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gongju

為何你獨一無二?

  

  它的banner部分呈現為明亮的不規則光譜帶形式,左下方有一簇線狀物,看上去有點像小時候媽媽打毛衣用的毛線,那色彩繽紛一大簇,占據了整個屏幕的主視覺,彼此之間柔軟地平行著,微微纏繞,而在Gallery主菜單下,你還可以搜到差不多相同感覺但又有所不同的其他一些圖片,有幾張看得出大腦形狀,有大部分幾乎像抽象的現代繪畫那麽不可捉摸——

  著名英倫樂隊Muse曾以連接組圖片作為專輯封麵。

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  這些圖片所表現的主題都是connec-tome,亦即連接組。要理解連接組這個詞,從詞義上來說並不難,它從連接(connect)和基因組(genome)而來。基因組想必你很熟悉了,就是DNA上的核苷酸組成的全體序列。同樣,連接組就是神經係統中各個神經元之間的連接的全體——請註意“全體”這個用語,它很重要,一個連接組不是一條連接,也不是若幹連接,而是所有的連接。

  正因如此,連接組計劃顯得有些瘋狂。人類基因組計劃是美國能源部於上個世紀90年代開始啟動、聯合了英法德日中各主要參與國、耗資30億美金、歷經十多年完成的一個大型科研項目,解碼了人體2.5萬個基因中的30億個堿基對。而由美國國立衛生院於2009年發起的連接組計劃,它要麵對的,是大腦中的上千億個神經元,這個數量級的躍升足以嚇到很多人一跳,再考慮到科學家要在其中研究的還是神經元之間的連接……OMG,我相信你一定會低呼一聲,可怎麽搞?!

  連接主義

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  美國普林斯頓大學神經科學研究所與計算機科學係的承現峻教授,在他所著Connectome:HowtheBrain'sWir-ingMakesUsWhoWeAre(中文版書名《連接組:造就獨一無二的你》)一書中提到,麵對千億神經元如此繁復艱巨的一個係統,研究者們所采取的解決方案當然是:先不管神經元,把大腦分成一些區域再說吧。

  不過,這個方法乍聽上去一點也不新鮮,它為腦科學家們所用已有多年,從法國醫生保羅·布洛卡對失語者屍體大腦的解剖開始,借由不同腦部受損的病人們的癥狀,他們對大腦中不同區域有什麽功能已經摸了個七七八八,過程中甚至受到了來自19世紀的一種贗科學——顱相學的啟發。但腦區功能方向的研究到了近年來不再有突破性發現,盡管掃描儀器越來越精進,大腦仍頑固地保持為一個黑箱中的若幹個小黑箱。舉例來說,布洛卡區和韋尼克區負責語言,布洛德曼第3腦區和第4腦區負責身體的感官和動作,可為什麽是它們來負責,它們是如何負責的?早期的電極測試不能回答,現如今的fMRI同樣也不能回答。而今,連接組科學家們出現了,他們比前輩們更進一步的地方在於引進了連接主義(connectionism)。這個由1906年諾貝爾生理和醫學獎得主聖地亞哥·拉蒙-卡哈爾所提出的思想方法,直到1980年代才開始大放異彩,很大一個原因在於通過數十年漫長摸索,我們才描繪出了神經元的工作方式。回溯一下,1896年,查爾斯·斯科特·謝靈頓爵士命名了神經突觸,上世紀初,約翰·蘭利和他的學生們發現了神經元之間的化學信號傳遞,1956年,愛德溫·弗許潘和大衛·波特發現了細胞之間的電學傳遞……伴隨著對化學突觸和電突觸的交叉認識,對神經活動的探索終於來到了“一路向下,都是神經元”時代。

  在人體多種細胞中,神經元是最華麗的一種,那修長的分支結構使得它看上去像一棵樹木,許多的神經元生長在一起,就成了一片茂密神秘的森林。每個神經元的胞體,都會有稱為樹突的枝杈,和如同樹幹的軸突,軸突可以很長很長,它之所以長成這樣,完全是為了便於信號傳遞。在10萬倍以上放大的電子顯微鏡中,我們可以清楚地看到樹和樹之間,也就是神經元和神經元之間的信息交換——通過神經遞質所攜帶的化學信號,一方的軸突向另一方的樹突傳遞出一個電信號。

  不知道你有沒有認真想過這個問題,為什麽自己在看到一條蛇的時候能轉身拔腿就逃,明明眼睛和腿分屬不同的器官,甚至在原來以區域劃分為主的學說中,視覺和運動本就屬不同的腦區所轄管?這一自救保命行為,所仰仗的正是神經元的工作。大略來講,你的眼睛發送信號給大腦,接著大腦發送信號給脊髓,然後脊髓又發送信號給腿。一套下來三大步驟,第一步由一捆從眼睛伸向大腦的上百萬條視神經軸突完成,第二步是通過一捆從大腦到脊髓的錐體束完成,第三步要征用連接著你的脊髓和腿上肌肉的坐骨神經及其他神經。通過神經元之間的配合,你完成了這次逃命。這個連續的輸入、輸出、輸入……可稱之為連接。

