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你的聰明才智從何而來

2019-08-19 文彙報
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  漫画:王梓含曾经有人提出过“水桶模型”,认为智力基因与后天环境就像两根水管,同时向人类“大脑桶”里放“智商水”,智商是两者的综合体现。但脑科學研究发现,先天基因应该是水龙头,后天环境才是引出“智慧之水”的水管,后天环境培养对于大脑智力的形成具有决定性作用。

  現代科學告訴我們,人類的智商由基因和環境因素共同決定。然而,先天遺傳和後天培養哪個更具決定性?兩者比重各占多少?

  人類大腦具有強大可塑性。它是如何學習的?神經網絡如何工作?諸如意識的生物學基礎、記憶的儲存與恢複、人類的合作行爲等問題,都是備受關注且未被解決的重大腦科學問題。這需要我們對大腦進行更深入的研究。

  腦科學現在所處的發展階段,相當于20世紀初的物理學和化學。顯然,在未來的生命科學發展中,腦科學將是一個很重要的領域——不僅本世紀、甚至下個世紀,它依舊會是生命科學的前沿。

  大腦中的信號

  電脈沖與化學分子的“接力跑”

  大腦與其他器官最顯著的差別在于細胞形態,神經元之間通過脈沖電信號和化學分子的釋放來傳遞各類信息,由此構成一個龐大的通信網絡。

  大腦僅重1.5千克,卻是人體最重要的器官,也可能是宇宙間最複雜的物體。在腦組織外部,包裹著一層略顯醜陋的灰色皺褶,這就是大腦皮層。這些皺褶是人類所獨有的,人類的智慧就藏在其中。

  大腦和其他器官有什麽不同?最明顯的一點可能就是細胞形態的不同。大腦裏面有兩類細胞,一類是神經元細胞,還有一類是膠質細胞。其中,神經元細胞多達一千億個,大約相當于銀河系中的恒星數量。這些神經元細胞有著很多非常特別的“觸手”,這些“觸手”被稱爲突觸,有的甚至長達幾十厘米。通過突觸,神經元細胞之間可以相互連接,通過脈沖電信號和化學分子的釋放來傳遞各類信息,由此構成一個龐大的通信網絡。

  目前,科學家所了解到的大腦中信號傳遞的方式有兩種,一是電脈沖,二是化學遞質釋放。

  神經細胞中所傳導的電信號,並不像電線傳輸電能那樣,靠電子流動來傳導。大腦中的電波傳導是由跨過細胞膜的離子流動産生的——陽離子從外面流入細胞內,造成了電位波動。1毫秒、100毫伏,就是神經電信號的單元電脈沖強度。這種波動不斷向前推,其推動速度比電子流的速度慢很多,每秒鍾只有幾百米。當電信號到達兩個神經元細胞的交接處時,電信號再次轉變成跨膜的離子流動,釋放出化學分子,去打開另一個細胞膜上的離子通道。當離子進入下一個神經元細胞後,化學信號又轉變成電信號,向下一環節傳導。

  這是一種非常好的信息整合機制。不過,由于大腦內神經元數目衆多,且每個神經元的電路模式、信號編碼模式、信息處理方式都不相同,要真正理解大腦這個複雜的系統,科學家還有很長的路要走。

  大腦在思考

  猶如不間斷的絢麗煙花秀

  人類大腦中,思考隨時在發生。可當人睡覺的時候,哪些神經元在工作?它們做了些什麽、怎麽做的?這些都還是未解之謎。

  科學家通過觀察全透明的斑馬魚幼魚,清楚觀測到了斑馬魚腦細胞內的信號發生、傳遞的過程。

  实验人员用对电活动敏感的荧光蛋白标记出斑马鱼幼鱼的神经元细胞,这样就可以通过荧光发光的强弱,来判断神经元电活动的强弱。当研究人员用一个闪光进行刺激,斑马鱼就会甩尾并企图逃跑。中國科學院神经科學研究所杜久林研究员研究组发现,一个简单的闪光信号可以激发斑马鱼脑中上万个神经元同时活动——这些电信号同时工作所激发的荧光,就像是在大脑里上演了一场绚丽的“烟花秀”。有意思的是,就算没有闪光信号,斑马鱼的神经元电活动也很丰富。所以,斑马鱼的脑组织其实一直在传递着各种信息。由此可以推想,人类大脑中神经元更是一刻不停地在工作,思考随时在发生。

