在恒星這一主題上，所有最終無法簡(jiǎn)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(shí)證哲學(xué)教程》

（Cours de Philosophie Positive, 1830–1842）

意識(shí)是實(shí)在的一個(gè)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(zhēng)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(shí)之酒的最佳路徑，在于理論發(fā)展與實(shí)驗(yàn)的有機(jī)結(jié)合。

在現(xiàn)階段，我將暫不考慮一些瑣碎的爭(zhēng)論，例如意識(shí)的準(zhǔn)確定義，以及意識(shí)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(shí)但無法向我傳達(dá)”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(duì)它們的過度關(guān)注只會(huì)阻礙我們的進(jìn)步。我們不應(yīng)為哲學(xué)上嘩眾取寵的主張和關(guān)于意識(shí)的“難問題”所誤導(dǎo)，認(rèn)為這些問題將永遠(yuǎn)困擾著我們。哲學(xué)家所依賴的是信念體系、簡(jiǎn)單的邏輯和各種觀點(diǎn)，而非自然規(guī)律和事實(shí)。他們提出了一些有趣的問題，這些問題確實(shí)帶來了挑戰(zhàn)性的困境，但他們?cè)陬A(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(guó)哲學(xué)家、實(shí)證主義之父曾自信地宣稱我們永遠(yuǎn)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(jìn)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(jìn)路是直截了當(dāng)?shù)模谖宜诘膶W(xué)術(shù)圈，這一進(jìn)路被不少同人視為不明智和不夠成熟。我將主觀體驗(yàn)視作給定的事實(shí)，并認(rèn)為腦活動(dòng)對(duì)于任何形式的體驗(yàn)來說已經(jīng)足夠。盡管內(nèi)省和語言在社會(huì)生活中扮演至關(guān)重要的角色，且對(duì)文化與文明的維系具有支撐作用，但我仍認(rèn)為它們對(duì)于體驗(yàn)?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(dòng)物意識(shí)的腦基礎(chǔ)。讓我向你舉兩個(gè)實(shí)例，以便更好地闡述我的觀點(diǎn)。

嚴(yán)重受損患者的意識(shí)測(cè)量?jī)x

當(dāng)你從無夢(mèng)的深度睡眠中醒來時(shí)，你什么都不記得了。前一刻你還在對(duì)一天的事情進(jìn)行回顧，下一刻你就知道自己早上醒來了。與REM睡眠（這時(shí)往往伴有生動(dòng)奇異的夢(mèng)境體驗(yàn)）不同，意識(shí)在非REM睡眠期間處于低潮。可是在身體睡眠時(shí)，腦卻非常活躍。要證實(shí)這一點(diǎn)，只要看看睡眠時(shí)腦活動(dòng)的EEG痕跡——慢而深的規(guī)則波——就會(huì)一目了然。此外，皮層神經(jīng)元的平均活動(dòng)同完全清醒期間的活動(dòng)是一樣的。所以，為什么這一期間意識(shí)會(huì)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(shí)的整合程度低于清醒狀態(tài)，那么意識(shí)就會(huì)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(diǎn)。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(gè)高場(chǎng)磁能脈沖。在實(shí)驗(yàn)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(huì)有輕微的刺痛感。這個(gè)脈沖成功地激發(fā)了腦細(xì)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(dòng)。在不足1秒鐘內(nèi)，這種興奮就會(huì)消失。

