关于“人类如何思考”这个问题,目前我们知道了多少,还有哪些未知?

人脑是宇宙中最为复杂的物体,大脑中的神经元就像银河系的星星一样多。尽管对大脑研究的思维科学近年来取得了若干进展,我们仍然发现自己还在黑暗中摸索,这一点毫不值得惊讶,但至少我们已经抓住了神经科学中的关键问题,并开始着手研究它们。对以下列举的10个问题哪怕是部分的解答,这对重构我们对某些问题的理解至关重要,而这些问题又关系着定义人类本质的黑白是非。

1.信息如何为神经元活动编码?

神经元(大脑中的特定细胞)能够在它们的外膜中产生短暂的电脉冲。这些电脉冲沿着突触(神经元之间的连接)传输,引起大脑其他部位释放化学信号。看上去似乎是这些二值脉冲携带了信息,诸如:我看见了什么?我饿了吗?我该走哪条路?然而,什么是这些毫秒级电脉冲的编码?大脑中不同地方、不同时刻发生的脉冲可能意味着不同的情况。在部分中枢神经系统(大脑和脊髓)中,脉冲率通常与明确的外部特征直接相关,比如某种颜色或某个面孔。在外围神经系统中,更多的脉冲意味着更多的热量、更大的声音或更强的肌肉收缩。

然而,当我们更深入地探讨大脑时,发现大量神经元参与实现了更复杂的功能,如记忆、价值判断、模拟可能的未来、对配偶的向往等等,并且这些信号很难破译。这种挑战就好比拆开电脑的封装,测量在高低电压间震荡的晶体管,或者猜测正被浏览的网页的内容。

极有可能信息不是存储在单个细胞中,而是在细胞群或它们的活动模式中。然而目前尚不清楚哪些神经元属于哪个特定的组。更糟糕的是,目前的技术(如向大脑中植入精确的脑电极)不适合同时测量成千上万个神经元,包括监测一个神经元的所有连接也是件不容易的事,因为皮层中一个神经元接受约10000个其他神经元的输入。

尽管电脉冲能够在大脑中快速地传递信号,但脉冲或许不是唯一的,甚至不会是主要的信息在神经系统中被编码传输的方式。即将开展的研究包括检查其他可能的信息携带者:神经胶质细胞(数量是神经元的10倍,目前知之甚少的脑细胞)、脑细胞之间的其他信号机制(如新发现的缩氨酸),以及在细胞中发生的生物化学过程。

2.记忆如何存储与恢复?

当你学习一样新东西,比如记住某人的名字时,你的大脑结构中正发生着物理变化,但我们仍没有确切地理解到底发生了哪些变化,以及它们是如何编码突触和神经元的、如何具体化知识,以及在几十年以后恢复记忆时又是如何被读出的。

一种解释是有许多种记忆,大脑似乎能够区分短时记忆(如保持对一个陌生电话号码的记忆直到你拨完这个号码)和长时记忆(如去年生日时你在干什么)。长时记忆又分为陈述性记忆(如名字和事实)与非陈述性记忆(如骑车和受潜意识的影响)。而这些大类又分为许多子类:不同的大脑结构支持不同类别的学习和记忆;大脑受伤会导致某一种记忆的丢失而其他的不受影响。

然而这些不同的记忆类型中可能有相似的分子机制在工作。几乎所有关于记忆的原理都提到记忆存储依赖突触,即脑细胞间微弱的连接。当两个细胞同时活跃时,它们间的连接加强;而当两个细胞不活跃时,它们间的连接就衰减。突触发生改变则会导致某种联系的出现,如亲身体验能够加强对咖啡的嗅觉、味觉、颜色等感觉之间的联系。既然不同感官的神经元能够被同时激活,那么就有可能发生这样的现象:仅闻到咖啡的气味,不同的感官神经元之间的联系就能同时激发起所有与咖啡相关的感觉。

不过,仅看这些被激发起的联系也许还不足以解释记忆。记忆最大的奥秘在于它在大多数情况下编码的是事物之间的联系,而不是事物本身。例如,当你记忆一段曲调时,你编码的是音符之间的联系,而不是音符本身。这就是为什么你能够以不同的键(key)唱同一首歌。

记忆恢复比存储更神秘。如果我问你是否认识亚历克斯·里奇,你能够迅速地做出明确回答,但却没有理论可以解释为什么记忆恢复发生地如此迅速。并且,恢复记忆这一行为可能瞬间让记忆不稳定:当你回忆过去的事情时,记忆瞬间可能变得可疑。近来一些有趣的实验显示,在那一小段时间里记忆可能被某些化学变化“阻塞”而不能重建。这意味着我们需要认真考虑一些新的问题。

3.大脑中的基准活动表示什么?

