦皮層有160億個積木，這些積木是從這些類型中挑選出來，按照非常復(fù)雜的規(guī)則組裝起來的；比如，一塊2×4的紅色磚塊與一塊2×4的藍色磚塊相連，但前提是它靠近一塊2×2的黃色屋頂瓦片和一塊2×6的綠色瓦片。由此，腦的巨大互聯(lián)性得以實現(xiàn)。

諸如fMRI之類的容積組織技術(shù)能夠準確地識別出與視覺、圖像、痛苦或記憶相關(guān)的腦區(qū)。這是顱相學(xué)思維的復(fù)活。腦成像能夠記錄100萬個神經(jīng)元的動力功耗，不論它們是處于興奮還是抑制狀態(tài)，是局部投射還是全局投射，是錐體神經(jīng)元還是多棘的星狀細胞都是如此。然而，它們無法分辨極為重要的回路層次的細節(jié)，因此在應(yīng)對當(dāng)前任務(wù)時仍顯不足。

隨著我們對腦的理解不斷深入，我們對干預(yù)和改善心智病理狀態(tài)的渴望也在相應(yīng)增強。然而，現(xiàn)今的工具——藥物、腦深部電刺激和經(jīng)顱磁刺激——尚顯簡陋和遲鈍，且存在諸多不良副作用。我在加州理工學(xué)院的同事戴維·安德森（David Anderson）將它們比作試圖給引擎注滿油來改變汽車油料狀況:雖然一些油料最終能到達恰當(dāng)位置，但大部分油料會流至不當(dāng)之處，其結(jié)果是弊大于利。

一項技術(shù)突破為我們提供了救星，這就是將分子生物學(xué)、激光和光導(dǎo)纖維融合在一起的光遺傳學(xué)。該技術(shù)源于德國生物物理學(xué)家彼得·黑格曼（Peter Hegemann）、恩斯特·班貝格（Ernst Bamberg）和格奧爾格·內(nèi)格爾（Georg Nagel）的開創(chuàng)性工作。這三位科學(xué)家專注于單細胞綠藻的光感受器工作，這些光感受器直接（而不是像你眼睛里的那樣間接）將入射的藍光轉(zhuǎn)換為興奮的正向電信號。他們成功分離出這種蛋白質(zhì)的基因，這是一種跨越神經(jīng)元膜的光門控離子通道，名為ChR2。此后，班貝格和內(nèi)格爾與斯坦福大學(xué)的精神病學(xué)家兼神經(jīng)生物學(xué)家卡爾·迪賽羅斯以及現(xiàn)就職于麻省理工學(xué)院的神經(jīng)工程師愛德華·博伊登展開了卓有成效的合作，進一步推動了光遺傳學(xué)的發(fā)展。

該團隊精心提取ChR2基因，經(jīng)過縝密的操作，成功將其嵌入一個小病毒。隨后，利用這種改造后的病毒來精準地感染神經(jīng)元。神經(jīng)元在接收到外來指令后，合成ChR2蛋白質(zhì)，并將不合適的光感受器納入它們的膜。在暗環(huán)境下，這些光感受器保持靜默，對宿主細胞無任何干擾。然而，當(dāng)藍光瞬間照射時，每一個光感受器都會微妙地影響其宿主細胞。它們的協(xié)同作用觸發(fā)了動作電位。因此，每當(dāng)藍光定時閃爍時，神經(jīng)元都能夠精確地發(fā)放一個峰值電位。通過這種精確的藍光調(diào)控，神經(jīng)元就會受到驅(qū)動從而產(chǎn)生峰值電位。

生物物理學(xué)家成功將一種自然出現(xiàn)的光敏蛋白質(zhì)納入他們的研究工具箱。這種蛋白質(zhì)源自生活在撒哈拉干鹽湖中的古老細菌。當(dāng)黃光照射它時，它會產(chǎn)生一種抑制性的負向信號。利用相同的病毒策略，科學(xué)家成功構(gòu)建了一個神經(jīng)元，該神經(jīng)元能夠在其膜內(nèi)穩(wěn)定合成各類蛋白質(zhì)，以至于它們可以被藍光激活或被黃光抑制。每次藍光刺激都會誘發(fā)神經(jīng)元的峰值電位，如同按下琴鍵聽到特定的音符一樣。同時發(fā)生的黃光刺激則能夠抑制這種峰值電位。這種在個體神經(jīng)元水平以毫秒級精確度控制電活動的能力，是前所未有的科研成果。

