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作者：米格爾·Ａ·Ｌ·尼科萊利斯 西達(dá)他·里貝羅 翻譯 閏海亮
大鼠擁有人類無法企及的精細(xì)觸覺：不用借助雙眼，不需一絲光線，僅憑胡須，就能判斷洞口的大小，迅速逃脫餓貓的追捕。大鼠的胡須中究竟暗藏著什么玄機?上世紀(jì)70年代，科學(xué)家似乎已經(jīng)接近事實的真相：胡須受到刺激后，將信號傳遞給一個神經(jīng)通路，神經(jīng)通路再告知大腦，大腦最后下達(dá)行動指令。然而在10年后，一個意外的發(fā)現(xiàn)卻讓科學(xué)家不得不重新認(rèn)識大鼠胡須下的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)…… 電控滑門突然打開，一個漆黑卻又熟悉的小屋子出現(xiàn)在Eshe面前。Eshe毫不猶豫(很可能還惦記著圓滿完成任務(wù)之后的那份獎品)，立即躍進(jìn)屋子，全速朝對面的墻壁奔去。不出所料，經(jīng)過幾個星期近乎苛刻的訓(xùn)練，Eshe準(zhǔn)確地完成了全套動作——看起來，它很樂意展現(xiàn)自己的才能。 在Eshe跑動路線的正前方，有一道狹縫，實驗人員在狹縫前面安置了一束紅外光線。Eshe一跨過這道光束，實驗就立即開始。從屋子兩邊伸出的兩個T字形金屬柵欄決定了狹縫開口的大小，Eshe只有穿過狹縫才能到達(dá)房間對面的那面墻。它的工作絕不輕松：在沒有一絲光線的屋子中，它必須盡快估計出縫隙的大小，而且只能嘗試一次。為了增加實驗的復(fù)雜性和趣味性，每次試驗中的狹縫大小都隨機變化。因為看不到金屬柵欄，Eshe想要穿過縫隙，就只有一種方法——完全依靠精細(xì)的觸覺來判斷狹縫的寬窄。 令人驚訝的是，即使縫隙寬窄的變化不過幾毫米，Eshe辨別出這種變化的成功率，也達(dá)到90％。長在嘴角上的長胡須猶如功能強大的探測器，利用胡須末端去觸碰兩側(cè)的金屬柵欄，Eshe能在150毫秒內(nèi)得出結(jié)果。從人的角度來看，Eshe的表演不亞于一次壯舉，因為對任何人而言，用一根胡子或髭須就想判斷出縫隙的大小，幾乎是天方夜譚。 Eshe是一只大鼠。在它每根胡須的根部，都有許多特殊的外周感覺器官，也就是機械感受器(mechanoreceptor)，可以將觸覺刺激的主要特征轉(zhuǎn)換成大腦能“聽懂”的語言——電信號。與人一樣，在大鼠體內(nèi)，通過大量遍及全身的外周神經(jīng)，電信號被傳遞到多個互相連接的腦區(qū)中，從而形成一個巨大的神經(jīng)回路(軀體感覺系統(tǒng)，somatosensory system)，用以儲存我們?nèi)康挠|覺信息。也正是由于這個巨大的神經(jīng)回路，才產(chǎn)生了我們內(nèi)心的認(rèn)知體驗：自我感知。 然而，大腦又是怎樣將電脈沖轉(zhuǎn)換成各種各樣的精細(xì)知覺呢?長期以來，這個巨大的謎團(tuán)，一直是腦科學(xué)研究的熱點。我們究竟是誰?破譯神經(jīng)密碼，就能打開一扇門，有助于理解問題的本質(zhì)。當(dāng)大量的微弱電信號在大腦里組合、傳播，我們就有了語言與感知周圍世界的能力，愛與恨、記憶與夢想，甚至我們種族的歷史，都會在大腦中一一呈現(xiàn)出來。 專用神經(jīng)通路 30多年前，科學(xué)家都認(rèn)為神經(jīng)脈沖沿著一條專用的神經(jīng)通路直達(dá)大腦，到了20世紀(jì)80年代后期，英國科學(xué)家阿姆斯特朗一詹姆斯的實驗結(jié)果向這一理論提出了挑戰(zhàn)。從此，人們對神經(jīng)脈沖傳播的認(rèn)識開始慢慢轉(zhuǎn)變。 