神经科学家已经在实验室研究了与刺激相关联的大脑活动的变化,如出示一幅图画,触摸或者播放一段音乐。但大脑在休眠时的活动——即它的基准活动——可能是人类精神活动最为重要的方面。正常人的大脑处于休眠状态时要消耗整个身体需氧量的20%,以维持2%的身体机能,某些基准活动可能代表了大脑在组织重建知识、模拟未来的状态或事件,或者执行某种记忆操作。我们所关心的大多数事情——记忆、情感、冲动、计划等——都能在没有任何外界刺激时出现,甚至也没有显式的输出可以衡量。

神经成像实验为基准活动提供了一个线索。该实验显示:一个人在执行目标驱动任务前,某些脑区的活动会减弱;而不论任务的具体细节有多么大的差异,这些活动减弱的区域是相同的。这就暗示了这些区域极有可能是在大脑处于休眠状态时执行基准活动的区域,就好比计算机只有在资源空闲时才执行磁盘碎片整理程序一样。

在传统的认知观念中,来自外部世界的信息进入各种传感器后,是按照它们既定的模式在大脑中运行,使我们能够有意识地看到、听到或感觉到这些信息。但现在许多科学家开始认为,传感器接收到的外部信息仅是修正脑内正在运行的程序,即传感信息对感知来说是多余的。举一个例子来解释这种观念:当你闭上双眼进入梦乡时,你仍然能够享受到栩栩如生的画面。清醒状态与做梦时的状态也许本质上是相同的,只是前者源于外部刺激。从这种观点看,你有意识的生活只是清醒状态下的梦境而已。

4.大脑如何模拟未来?

当人力资源部门的负责人遇到任务时,他很快就能为如何最佳地安置员工位置作出预测。执行这样的对未来的模拟,而没有任何真正执行它所需要面临的风险和代价,将会让“假设即使失败,也是有利于我们的失败”——如同哲学家卡尔·波珀(Karl Popper)的名言。因此,模拟可能的未来是大脑所擅长的最关键的任务之一。

但我们对大脑的未来模拟功能知之甚少,因为传统的神经科学最适合将大脑活动与明确的行为而不是精神模拟联系起来。有人认为,大脑资源不仅仅用来处理外部刺激并做出响应(比如看到一个球向你飞来),而且用来重建外部世界的一个内部模型并提取事物运动变化的规律(比如观测球在空中飞行的方向)。内部模型不仅在行为控制中起重要作用(如抓取),而且对感知也起重要作用。比如视觉不仅是靠视网膜感受到的刺激成像,还依靠脑内已有的大量信息。近几十年来许多神经科学家提出,感知过程不仅是输入信息的层次化组织,还包括将输入信息与内部产生的期望的一种匹配。

然而,一个系统如何学习预测未来呢?可能的答案是:这就是记忆存在的唯一目的。这并不是一个新思路。2000年以前,亚力士多德(Aristotle)和盖伦(Galen)就强调记忆是预测未来的工具。你对生活的记忆将作为预测未来的依据,这个观点将会逐渐被理解和接受。尽管现在发展缓慢,但它一定会朝着既定的方向发扬光大。

5.何为情感?

我们通常认为大脑是信息处理系统,但任何理论只要没有彻底弄清楚大脑的情感、动机、恐惧和希望源于何种机理,就不算是一套完整的理论。情感是一种可测的物理量,它是对显著刺激的一种物理响应:心跳加速,伴随恐惧感的加剧直至冒冷汗,如老鼠遇到猫时的极度反应。另一方面,情感也是伴随着物理过程的主观感受:感到快乐、嫉妒、难过等。情感似乎涉及了大量无意识的机制,如参与情感过程的脑区会对一张愤怒的脸做出迅速响应,尽管当事人可能根本就没有意识到。因而,不同的文化对情感的表达有惊人的相似。据达尔文所观察到的,所有的哺乳动物也惊人的相似;甚至爬行动物和鸟类当表现出害怕、愤怒或父母的关爱时,都有强烈的心理反应上的相似性。

现代观点认为,情感是一种迅速产生输出值并提供简单行动方案的大脑状态。因此,可以将情感看作为一种计算,一种快速的、自动的、能激发适当行为的计算。当熊朝你扑来时,油然而生的恐惧感会迅疾指挥你的大脑做出正确的决策(确定出逃跑路线)。从认知的角度来说,某些目标的识别速度比其他目标更快,比如一只蜘蛛和一卷磁带相比较,你能更快地认出前者。因为在记忆域里,与称为扁桃体的脑区有关的并行记忆系统将情感事件进行了不同的安置。

情感神经科学的目标是理解各种情感失调现象的本质,其中抑郁症是最为普遍的,也是研究得最多的;而易冲动的攻击性和暴力倾向也被认为是错误的情感控制的结果。