這項技術(shù)具有更加深遠的益處，因為我們可以對攜帶光感受器基因的病毒進行改造，使其攜帶有效載荷（某種啟動子），該載荷只在具有適當(dāng)分子標記的細胞中才會開啟病毒基因指令。因此，與其激發(fā)特定鄰域的所有神經(jīng)元，不如將激發(fā)限制在合成特定神經(jīng)遞質(zhì)或?qū)⑵漭敵霭l(fā)送到特定位置的神經(jīng)元上。所需要的只是特定細胞類型，例如所有表達生長抑素的皮層抑制性中間神經(jīng)元的分子代碼。至于這些細胞為何會合成這種物質(zhì)并不重要，重要的是這種蛋白質(zhì)可以作為一種獨特的分子標簽來標記細胞，使它們易于被激光激發(fā)或抑制。

迪賽羅斯團隊利用分子標記技術(shù)，成功將ChR2引入位于小鼠腦深處的外側(cè)下丘腦內(nèi)的一個神經(jīng)元子集。在此處，不足1000個細胞會產(chǎn)生食欲肽（也被稱為下丘泌素），這是一種能夠促進覺醒的激素。食欲肽受體的突變與嗜睡癥這種慢性睡眠障礙存在密切關(guān)聯(lián)。經(jīng)過ChR2的引入操作，幾乎所有的食欲肽神經(jīng)元都成功搭載了ChR2光感受器，而其他混合神經(jīng)元并未實現(xiàn)搭載。另外，通過光纖傳遞的藍光能夠精準且穩(wěn)定地在食欲肽細胞中形成峰值波。

若在一只沉睡的小鼠身上實施此項實驗，將產(chǎn)生何種結(jié)果？在未采用分子標記這一特定基因操作的情況下，對動物進行控制時，幾百束藍閃光會在1分鐘后喚醒這些嚙齒動物。這是評估光纖埋植手術(shù)效果的基準條件。當(dāng)向攜帶ChR2通道的動物傳遞相同的光信號時，這些動物會在半分鐘內(nèi)醒來。由于光的照射激活了腦部特定區(qū)域的神經(jīng)元，這些具有已知功能和定位的神經(jīng)元就會產(chǎn)生電信號峰值，從而喚醒該動物。正是來自外側(cè)下丘腦的食欲肽的釋放驅(qū)動了這個行為。該示范研究成功地構(gòu)建了腦神經(jīng)元子集的電活動與睡眠-覺醒周期之間的可靠因果關(guān)系。

在過去的幾年中，數(shù)十項這樣漂亮的干預(yù)性小鼠實驗已經(jīng)讓我們了解了一些有關(guān)厭惡性條件作用、帕金森病、交配、雄性-雄性攻擊及其他社會互動、視覺分辨和焦慮等方面的回路要素。這些實驗甚至讓因視網(wǎng)膜退化而失明的小鼠成功恢復(fù)了視力。

在基因工程的幫助下，上述實驗的各種變體均已被開發(fā)出來。在其中一些研究中，通過藍光脈沖刺激，某些神經(jīng)元能夠在短時間內(nèi)被激活，黃光脈沖則能將它們重新關(guān)閉，這種操作方式與電燈開關(guān)類似。在藥物遺傳學(xué)領(lǐng)域，將某種無害的化合物注入腦區(qū)，就能夠開啟或關(guān)閉經(jīng)基因鑒定的細胞子集，從而實現(xiàn)對神經(jīng)元集群的長期調(diào)控。隨著研究的深入，神經(jīng)工程師的工具集在分子層面不斷豐富。