毫不知情的Eshe其實已經(jīng)參與了一項實驗，目的就是為了解開上述謎團(tuán)。它決定用胡須來完成任務(wù)絕對是一個合適的選擇，因為胡須是判斷洞口不大的關(guān)鍵。 大鼠的胡須一旦被觸動，胡須根部的機械感受器就會感知到胡須的偏轉(zhuǎn)，將它轉(zhuǎn)換成一種快速變化的微弱電脈沖，即動作電位，來描述刺激的位置、強度和持續(xù)時間等信息。三叉神經(jīng)系統(tǒng)(trigeminal system)是軀體感覺系統(tǒng)的一部分，該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的功能是傳遞和處理來自于面部的觸覺信息，胡須發(fā)出的電脈沖正是通過這里傳遞給大腦的。Eshe和它的同伴們只須利用胡須收集到的觸覺信息，就能在不到一秒的時間內(nèi)“計算”出縫隙的大小。它們是如何做到這一點的呢?要解答這個問題，也許先得弄清楚另一個問題：在三叉神經(jīng)系統(tǒng)中，數(shù)量眾多的神經(jīng)元在處理傳入的感官信息時，是如何“相互交流”的。 我們?yōu)槭裁匆芯窟@個課題?當(dāng)然，并不只是想知道倉皇的大鼠如何從餓貓的爪下逃生，而是要揭開更多的秘密。從20世紀(jì)70年代起，神經(jīng)生理學(xué)家就開始研究嚙齒類動物的三叉神經(jīng)系統(tǒng)，試圖解答一些基本的神經(jīng)問題，看清神經(jīng)密碼的本質(zhì)。為了破譯神經(jīng)密碼，我們和世界各地的實驗室都做了大量的研究工作。關(guān)于神經(jīng)密碼的假設(shè)發(fā)生了怎樣的改變，還有多少秘密尚待破解，這些從我們的研究工作中可見一斑。 30年前，一個叫作“專線”模型的理論得到了大多數(shù)神經(jīng)生理學(xué)家的認(rèn)可。這一理論認(rèn)為，軀體外周產(chǎn)生的感官信息通過大量的并行神經(jīng)通路傳遞到大腦的新皮層。從本質(zhì)上說，感官信息的傳播會經(jīng)過一個嚴(yán)格的前饋回路，正是這個回路將外周的感覺器官(比如說大鼠的胡須)與更高級的大腦結(jié)構(gòu)連接起來。 20世紀(jì)70年代，在小鼠的大腦初級軀體感覺皮層(S1)中，美國約翰一霍普金斯大學(xué)醫(yī)學(xué)院的湯姆·伍爾西(Tom Woolsey)和亨里克·范德盧斯(HenrickVan derLoos)發(fā)現(xiàn)了類似三叉神經(jīng)系統(tǒng)的信息交流通路。于是，專線模型得到了極大的發(fā)展。與其他哺乳動物一樣，小鼠大腦皮層也可以分為6層，每一層都有不同的紋理，分布著不同的神經(jīng)元類型。從最外層到最內(nèi)側(cè)的皮質(zhì)層，依次被編號為I到VI。從小鼠的大腦中，伍爾西和范德盧斯提取了包含全部S1皮層區(qū)的組織塊，制作了橫跨整個皮質(zhì)寬度的薄切片，然后再給這些組織切片染色，檢測其中是否存在細(xì)胞色素氧化酶(cytochrome oxidase，縮寫為CO，存在于線粒體上，與細(xì)胞的劇烈活動有關(guān))。 伍爾西和范德盧斯的發(fā)現(xiàn)讓他們大吃一驚：在第IV皮質(zhì)層中，有許多與眾不同的神經(jīng)元，它們富含細(xì)胞色素氧化酶，行列分明地排列著。成千上萬的神經(jīng)元緊密堆疊在一起，構(gòu)成了一個個水桶狀的細(xì)胞簇——伍爾西和范德盧斯把單獨的細(xì)胞簇叫做“桶”，把細(xì)胞簇構(gòu)成的完整陣列叫做“桶陣”。最讓他們驚訝的是，這些“桶”可以與小鼠嘴上的胡須一一對應(yīng)，整個“桶陣”形成了一幅漂亮的、稍微有些變形的鼠嘴狀圖形。 