  Connectome英文版舊版(左)及新版(右)封麵

  承現駿在前人基礎上總結道:一個神經元的功能,主要取決於它與其他神經元的連接。這也是現代神經科學領域內對連接主義所做的一個定義。看似簡單的表述,背後其實極其不簡單,因為它要麵臨一係列顯而易見的質疑。想想看,我們要從這個定義出發,去解釋人的一切心智活動,不僅包括對蛇的感知,還包括記憶、語言、社會行為等各種心智現象,談何容易!早在1951年,另一個競爭理論“皮層等勢性”的提出者卡爾·拉什利就發表過著名論文《行為的序列順序問題》,對其時已有學者在倡導的連接主義拋出兩個主要批評:第一,如果存在連接模式,那麽為什麽我們在日常語言中不會反復去講一模一樣的句子,至少很少去講?第二,突觸鏈是一個接一個地產生連接的,但在我們的語法中,一個詞語可不是隻會和相鄰的詞語產生聯係。前一個質疑的反駁比較容易,連接主義者們回答說,句子會發生變化是通過突觸鏈分岔之間的競爭來實現的,後一個質疑的回答就不那麽容易了,直接進入了語言學的語法問題,以至於作者不得不指出,這已經超出本書所探討的範疇。

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  四個重新

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  十七世紀的哲學家和數學家萊布尼茨不相信機器或簡單的物質基礎上會產生“我”,換而言之,他認為包含形狀和運動的機械原理無法去解釋人的感知。但他不相信的這個事情,在當代卻正一點點地發生,神經科學家們已經可以很容易地在活體、運轉的大腦中測量神經元的電鋒了,而測量其他一些生理活動則更要簡單。

  先解釋一下電鋒,神經元軸突所產生的短暫脈沖電信號是一種動作電位,俗稱電峰,它在神經活動中所扮演的角色至關重要。如果一個神經元能通過突觸傳遞信號給第二個神經元,第二個神經元又能傳遞信號給第三個,依此類推,這樣的一串神經元序列,被稱為一條通路。有了通路,一個神經元就能與那些不直接與它有突觸連接的神經元通信。所有的突觸都是很弱的,單個突觸通常不足以使一個神經元產生電鋒,但多個突觸聚合起來就能夠做到,同時被激活的話,它們就能聯合起來“說服”神經元產生一個電鋒。電鋒要麽有,要麽沒有,可以看作是一種“神經決定”。情況頗有點像我們人類要做一個決定,此時可能會聽取朋友和家人的建議。一個神經元也會通過突觸的聚合來“聽取”其他神經元的建議。胞體把電流加以疊加,相當於對那些“建議者”的投票進行計票。如果總票數超過一個閾值,就會產生一個電鋒。更有趣的是,我們在聽取朋友和家人的意見時並非一視同仁,當中會賦予某些人更高一些的權重,與此類似,真正的神經元也會賦予它的“建議者”們不平等的權重。一個突觸的“強度”,就意味著它在神經元決策過程中的投票權重。

  這些“投票”產生的電鋒活動中,就包含著感知和記憶,這是“我”之所以存在的基本,“我”的意識,“我”的心智,均來於此。

  來談談令我們獨一無二的記憶吧。2001年,埃裏克·坎德爾等人對海兔神經係統的研究發現,分子生物學層麵的記憶儲存是通過突觸的增強或減弱(重新賦權)來完成的,而在更早的1985年左右,威廉·格裏諾等人對大鼠的研究證實了突觸的增多(重新連接)將帶來大腦皮層的增厚,有人據此推導出記憶是通過新生突觸來存儲的。但上述這類研究還不足以徹底解釋記憶的形成,直至神經達爾文主義主張的出現,提出這套理論的傑拉德·愛德曼和讓·皮埃爾·尚熱認為,和物種的演化相似,學習也是一種演化,大腦中突觸的形成是隨機的,但通過一種“赫布原則”,一對無意間產生了突觸連接的神經元如果能反復交流,那麽就有可能增強這種連接,同時淘汰掉那些並不能進一步交流的連接。這一理論很好地把重新賦權和重新連接結合了起來,而這兩個類型的連接組變化,是本書所認為的記憶形成關鍵。