來到新視域

2011年，我有幸以首席科學(xué)官的身份加入位于西雅圖的艾倫腦科學(xué)研究所。這家非營利醫(yī)學(xué)研究機構(gòu)成立于2003年，由微軟創(chuàng)始人兼慈善家保羅·艾倫慷慨提供種子基金，旨在推動神經(jīng)科學(xué)研究的進步[座右銘是“為發(fā)現(xiàn)加油”（fueling discovery）]。為了達成這一目標，艾倫研究所致力于開展一種獨特的、高效的神經(jīng)科學(xué)研究，這種研究在高校學(xué)院式環(huán)境中是難以實現(xiàn)的。我們榮譽推出的旗艦成果，即在線艾倫小鼠腦圖譜（Allen Mouse Brain Atlas），實現(xiàn)了細胞級別的精細化解析。該圖譜以高度的標準化為基礎(chǔ)，全面覆蓋了鼠腦中所有2萬個基因的表達模式，并以開放的形式供公眾查閱。對于任何特定基因，你可以通過網(wǎng)絡(luò)查找其相關(guān)的RNA在腦中的表達位置信息，這些信息是依據(jù)原位雜交（in situ hybridization）協(xié)議繪制的。在人類對哺乳動物腦回路建構(gòu)的理解過程中，這個大規(guī)模項目具有里程碑式的意義。其他在線公共資源包括人腦圖譜和鼠腦神經(jīng)投射圖譜。該研究所正在深入探索神經(jīng)信息的編碼和轉(zhuǎn)換機制。眾多天文學(xué)家、物理學(xué)家和工程師共同合作，傾力打造出能夠觀測遙遠時空的星載望遠鏡和地面望遠鏡，借此探尋宇宙及其星球成分的起源。這些大型天文臺的建設(shè)將耗費十年或更長時間，并需要動用數(shù)百甚至上千名專業(yè)技術(shù)人員的專業(yè)知識。目前，我們正處于籌劃心智“天文臺”的初始階段，這個“天文臺”將專門被用于觀測心智在（顱骨下的）腦中的運作機制。我將其命名為“心智探測鏡計劃”（Project MindScope）。此項計劃的關(guān)鍵挑戰(zhàn)在于:在小鼠進行視覺行為時，如何利用光學(xué)儀器、電子設(shè)備和計算機技術(shù)，觀測數(shù)以萬計的、可從基因?qū)用姹孀R的回路元件的同步放電活動？

盡管我致力于探索意識的奧秘，但我選擇小鼠作為研究對象，而非在演化上與智人更為接近的猴子。這并非出于偶然。從遺傳學(xué)和神經(jīng)解剖學(xué)的角度來看，鼠腦與人腦之間存在諸多相似之處。例如，鼠腦的新皮層相對較小且光滑，擁有約1400萬個神經(jīng)元；盡管這一數(shù)字遠低于人類——比我們少1000倍——但在神經(jīng)元的組織結(jié)構(gòu)上，一小塊鼠腦皮層與一塊人類灰質(zhì)的差異并不顯著。不過，選擇小鼠的最重要原因在于其適合進行基因操作。在所有脊椎動物中，目前人們對小鼠的分子生物機制的了解最為深入，包括DNA如何轉(zhuǎn)錄成RNA并轉(zhuǎn)化為蛋白質(zhì)。自20世紀70年代中期以來，科學(xué)家已成功開創(chuàng)了重組小鼠DNA的技術(shù)，并能夠熟練地創(chuàng)造出轉(zhuǎn)基因小鼠。對于我的研究而言，一個關(guān)鍵點在于研究者正在逐步揭示主要神經(jīng)細胞類型的獨特分子特征以及它們的投射路徑。以艾倫研究所的曾紅葵為例，她精于利用基因圖譜技術(shù)改造小鼠。她成功地使健康的小鼠神經(jīng)元表達ChR2，這意味著在特定波長的光照射下，這些小鼠的抑制性中間神經(jīng)元會發(fā)出熒光，呈現(xiàn)奇特的綠色或番茄紅色。