很快，科學(xué)家就在大鼠的皮層中發(fā)現(xiàn)了相似的桶陣排列，進(jìn)一步的研究證實，在皮層下的結(jié)構(gòu)中，比如腦干和丘腦，也存在同樣的鼠嘴狀圖形。只不過在這些結(jié)構(gòu)中，細(xì)胞簇被稱作“小桶”(barrelet)和“類桶”(barreloid)。后來，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，其實在三叉神經(jīng)系統(tǒng)上，每一個皮層下的連接區(qū)域都有一些這樣鼠嘴狀圖形，從而證明大鼠面部胡須上的外周感受器與S1皮質(zhì)區(qū)是直接相連的。 當(dāng)某塊皮膚受到刺激，就會誘使一個神經(jīng)元產(chǎn)生動作電位，作出反應(yīng)，用感覺神經(jīng)生理學(xué)家的術(shù)語來說，這塊皮膚區(qū)域就是這個神經(jīng)元的“感受野”(receptive field)。就嚙齒類動物的軀體感覺系統(tǒng)而言，“專線”模型最重 要的預(yù)言就是，位于三叉神經(jīng)系統(tǒng)中某個“桶”上的單個神經(jīng)元，它的感受野，或者說管轄區(qū)域，應(yīng)該嚴(yán)格局限于某一根主要胡須(以下簡稱主須)。 到了20世紀(jì)80年代后期，一些反面結(jié)果開始挑戰(zhàn)這種觀點。例如，當(dāng)時英國倫敦大學(xué)的神經(jīng)生理學(xué)家邁克爾·阿姆斯特朗一詹姆斯(MichaelArmstrong—James)將大鼠麻醉后，記錄了很多皮質(zhì)“桶”中單個神經(jīng)元的活動情況。盡管他可以鑒別出，大多數(shù)皮質(zhì)神經(jīng)元確實對應(yīng)于某根主須，不過他也發(fā)現(xiàn)，單個神經(jīng)元可以對主須周圍胡須上的偏轉(zhuǎn)作出應(yīng)答。 阿姆斯特朗一詹姆斯提出，大鼠皮質(zhì)“桶”中的單個神經(jīng)元的感受野，并不局限于某一根主須；相反，一個神經(jīng)元所管轄的區(qū)域可能還包括主須周圍的一些胡須，它們的偏轉(zhuǎn)可以使神經(jīng)元產(chǎn)生較弱、較慢但仍然非常重要的觸覺反應(yīng)。在當(dāng)時，這種觀點幾乎是一個異端邪說，在神經(jīng)研究領(lǐng)域引發(fā)了巨大的爭議，但這只是一個開始——在隨后的十年中，科學(xué)家對神經(jīng)編碼的認(rèn)識發(fā)生了巨大轉(zhuǎn)變。 群體的力量 在后來的研究中，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)神經(jīng)元不是孤立的，而且每個神經(jīng)元支配的皮膚區(qū)域也隨著動物的身體狀態(tài)發(fā)生著變化。不管是在大鼠實驗中，還是在數(shù)字模擬方面，科學(xué)家得到的數(shù)據(jù)都清晰地顯示，只有綜合數(shù)十個神經(jīng)元的活動，大腦才能對外源刺激準(zhǔn)確定位。 阿姆斯特朗一詹姆斯采用的技術(shù)，可以從被麻醉的大鼠身上逐一記錄單個神經(jīng)元的活動，在1989年，這大概算是頂尖的探測技術(shù)了。不過在當(dāng)時，本文作者之一尼科萊利斯和約翰·K·蔡平(John K．Chapin，目前任職于美國紐約州立大學(xué)南部醫(yī)學(xué)中心)決定，利用一種新方法來同時監(jiān)聽多個獨立神經(jīng)元的電活動。 起初，我們的研究重點是腹后內(nèi)側(cè)核(ventral posterior medial nucleus，縮寫為VPM)中“類桶”上的神經(jīng)元。