在實(shí)驗(yàn)中，朱利奧和馬塞洛采用64個(gè)電極對(duì)頭皮進(jìn)行精密操控，觀察受試者處于安靜休息或睡眠狀態(tài)時(shí)的腦電活動(dòng)。當(dāng)受試者清醒時(shí)，EEG會(huì)隨著TMS脈沖呈現(xiàn)出一種典型的快速反復(fù)波的動(dòng)態(tài)模式，這種模式大約持續(xù)1/3秒。對(duì)EEG信號(hào)的數(shù)學(xué)分析表明，存在一個(gè)高振幅電位的熱點(diǎn)，該熱點(diǎn)位于TMS線圈的上方，并會(huì)從前運(yùn)動(dòng)皮層傳遞至與另一腦半球相對(duì)應(yīng)的前運(yùn)動(dòng)皮層，同時(shí)還會(huì)傳遞至腦后部的運(yùn)動(dòng)皮層和后頂葉?？梢孕蜗蟮貙⒛X比喻為一個(gè)巨大的教堂鐘，TMS裝置則類似于敲擊鐘的槌。一旦進(jìn)行敲擊，這個(gè)精良鑄造的鐘將以它獨(dú)特的音高回蕩相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間。同樣，清醒狀態(tài)下的大腦皮層也會(huì)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(shí)，其腦部表現(xiàn)得就像一個(gè)受到抑制且嚴(yán)重失衡的時(shí)鐘。盡管其EEG信號(hào)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(shí)間卻更為短暫，且無法通過皮層向其他關(guān)聯(lián)區(qū)域進(jìn)行反播。盡管從強(qiáng)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(cè)的那樣，那些在清醒狀態(tài)下出現(xiàn)的典型的腦電活動(dòng)（這些活動(dòng)表現(xiàn)為空間上分化且時(shí)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(huì)產(chǎn)生一個(gè)簡(jiǎn)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(jìn)一步改善。

在第五章，我詳細(xì)闡述了植物狀態(tài)患者的情形。這些患者由于遭受嚴(yán)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(rèn)知和運(yùn)動(dòng)能力受到嚴(yán)重限制——他們無法進(jìn)行任何有目的的活動(dòng)，并且需要長(zhǎng)期臥床。相比之下，處于最小意識(shí)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(biāo)物或?qū)?jiǎn)單的指令做出言語或肢體反應(yīng)。盡管意識(shí)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(cè)量了這類患者腦整合的范圍。他們對(duì)睜開眼睛的患者的頂葉或額葉實(shí)施了TMS脈沖檢測(cè)，并進(jìn)行了嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，（當(dāng)確實(shí)有任何反應(yīng)時(shí)）處于植物狀態(tài)的患者表現(xiàn)出簡(jiǎn)單和局部的腦電反應(yīng)，通常為一個(gè)緩慢的正負(fù)波，這與深睡眠和麻醉狀態(tài)下的反應(yīng)類似。而對(duì)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(tuán)隊(duì)還從重癥監(jiān)護(hù)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(shí)的患者中，意識(shí)恢復(fù)前表現(xiàn)出磁脈沖延長(zhǎng)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(shí)空模式。綜上所述，評(píng)估整合程度的馬西米尼-托諾尼方法可以充當(dāng)一個(gè)粗略的意識(shí)儀，檢視嚴(yán)重受損患者的意識(shí)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(gè)臨床實(shí)踐儀器。在有意識(shí)期間，皮層-丘腦的整合度要高于在植物人或非意識(shí)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(shí)的患者與部分或完全有意識(shí)的患者。

運(yùn)用光遺傳學(xué)追蹤意識(shí)的蹤跡

當(dāng)深入觀察狗的眼睛時(shí)，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(duì)生命有體驗(yàn)。人類往往自視為與眾不同，認(rèn)為自身因意識(shí)的眷顧而凌駕于其他生物之上；這一觀點(diǎn)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(shí)證基礎(chǔ)。實(shí)際上，人類并非獨(dú)一無二。我們只是浩瀚物種中的一個(gè)。盡管我們與眾不同，但每個(gè)物種都有其獨(dú)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(shí)的生物來進(jìn)一步探究意識(shí)。

但在此之前，我們需要解決一個(gè)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(duì)自身欲望的滿足之下？當(dāng)然，這是一個(gè)復(fù)雜的議題。但長(zhǎng)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(gè)輪子的配合來進(jìn)行移動(dòng)。盡管它的行動(dòng)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(rèn)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(chǎng)事故，它會(huì)過著怎樣的生活，它會(huì)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(duì)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(dòng)物，這是唯一有道德價(jià)值的理由。我的一個(gè)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(gè)朋友因嚴(yán)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(shí)刻等待著我們。消除這些折磨腦的疾病需要進(jìn)行動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，這要求實(shí)驗(yàn)者具有關(guān)愛和慈悲之心，同時(shí)盡可能爭(zhēng)取動(dòng)物的配合。