這種光學(xué)與遺傳學(xué)巧妙結(jié)合的重要性在于，它允許對有關(guān)心智回路的具體的想法進行測試。當(dāng)小鼠眼前出現(xiàn)圖像時，峰值波首先被觸發(fā)生成，然后通過視神經(jīng)傳導(dǎo)至初級視覺皮層。在初級視覺皮層中，信號被進一步傳遞至其他八個視覺區(qū)；之后，信號穿過運動皮層，最終到達控制頭部、前腳掌或其他肢體運動的神經(jīng)元。第四章簡述了弗朗西斯·克里克和我個人的猜想，即這類單一的峰值波可引發(fā)某些簡單的行為，比如在幾百毫秒的時間內(nèi)推動一個杠桿，但卻未產(chǎn)生有意識的感覺。在第六章，我們探討了所有人整天都在從事的許多此類僵尸行為。我們假設(shè)，一旦皮層-皮層反饋通路或皮層-丘腦反饋通路參與其中，建立起反響活動，意識便會產(chǎn)生；這種反響活動表現(xiàn)為神經(jīng)元聯(lián)合體的強烈放電，這與物理學(xué)中的駐波概念有些相似。當(dāng)神經(jīng)活動在視覺皮層中從高層次向低層次或從前部向后部傳播時，這個神經(jīng)元聯(lián)合體所表征的整合信息就會涌現(xiàn)出來，進而引發(fā)有意識的感覺或思想。現(xiàn)在，我們可以在經(jīng)過適當(dāng)改造的小鼠身上驗證這類假設(shè):對它們進行任何一種視覺辨別行為的訓(xùn)練，然后瞬時阻斷從高級皮層區(qū)反饋到低級皮層區(qū)的神經(jīng)連接。若弗朗西斯和我判斷無誤，那么天生的、刻板的或者經(jīng)過高度預(yù)演的視覺-運動行為將只會受到微乎其微的影響。然而，依賴小鼠意識的復(fù)雜行為將會失敗。為了驗證我們的假設(shè)，我們需要訓(xùn)練小鼠對光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)錯覺（optical bistable illusions）做出反應(yīng)，區(qū)分背景和圖形，或者學(xué)會將視覺標志與美味的食品相關(guān)聯(lián)。如果皮層-皮層反饋在整個腦中被關(guān)閉，我們將創(chuàng)造真正的、沒有現(xiàn)象體驗的僵尸小鼠!如果反饋被重新激活，有意識的感覺就會恢復(fù)。

斯坦尼斯拉斯·迪昂所做的一項經(jīng)典fMRI實驗比較了可見的、短暫一閃而過的詞與呈現(xiàn)時間相同但因掩蔽而不可見的同一個詞之間的差異（見第四章）。實驗結(jié)果顯示，當(dāng)該詞被有意識地覺知時，前部和后部的相當(dāng)大一批腦區(qū)會出現(xiàn)明顯的激活現(xiàn)象。然而，當(dāng)該詞不可見時，血流動力學(xué)的活動則僅局限于一小批腦區(qū)。這一結(jié)果在其他研究團隊使用聲音掩蔽而非圖像掩蔽的實驗中也得到了驗證。此外，閾下刺激僅能引起微弱的活動，有意識的知覺則會顯著放大刺激的影響。我們沒有理由不在小鼠身上重復(fù)這一實驗的變體，不過，現(xiàn)在我們可以使用微電極陣列或共焦雙光子顯微鏡來觀測與有意識知覺相關(guān)的廣泛激活所依賴的所有神經(jīng)元。對構(gòu)成皮層-丘腦復(fù)合體的龐大、異質(zhì)和糾結(jié)不清的網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和功能進行系統(tǒng)和全面探索，其難度可想而知。幾年內(nèi)，艾倫研究所將對構(gòu)成小鼠皮層及其輸入的所有細胞類型進行完整的分類。確實，解剖學(xué)在科學(xué)領(lǐng)域占據(jù)至關(guān)重要的地位。正因如此，我的左臂上文著一幅由西班牙著名神經(jīng)科學(xué)家圣地亞哥·拉蒙-卡哈爾繪制的嚙齒動物大腦皮層微回路圖。這一文身對于我所從事的研究工作而言，是一種無聲的證明。這些時刻令人振奮，激動人心。西雅圖擁有壯麗的景色、豐富的戶外文化和完善的自行車道，我在此盡情享受生活的美好。然而，有時候我也會感到些許苦惱，因為我同時擔(dān)任加州理工學(xué)院的教授，肩負著指導(dǎo)眾多學(xué)生和博士后研究人員的責(zé)任。但我始終秉持鞠躬盡瘁的精神（the you-can-sleep-when-you-are-dead school）。

在微觀的分子-細胞層面，生物學(xué)面臨著前所未有的復(fù)雜性和特異性挑戰(zhàn)。當(dāng)物質(zhì)被設(shè)想為由古希臘的四種經(jīng)典元素——土、水、氣、火構(gòu)成的混合物時，化學(xué)就無法取得實質(zhì)性進展。對于意識，情況亦是如此。現(xiàn)象體驗不是產(chǎn)生于活動或沉默的腦區(qū)，而是產(chǎn)生于神經(jīng)元聯(lián)合體的不斷形成和分解之中，這些神經(jīng)元的復(fù)雜性和表征能力是我們最親密的思想的最終基質(zhì)。

神經(jīng)現(xiàn)實

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