VPM是丘腦的一個結(jié)構(gòu)，而丘腦則是將外周傳入的信息投射到初級軀體感覺皮層的主要核團(tuán)。初步的研究結(jié)果證明，這些VPM神經(jīng)元的感受野極大，包括了多根胡須。就像阿姆斯特朗一詹姆斯在皮層中發(fā)現(xiàn)的那樣，VPM神經(jīng)元的最強烈、最快速的反應(yīng)源于他們各自主須的偏轉(zhuǎn)，因為主須限定了感受野的中心；而稍弱、稍慢的反應(yīng)則由周圍的胡須刺激誘發(fā)。 實際上，隨著大鼠從麻醉中逐步蘇醒，每個VPM神經(jīng)元的感受野范圍都會顯著擴(kuò)大，有時甚至包括了大鼠同側(cè)面部上的大多數(shù)胡須。此外，受刺激的胡須不同，VPM神經(jīng)元作出反應(yīng)的延遲時間也會不同，因此隨著刺激后時間的變化，每個神經(jīng)元感受野的管轄范圍也隨之變動。換句話說，我們不能簡單地界定神經(jīng)元感受野的中心和邊界，除非我們指定一個確切的時刻。 神經(jīng)元應(yīng)答的這種動態(tài)時空特性是一種優(yōu)勢，一旦外周觸覺信息的傳入發(fā)生了變化，細(xì)胞就能立即重組它們對外界刺激的反應(yīng)。例如，大鼠面部的一小塊皮膚被麻醉后，在幾秒鐘內(nèi)我們就可以觀察到這樣的結(jié)果：VPM神經(jīng)元的感受野重新組織了一次，以便適應(yīng)觸覺信息傳入的新模式。 得到上述結(jié)果后，我們立即進(jìn)行更進(jìn)一步的實驗。實驗中，我們需要在腦干、丘腦、三叉神經(jīng)系統(tǒng)接替核等多個部位，同時監(jiān)測數(shù)量更多的單個神經(jīng)元活動，這迫使我們采用了難度更高的實驗技術(shù)。最終，我們成功地進(jìn)行了多位點、多電極的記錄，在每只大鼠身上可以同時監(jiān)測5個神經(jīng)結(jié)構(gòu)上多達(dá)48個神經(jīng)元的活動。 在動物的感覺傳導(dǎo)通路上，進(jìn)行如此全面的空間取樣還是第一次。清晰明了的實驗結(jié)果令人震驚：動物清醒時，單根胡須的偏轉(zhuǎn)就會觸發(fā)復(fù)雜的電活動波，沿著三叉神經(jīng)系統(tǒng)，電波會在每個核團(tuán)的多個桶狀細(xì)胞簇間傳播。以前認(rèn)為，信息是沿著靜態(tài)的、相互分離的專用神經(jīng)通路進(jìn)行傳遞，但我們觀察到的實驗結(jié)果卻與這種觀點相差甚遠(yuǎn)。根據(jù)這些發(fā)現(xiàn)，我們提出了另一個模型——“分布式呈現(xiàn)”或“群體性神經(jīng)編碼”模型：只有綜合大量神經(jīng)元的活動，大鼠的大腦才可能提取到精確的、有意義的觸覺信息，從而了解它的周遭環(huán)境。 為了進(jìn)一步證實我們觀察到的現(xiàn)象，20世紀(jì)90年代中期，我們實驗室的一名研究生阿西夫·加贊法(Asif Ghazanfar)進(jìn)行了一系列實驗。機械刺激大鼠的多根不同胡須，誘使大量的皮質(zhì)神經(jīng)元產(chǎn)生電活動后，他把這種電活動輸入一系列被稱為“人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”(artificial neuralnetwork，縮寫為ANN)的人工模式識別算法之中，試圖解讀大鼠三叉神經(jīng)系統(tǒng)的神經(jīng)元群傳出的信息編碼。首先，加贊法“訓(xùn)練”了一套算法，用來從全部皮質(zhì)神經(jīng)元的整體時空放電模式中，準(zhǔn)確定位受到刺激的單根胡須。一旦這個人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的精確度達(dá)到一定水平，他就輸入一套新數(shù)據(jù)，然后檢測該算法在預(yù)測受刺激胡須的位置時，有多高的精確度。