在將實(shí)驗(yàn)對(duì)象從人類轉(zhuǎn)為動(dòng)物后，我們能夠直接探測(cè)動(dòng)物的腦部活動(dòng)，這在人類實(shí)驗(yàn)中是無法實(shí)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(bào)告其體驗(yàn)的可能性。對(duì)于嬰兒和嚴(yán)重殘疾的病人來說，他們同樣無法提供此類報(bào)告。因此，正如父母通過觀察新生兒的舉動(dòng)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(dòng)物的行動(dòng)來推斷其可能的體驗(yàn)。

在研究知覺和認(rèn)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(shí)驗(yàn)對(duì)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(gè)神經(jīng)元，猴腦則相對(duì)較輕，僅重3盎司，包含60億個(gè)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(cuò)覺。這一共性為我們提供了一個(gè)獨(dú)特的機(jī)會(huì)——我們可以使用微電極和顯微鏡觀測(cè)單個(gè)神經(jīng)元的活動(dòng)，深入探究視知覺的機(jī)制。

然而，我之前提到的一項(xiàng)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(gè)神經(jīng)元）成為科學(xué)家最有希望率先識(shí)別意識(shí)的細(xì)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(huì)發(fā)現(xiàn)宇宙的浩瀚遠(yuǎn)超前人的想象。同樣，在研究腦的復(fù)雜性方面，每個(gè)時(shí)代最尖端的技術(shù)也會(huì)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(dòng)物體內(nèi)含有眾多不同類型的細(xì)胞，如血細(xì)胞、心臟細(xì)胞、腎細(xì)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(dá)上千種不同的亞類型神經(jīng)細(xì)胞以及膠質(zhì)細(xì)胞和星形膠質(zhì)細(xì)胞等配角。這些不同種類的細(xì)胞均由各自的分子標(biāo)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(jìn)行界定。在視網(wǎng)膜上，大約存在60種神經(jīng)細(xì)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(gè)點(diǎn)都至少為一種類型的細(xì)胞所處理）。這一數(shù)字在腦區(qū)的代表性大致相同。

各種細(xì)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(xì)如蛛絲，能夠蜿蜒伸展至中腦內(nèi)的丘系。同時(shí)，附近的錐體細(xì)胞的軸突在發(fā)送信息至另一個(gè)皮層半球之前，會(huì)分出側(cè)枝，與鄰近區(qū)域進(jìn)行交互。此外，還有一些錐體細(xì)胞能夠向后傳遞信息至丘腦，通過一個(gè)復(fù)本（經(jīng)由一個(gè)分支軸突）傳遞到網(wǎng)狀核。我們可以合理地推測(cè)，每種細(xì)胞類型都向其目標(biāo)傳遞獨(dú)特的信息。這是因?yàn)椋绻麊我惠S突通過分叉能夠激活不同的目標(biāo)，那么就沒有必要存在多種類型的細(xì)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(gè)神經(jīng)元都以自己獨(dú)特的方式來減弱其目標(biāo)。所有這一切都為細(xì)胞之間基于大量的組合回路模體進(jìn)行交互提供了非常豐富的基質(zhì)。請(qǐng)想象一個(gè)場(chǎng)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(gè)建筑體。人類大腦皮層有160億個(gè)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(lán)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(shí)現(xiàn)。

諸如fMRI之類的容積組織技術(shù)能夠準(zhǔn)確地識(shí)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(gè)神經(jīng)元的動(dòng)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(xì)胞都是如此。然而，它們無法分辨極為重要的回路層次的細(xì)節(jié)，因此在應(yīng)對(duì)當(dāng)前任務(wù)時(shí)仍顯不足。