  臨近的神經元往往功能上也接近,所以早期的大腦研究就知道從區域劃分著手。如同人類會有物以類聚的情況,聚在一起的個體間說話也多,因此區域內的連接一定在數量上非常可觀。但放到整體尺度上來看,穩定小團體內部的交流固然重要,團體與團體之間也還需要通過一些信息互通來實現協作,可以把這種互相通訊叫做連線,大腦中的各個部分就存在連線。隻不過大腦的連線結構非常節製,每個區域都隻會連通有限的幾個其他區域。舉例來說,布洛德曼第3腦區與脊髓中獲取觸覺、溫度和痛覺信號的通路上,因為它的功能是處理身體感覺。科學家不禁由此猜測,一個區域的功能,在很大程度上取決於它與其他區域之間的連線,由此進一步大膽地作出假設,如果改變連線就可以改變功能。通過一些像是單眼剝奪、視力反轉訓練,他們初步證實了這個假設,也寄望於連接組學的發展能夠帶來更好的檢驗。

  1999年,普林斯頓大學的伊麗莎白·古爾德發表論文稱,她在成年猴子的新皮層裏發生了新生的神經元,這一發現被《紐約時報》譽為十年來最驚人的發現,因為在此前二三十年裏學界的主流看法都是認為,除了在海馬和嗅球兩個區域,哺乳動物的大腦在出生後至少是青春期後,就不可能有新的神經元產生。古爾德的研究以及其他一些零星的研究對這個說法提出了挑戰,即便這種重新生成沒有那麽廣泛地被觀測到,我們依然有理由相信,這是因為新生神經元的數量太少且不穩定。

  在《連接組:造就獨一無二的你》一書中,承現駿著重反復強調了重新賦權、重新連接、重新連線、重新生長這四個“重新”,他認為,認識這四種變化的可能性和潛能所在,將是神經科學最重要的目標。

  能否通過客觀的實驗論證,把感知、思考和其他心智活動還原成由神經連接模式產生的電鋒模式,這是連接主義理論是否成立的關鍵,這就有待於對連接組做進一步的觀測。然而人類連接組的觀測,目前還是一項幾乎不可能的任務。下麵我來說說為什麽。

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  選擇等待

  截至這本書英文版完成的2012年,全世界唯一繪製出來的完整生物體神經連接組隻有1毫米長的秀麗隱桿線蟲(本文題圖),302個神經元,7000條連接,花去了十年時間。humanconnectomeproject.org網站上匯聚重要媒體報道的部分,也隻更新到2014年年初,《美國國家地理》雜誌曾在封麵文章中提到人類連接組計劃,這個時間點之後,包括wiki上也找不到更值得一提的進展。

  就和大型強子對撞機一樣,對上千億個神經元繪製它們的連接,而每個神經元有少則百千多至數萬的神經突觸,這其中麵臨的海量數據處理任務,在極高效率計算機工具出現之前根本無法完成。大約就在上個世紀九十年代,手工重建1立方毫米的皮層,所需工作量是一百萬人工作一整年。

  距離承現駿在TED上做那個激動人心的演講“我是我的連接組”(見下圖)已經過去七年時間了,如果你有興趣去找視頻來看一看的話,依然會為這位朝裔美籍科學家所描繪的研究前景感到心潮澎湃,他以既情緒飽滿又理性克製的陳述,向聽眾傳達了“基因組使你成為人,而連接組使你成為你”的思想。承現駿的父親是一位傳奇“脫北”哲學家,上個世紀50年代就離開了金日成統治下的北朝鮮,定居美國,他的天才兒子得以從小浸淫在美國教育中長大,上哈佛學理論物理,進麻省理工工作,卻轉而研究計算神經科學。也正是這樣的他,具備了跨領域的知識儲備,成為連接組計劃不可或缺的領軍人物。

  他的實驗室近些年正在利用機器學習來讓計算機自己教會自己看神經元,同時他們引進了一個對計算機的表現做量化評分的機製,以此更好地促進它的準確性和效率,並用這個方法自動重建了視網膜的神經元,的確這條路徑的快捷還是顯而易見的,與花在秀麗隱桿線蟲身上的十年已不可同日而語。

  對這一領域的表現,眼下去加以過多的評判並不合適,我們選擇等待,也許某一天全世界參與到連接組計劃中的實驗室會一鳴驚人。無論如何,神經科學領域的根本性突破仍是聖杯一般的存在。

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  連接組研究的一個方向是對大腦重新劃分區域。無論是我們現在非常熟悉的布洛德曼腦區圖,還是卡哈爾的神經分類,在承現駿看來都過於老舊,統統被他甩進了“新顱相學”來調侃,因為前者根據的是大腦層次特性,後者根據的是神經元形狀,顯然不夠本質。他認為理想的劃分大腦無疑是劃分它的連接組,而作為額外收獲還能得到分區之間如何連接的信息。這個過程,將對神經元進行精確分類,直接的短期應用是改變帕金森、阿茲海默、自閉癥等大腦病癥的治療現狀,而更長遠的打算是找到突觸鏈從中讀取記憶,作者最後用了整整一章來展望其應用——製造超級人類,獲得永生。既然我們無法從軀體意義上戰勝死亡,那就上傳意識好了。這個部分應該是科幻小說家們和電影導演們最感興趣的,在此我不贅述。

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