向人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入單個神經(jīng)元的電活動時，預(yù)測的精確度非常低；但是輸入大量神經(jīng)元的綜合反應(yīng)時，這套運算法一下子就能輕而易舉地預(yù)測出受刺激胡須所在的正確位置。 就在那個時期，其他一些實驗室也在進(jìn)行相關(guān)研究，雖然采用的實驗方法各不相同，但他們得到的數(shù)據(jù)卻證實了我們在電生理實驗上的發(fā)現(xiàn)。隨后，加贊法與博士后研究人員戴維·克魯帕(David Krupa)一起，首次證明阻斷SA1皮層區(qū)神經(jīng)元的活動會影響丘腦VPM神經(jīng)元的應(yīng)答模式，這說明從皮層到VPM的下行性反饋信號，對來自腦干的上行性信號的傳遞同樣起著非常重要的調(diào)節(jié)作用。據(jù)此，我們提出了一種假設(shè)：在S1皮層區(qū)和VPM中，上行性信號、下行性信號、側(cè)行性信號和調(diào)節(jié)性信號會在不同的時間點聚到某個神經(jīng)元上，從而決定了該神經(jīng)元所表現(xiàn)出來的高度變化的多胡須觸覺反應(yīng)。 我們的發(fā)現(xiàn)已經(jīng)完全不同于最初那種嚴(yán)格的前饋專線理論。但是，我們提出的多元匯聚模型所作的預(yù)測是否準(zhǔn)確，還需要大量的實驗來證實——這就是我們又花了10年時間，在實驗中利用前所未有的各種方法去刺激大鼠胡須的原因所在。 胡須改變結(jié)果 范澤洛用一種巧妙的實驗技術(shù)，觀測了大鼠在不同的活動狀態(tài)下，神經(jīng)元作出反應(yīng)的方式。實驗結(jié)果讓范澤洛大吃一驚：大鼠的胡須靜止與晃動時，神經(jīng)元的反應(yīng)模式截然不同。這就是大鼠靠胡須逃跑的秘訣所在? 1998年，我們實驗室的一名研究生埃里卡·范澤洛(Erika Fanselow)發(fā)明了一項巧妙的技術(shù)。利用這項技術(shù)，即使大鼠自由活動，我們?nèi)匀豢梢栽诓煌臈l件下，檢測S1和VPM神經(jīng)元如何針對相似的刺激作出反應(yīng)。在眶下神經(jīng)(三叉神經(jīng)的一個分支，起自面部胡須)周圍，范澤洛植入了一個微型環(huán)繞電極。這樣一來，她就能給神經(jīng)精確地輸送電脈沖序列，同時監(jiān)測S1和VPM神經(jīng)元的反應(yīng)。隨后，當(dāng)大鼠在日常活動中做 出各種不同的動作時，她就測量了神經(jīng)元作出的不同反應(yīng)。實驗結(jié)果表明，比起平靜或麻醉狀態(tài)，當(dāng)大鼠移動它們的胡須時，皮層和丘腦神經(jīng)元對觸覺刺激的應(yīng)答方式迥然不同。 當(dāng)大鼠處于平靜狀態(tài)時，神經(jīng)元對刺激的典型應(yīng)答方式是，先出現(xiàn)一串短促的動作電位，然后在一段較長的時期內(nèi)，神經(jīng)元都不再作出反應(yīng)，因為細(xì)胞膜的變化抑制了動作電位的爆發(fā)。范澤洛發(fā)現(xiàn)，只要大鼠以某種方式移動胡須，皮層和丘腦神經(jīng)元就會以一種更加穩(wěn)定的方式激活，每一次反應(yīng)都會釋放一個神經(jīng)脈沖，而不會出現(xiàn)對動作電位的抑制。 初次觀察的結(jié)果促使范澤洛作出決定：改變電脈沖的輸送方式，一次給神經(jīng)元輸送一前一后兩個電脈沖，而不只是輸送一個單一脈沖。這次的觀察結(jié)果讓她震驚不已。