隨著我們對(duì)腦的理解不斷深入，我們對(duì)干預(yù)和改善心智病理狀態(tài)的渴望也在相應(yīng)增強(qiáng)。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(jiǎn)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(dá)恰當(dāng)位置，但大部分油料會(huì)流至不當(dāng)之處，其結(jié)果是弊大于利。

一項(xiàng)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(guó)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(xì)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(lán)光轉(zhuǎn)換為興奮的正向電信號(hào)。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(jìn)一步推動(dòng)了光遺傳學(xué)的發(fā)展。

該團(tuán)隊(duì)精心提取ChR2基因，經(jīng)過縝密的操作，成功將其嵌入一個(gè)小病毒。隨后，利用這種改造后的病毒來精準(zhǔn)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(duì)宿主細(xì)胞無任何干擾。然而，當(dāng)藍(lán)光瞬間照射時(shí)，每一個(gè)光感受器都會(huì)微妙地影響其宿主細(xì)胞。它們的協(xié)同作用觸發(fā)了動(dòng)作電位。因此，每當(dāng)藍(lán)光定時(shí)閃爍時(shí)，神經(jīng)元都能夠精確地發(fā)放一個(gè)峰值電位。通過這種精確的藍(lán)光調(diào)控，神經(jīng)元就會(huì)受到驅(qū)動(dòng)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(xì)菌。當(dāng)黃光照射它時(shí)，它會(huì)產(chǎn)生一種抑制性的負(fù)向信號(hào)。利用相同的病毒策略，科學(xué)家成功構(gòu)建了一個(gè)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(lán)光激活或被黃光抑制。每次藍(lán)光刺激都會(huì)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(shí)發(fā)生的黃光刺激則能夠抑制這種峰值電位。這種在個(gè)體神經(jīng)元水平以毫秒級(jí)精確度控制電活動(dòng)的能力，是前所未有的科研成果。

這項(xiàng)技術(shù)具有更加深遠(yuǎn)的益處，因?yàn)槲覀兛梢詫?duì)攜帶光感受器基因的病毒進(jìn)行改造，使其攜帶有效載荷（某種啟動(dòng)子），該載荷只在具有適當(dāng)分子標(biāo)記的細(xì)胞中才會(huì)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(xì)胞類型，例如所有表達(dá)生長(zhǎng)抑素的皮層抑制性中間神經(jīng)元的分子代碼。至于這些細(xì)胞為何會(huì)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(dú)特的分子標(biāo)簽來標(biāo)記細(xì)胞，使它們易于被激光激發(fā)或抑制。

迪賽羅斯團(tuán)隊(duì)利用分子標(biāo)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(gè)神經(jīng)元子集。在此處，不足1000個(gè)細(xì)胞會(huì)產(chǎn)生食欲肽（也被稱為下丘泌素），這是一種能夠促進(jìn)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(shí)現(xiàn)搭載。另外，通過光纖傳遞的藍(lán)光能夠精準(zhǔn)且穩(wěn)定地在食欲肽細(xì)胞中形成峰值波。