當(dāng)大鼠清醒時，如果它們呆著不動，并且不移動它們的胡須，皮層和丘腦神經(jīng)元只能對兩個電脈沖中的前一個作出應(yīng)答，第二個脈沖被興奮后的抑制現(xiàn)象屏蔽了。但是當(dāng)大鼠活躍地移動它們的胡須時，哪怕兩個電脈沖只間隔25毫秒，S1和VPM神經(jīng)元照樣可以對兩個電脈沖都作出應(yīng)答。移動胡須的行為明顯改變了神經(jīng)元的屬性，使得皮層和丘腦都可以真實地呈現(xiàn)一連串觸覺刺激。 大概就在這個時期，克魯帕也在訓(xùn)練大鼠方面初步獲得了成功，他的大鼠就像幾年之后的Eshe一樣，能夠完成規(guī)定的任務(wù)。在現(xiàn)實生活中，大鼠往往須要主動利用觸覺去分辨外界事物，比如用它們的胡須去判斷一個不斷改變的洞的大小，這些任務(wù)具有更明確的目的，而且難度更大。在這樣的情況下，神經(jīng)元的應(yīng)答方式還會發(fā)生變化嗎?克魯帕訓(xùn)練的大鼠，為監(jiān)測這種情況下的神經(jīng)元應(yīng)答方式，提供了一個全新的方法。 他的實驗結(jié)果驗證并擴(kuò)展了范澤洛早期的觀察結(jié)果：當(dāng)動物主動用胡須來判斷孔穴的直徑時，S1和VPM區(qū)的大部分神經(jīng)元都會持續(xù)地作出強烈的應(yīng)答，不會出現(xiàn)抑制期。此外，在大鼠的胡須觸碰到金屬柵欄的邊緣之前，皮層的一些神經(jīng)元就明顯開始調(diào)節(jié)它們的放電頻率，表明這些動物的行為狀態(tài)已經(jīng)影響到神經(jīng)元的屬性，開始為眼前的任務(wù)做準(zhǔn)備了。 為了驗證上述反應(yīng)是否是動物感覺系統(tǒng)內(nèi)前饋和后饋編碼信息的一部分，克魯帕把大鼠執(zhí)行任務(wù)時記錄下來的神經(jīng)元群的時空放電模式，輸入到一個人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。結(jié)果，只要根據(jù)多達(dá)50個皮層神經(jīng)元的綜合活動，這個人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)就可以準(zhǔn)確地預(yù)測出，在任何一次測試中，大鼠能否正確地鑒別出孔穴的大小。 動態(tài)的網(wǎng)絡(luò) 神經(jīng)系統(tǒng)是一個巨大的網(wǎng)絡(luò)，而且還隨時變化。一個神經(jīng)元可能不只屬于一個神經(jīng)元群，還同時參與多個神經(jīng)元群體，也許正是神經(jīng)元的交流，動物才產(chǎn)生了多種多樣的感覺能力。 單憑神經(jīng)元的放電模式就能預(yù)測動物的行為，這說明在破解神經(jīng)系統(tǒng)語言方面，我們的前進(jìn)方向是正確的?，F(xiàn)在已經(jīng)非常清楚，哺乳動物的大腦之所以能賦予它們精細(xì)的感知能力，并非單純依靠某些特殊神經(jīng)元或者排列成線的桶狀細(xì)胞簇的單獨活動，而是依賴于高度分布式的神經(jīng)元群，它們由眾多調(diào)諧一致的神經(jīng)元動態(tài)形成。 單個神經(jīng)元在神經(jīng)元群中的地位并不固定，隨時都可能發(fā)生變化，而且一個神經(jīng)元可以同時參與多個神經(jīng)元群。單個神經(jīng)元的放電特性也在不斷變化，這是多種因素共同影響的結(jié)果，這些因素包括外周傳入的感覺信息、動物過去的感覺經(jīng)驗、大腦內(nèi)的活動狀態(tài)、主動還是被動感知外界環(huán)境，以及動物對即將發(fā)生事件的預(yù)判等。 