若在一只沉睡的小鼠身上實(shí)施此項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，將產(chǎn)生何種結(jié)果？在未采用分子標(biāo)記這一特定基因操作的情況下，對(duì)動(dòng)物進(jìn)行控制時(shí)，幾百束藍(lán)閃光會(huì)在1分鐘后喚醒這些嚙齒動(dòng)物。這是評(píng)估光纖埋植手術(shù)效果的基準(zhǔn)條件。當(dāng)向攜帶ChR2通道的動(dòng)物傳遞相同的光信號(hào)時(shí)，這些動(dòng)物會(huì)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(huì)產(chǎn)生電信號(hào)峰值，從而喚醒該動(dòng)物。正是來自外側(cè)下丘腦的食欲肽的釋放驅(qū)動(dòng)了這個(gè)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(dòng)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(xiàng)這樣漂亮的干預(yù)性小鼠實(shí)驗(yàn)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(huì)互動(dòng)、視覺分辨和焦慮等方面的回路要素。這些實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)的各種變體均已被開發(fā)出來。在其中一些研究中，通過藍(lán)光脈沖刺激，某些神經(jīng)元能夠在短時(shí)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(xì)胞子集，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)神經(jīng)元集群的長(zhǎng)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(yíng)利醫(yī)學(xué)研究機(jī)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(dòng)神經(jīng)科學(xué)研究的進(jìn)步[座右銘是“為發(fā)現(xiàn)加油”（fueling discovery）]。為了達(dá)成這一目標(biāo)，艾倫研究所致力于開展一種獨(dú)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(shí)現(xiàn)的。我們榮譽(yù)推出的旗艦成果，即在線艾倫小鼠腦圖譜（Allen Mouse Brain Atlas），實(shí)現(xiàn)了細(xì)胞級(jí)別的精細(xì)化解析。該圖譜以高度的標(biāo)準(zhǔn)化為基礎(chǔ)，全面覆蓋了鼠腦中所有2萬個(gè)基因的表達(dá)模式，并以開放的形式供公眾查閱。對(duì)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(dá)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(duì)哺乳動(dòng)物腦回路建構(gòu)的理解過程中，這個(gè)大規(guī)模項(xiàng)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(jī)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(cè)遙遠(yuǎn)時(shí)空的星載望遠(yuǎn)鏡和地面望遠(yuǎn)鏡，借此探尋宇宙及其星球成分的起源。這些大型天文臺(tái)的建設(shè)將耗費(fèi)十年或更長(zhǎng)時(shí)間，并需要?jiǎng)佑脭?shù)百甚至上千名專業(yè)技術(shù)人員的專業(yè)知識(shí)。目前，我們正處于籌劃心智“天文臺(tái)”的初始階段，這個(gè)“天文臺(tái)”將專門被用于觀測(cè)心智在（顱骨下的）腦中的運(yùn)作機(jī)制。我將其命名為“心智探測(cè)鏡計(jì)劃”（Project MindScope）。此項(xiàng)計(jì)劃的關(guān)鍵挑戰(zhàn)在于:在小鼠進(jìn)行視覺行為時(shí)，如何利用光學(xué)儀器、電子設(shè)備和計(jì)算機(jī)技術(shù)，觀測(cè)數(shù)以萬計(jì)的、可從基因?qū)用姹孀R(shí)的回路元件的同步放電活動(dòng)？

盡管我致力于探索意識(shí)的奧秘，但我選擇小鼠作為研究對(duì)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(duì)較小且光滑，擁有約1400萬個(gè)神經(jīng)元；盡管這一數(shù)字遠(yuǎn)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(jìn)行基因操作。在所有脊椎動(dòng)物中，目前人們對(duì)小鼠的分子生物機(jī)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(jì)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(duì)于我的研究而言，一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)在于研究者正在逐步揭示主要神經(jīng)細(xì)胞類型的獨(dú)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(dá)ChR2，這意味著在特定波長(zhǎng)的光照射下，這些小鼠的抑制性中間神經(jīng)元會(huì)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(duì)有關(guān)心智回路的具體的想法進(jìn)行測(cè)試。當(dāng)小鼠眼前出現(xiàn)圖像時(shí)，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(jí)視覺皮層。在初級(jí)視覺皮層中，信號(hào)被進(jìn)一步傳遞至其他八個(gè)視覺區(qū)；之后，信號(hào)穿過運(yùn)動(dòng)皮層，最終到達(dá)控制頭部、前腳掌或其他肢體運(yùn)動(dòng)的神經(jīng)元。第四章簡(jiǎn)述了弗朗西斯·克里克和我個(gè)人的猜想，即這類單一的峰值波可引發(fā)某些簡(jiǎn)單的行為，比如在幾百毫秒的時(shí)間內(nèi)推動(dòng)一個(gè)杠桿，但卻未產(chǎn)生有意識(shí)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(dòng)，意識(shí)便會(huì)產(chǎn)生；這種反響活動(dòng)表現(xiàn)為神經(jīng)元聯(lián)合體的強(qiáng)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(dòng)在視覺皮層中從高層次向低層次或從前部向后部傳播時(shí)，這個(gè)神經(jīng)元聯(lián)合體所表征的整合信息就會(huì)涌現(xiàn)出來，進(jìn)而引發(fā)有意識(shí)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(yàn)證這類假設(shè):對(duì)它們進(jìn)行任何一種視覺辨別行為的訓(xùn)練，然后瞬時(shí)阻斷從高級(jí)皮層區(qū)反饋到低級(jí)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(yùn)動(dòng)行為將只會(huì)受到微乎其微的影響。然而，依賴小鼠意識(shí)的復(fù)雜行為將會(huì)失敗。為了驗(yàn)證我們的假設(shè)，我們需要訓(xùn)練小鼠對(duì)光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)錯(cuò)覺（optical bistable illusions）做出反應(yīng)，區(qū)分背景和圖形，或者學(xué)會(huì)將視覺標(biāo)志與美味的食品相關(guān)聯(lián)。如果皮層-皮層反饋在整個(gè)腦中被關(guān)閉，我們將創(chuàng)造真正的、沒有現(xiàn)象體驗(yàn)的僵尸小鼠!如果反饋被重新激活，有意識(shí)的感覺就會(huì)恢復(fù)。

斯坦尼斯拉斯·迪昂所做的一項(xiàng)經(jīng)典fMRI實(shí)驗(yàn)比較了可見的、短暫一閃而過的詞與呈現(xiàn)時(shí)間相同但因掩蔽而不可見的同一個(gè)詞之間的差異（見第四章）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)該詞被有意識(shí)地覺知時(shí)，前部和后部的相當(dāng)大一批腦區(qū)會(huì)出現(xiàn)明顯的激活現(xiàn)象。然而，當(dāng)該詞不可見時(shí)，血流動(dòng)力學(xué)的活動(dòng)則僅局限于一小批腦區(qū)。這一結(jié)果在其他研究團(tuán)隊(duì)使用聲音掩蔽而非圖像掩蔽的實(shí)驗(yàn)中也得到了驗(yàn)證。此外，閾下刺激僅能引起微弱的活動(dòng)，有意識(shí)的知覺則會(huì)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(shí)驗(yàn)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(cè)與有意識(shí)知覺相關(guān)的廣泛激活所依賴的所有神經(jīng)元。對(duì)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(jìn)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(duì)構(gòu)成小鼠皮層及其輸入的所有細(xì)胞類型進(jìn)行完整的分類。確實(shí)，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(dòng)物大腦皮層微回路圖。這一文身對(duì)于我所從事的研究工作而言，是一種無聲的證明。這些時(shí)刻令人振奮，激動(dòng)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(shí)候我也會(huì)感到些許苦惱，因?yàn)槲彝瑫r(shí)擔(dān)任加州理工學(xué)院的教授，肩負(fù)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(xì)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(shí)，化學(xué)就無法取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。對(duì)于意識(shí)，情況亦是如此。現(xiàn)象體驗(yàn)不是產(chǎn)生于活動(dòng)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(shí)

神經(jīng)現(xiàn)實(shí)新一期贈(zèng)書來啦！請(qǐng)?jiān)诒緱l推文下留言，我們將隨機(jī)抽出幸運(yùn)讀者送上一本《意識(shí)探索》！活動(dòng)截止時(shí)間為北京時(shí)間2025年8月12日（周二）23:59。想要立即閱讀本書的朋友，也可掃描下方海報(bào)中二維碼購(gòu)買。

參與活動(dòng)的神友請(qǐng)密切關(guān)注抽獎(jiǎng)情況，受獎(jiǎng)品寄送安排限制，獲獎(jiǎng)后兩周內(nèi)不聯(lián)系我們，只能視為自動(dòng)放棄獎(jiǎng)品哦。