在大腦的結(jié)構(gòu)、生理和細(xì)胞生物學(xué)方面，人類與大鼠有著共同的基本特征。與大鼠一樣，復(fù)雜的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)不僅提取了周圍世界的各種特征，形成的感知也依據(jù)目的、動機、情緒、甚至我們曾經(jīng)的感覺體驗的不同而隨時發(fā)生變化，這樣我們才能駕馭自己的感覺。 但所有這些功能，是如何從數(shù)十億個神經(jīng)元的微弱放電活動中產(chǎn)生出來的呢?我們的大腦如何讓我們偶爾做出相似的舉動，同時又賦予每個人如此鮮明的個性呢?大多數(shù)神經(jīng)科學(xué)家都認(rèn)為，這一謎團(tuán)在很長時間內(nèi)都難以解開。 不過，我們研究小組的工作已經(jīng)取得長足的進(jìn)步，雖然我們還沒有完全破澤神經(jīng)密碼，但是已經(jīng)能夠粗略理解其中的含義，并將這種理解轉(zhuǎn)化成實際應(yīng)用。我們可以從猴子的運動皮層讀取神經(jīng)元的放電模式，使用計算機算法將這些信息實時翻譯成指令，控制機械臂的運動。我們希望在不久之后，就能充分掌握神經(jīng)語言，以便跟大腦交談。只要能成功，我們就可以制造一種假肢，在上面裝上各種感受器，將觸覺反應(yīng)輸送至使用者的軀體感覺皮層，從而形成真實的軀體感覺。 破譯神經(jīng)密碼并非一朝一夕之事，但現(xiàn)在，至少對于其中的幾個“音節(jié)”，我們已經(jīng)能理解并準(zhǔn)確“發(fā)音”了——僅僅在10年前，這一切都還只是夢想。為什么我們進(jìn)步迅速，已經(jīng)能夠利用神經(jīng)語言了呢?一個重要原因就是神經(jīng)語言本身的適應(yīng)性，而這種適應(yīng)性又來自于神經(jīng)元群體間信息流動的網(wǎng)絡(luò)屬性。即使幾個詞丟掉了，信息的交流仍然暢通無阻，正如一個強大的科技網(wǎng)絡(luò)，它可以快速補償丟失的幾個節(jié)點。 基礎(chǔ)實驗設(shè)備的進(jìn)步，對這一領(lǐng)域的發(fā)展也至關(guān)重要。幾十年前，神經(jīng)科學(xué)家可利用的工具只有堅硬的金屬電極，稍不注意或者用力過猛，就會傷及大腦組織，而且每次只能記錄一個神經(jīng)元的活動。研究人員在研究大腦活動時，只能先將動物麻醉，或者至少讓它們處于安靜、受限的狀態(tài)。但是，一旦科學(xué)家可以在多個腦區(qū)同時監(jiān)測數(shù)十個神經(jīng)元的活動時，觀測神經(jīng)元群體的活動就成為了可能。今天，新型柔軟的電極材料出現(xiàn)了，可以永久性地植入腦內(nèi)，科學(xué)家可以長期監(jiān)測多達(dá)500個神經(jīng)元的活動。就算實驗動物在頭腦清醒的狀態(tài)下參與日常活動，科學(xué)家的監(jiān)測也可以繼續(xù)進(jìn)行。 以前，由于一次只能記錄一個神經(jīng)元的活動，人們提出以神經(jīng)元為中心的專線神經(jīng)通訊理論也就不足為奇。在欣賞歌劇表演時，如果只能聽到一個聲音，無論演唱者多么才華橫溢，觀眾仍然很難把握歌劇的內(nèi)涵。早期研究神經(jīng)語言的方法亦是如此。然而，當(dāng)分布廣泛的眾多神經(jīng)細(xì)胞組合起來，成為一個巨大的神經(jīng)元群體時，細(xì)胞間的相互作用就能精確地描述周圍的環(huán)境。因此，不管什么時候，一只大鼠如果成功逃脫了貓的追捕，它都應(yīng)該感謝神經(jīng)元群在它大腦中奏響的電脈沖交響樂。 |
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