  大腦在思考什么?信息分析处理工作如何进行?神经科学家希望从宏观、介观、微观三个层面来层层推进,深入了解。

  了解腦的宏觀層面,科學家主要運用核磁共振腦成像(MRI)和正電子斷層顯像(PET)等手段,將研究視野深入到厘米或毫米尺度。在這個尺度上,我們大致可以看到各個腦區整體的電活動,以及大型神經束在各腦區之間的走向。

  在微米尺度上,通過光學顯微鏡成像,科學家可以了解每一個神經細胞如何跟其他神經細胞進行連接、傳送信息,在執行各種功能時又是怎樣活動的。這就是介觀層面的腦圖譜研究,也是當下神經科學發展的關鍵點。它能幫助科學家理解大腦網絡結構的形成與工作原理。

  有神經科學家做了一項非常有趣的工作,將一個神經元細胞的所有突觸,完整地在全腦範圍中展示了出來——一個神經元細胞如同一棵枝葉繁茂的樹,其枝丫跨越了好幾個腦區。現在神經科學家已經能完整地展示少數神經元細胞的全腦神經連接圖譜。

  而空間分辨率達到亞微米到納米尺度的微觀研究,則需要電子顯微鏡的幫助,現在的科研水平可以獲得這樣的影像,但所獲得的信息量太大,還很難分析出有意思的規律。

  上述所研究的还只是大脑的结构图谱。大脑神经连接的电活动状态,目前还只能在宏观层面用核磁脑成像仪来观测,不能解析各种神经环路的活动规律。当人睡觉的时候,也就是大脑处于静息态时,哪些神经元在工作?它们做了些什么、怎么做的?这些都还是未解之谜,也是神经科學研究中的重大问题。

  大腦的可塑性

  賦予人類適應環境更多可能性

  大腦皮層中,掌管手掌、手指、臉部的腦區面積,遠大于主管腿部、手部的面積。同樣主管左手手指感覺的腦功能區,弦樂手比非弦樂手的腦區面積要大,學琴越早,相應腦區面積也會更大一些。

  得益于腦成像技術,科學家已經可以從宏觀上大致了解大腦皮層的功能。比如,我們可以讓受試者在機器裏躺著,給他看幾個字,如果其大腦後方有電活動,即可推測大腦後方掌管視覺功能;給受試者聽一段話,大腦出現電活動的區域就是處理聽覺信息的地方。

  通過這種方法,科學家可以研究證實各種重要功能的關鍵腦區所在:大腦皮層的前上方腦區掌管運動、感覺、嗅覺;前方腦區管語言;腦區前額葉則掌管更高級的認知功能,包括抉擇、計劃等。假如大腦皮層出現損傷,比如中風,受損腦區所對應的功能就會受損,甚至喪失。人體的各個部位就這樣在大腦中被統一管理、調度起來。

  再細化深入下去,會發現更有趣的現象。比如,大腦運動皮層還可劃分成更多細分功能:上方是掌管腿部、手部和手指運動的功能區,邊上則是掌管臉部、舌部活動的功能區。而且,主管手掌、手指、臉部的腦區面積,遠大于主管腿部、手部的腦區面積。要知道,人類文明就是靠雙手創造的,制造工具、狩獵、采摘、寫字等都需要雙手的精細配合。而人類社會的聯接與組成,離不開個體之間的情緒交流和表達,而豐富的面部表情是主要手段之一。因此,大腦就分配了更多區域給這些“重要部門”。

  更有意思的是,大腦是具有可塑性的。同樣是手,腦功能成像顯示,在主管左手手指感覺的腦功能區中,弦樂手比非弦樂手的腦區面積要大,而且學琴時間越早,相應腦區面積也會更大一些。可以想象,現在孩子們掌管拇指的腦區一定比其父輩、祖輩的相應腦區面積要大,因爲手機的使用也會塑造腦區。

  大腦的記憶形成

  “神奇剪刀”修剪樹突棘

  人類幼兒期是大腦開發非常關鍵的階段,一旦錯過就無法彌補。關鍵期之後,人類大腦的神經網絡只有非常有限的“修剪”和“增生”,不會再有大規模的生長。

  很多人都有這樣的經曆:聽到祖母的聲音、看到祖母織的毛衣,甚至聞到祖母的味道,都會想起祖母,並且記憶中與祖母有關的信息會被快速提取出來。

  加拿大心理學家赫伯曾提出過一個觀點:如果兩個神經元之間進行同步的電活動可造成突觸加強或穩固,而不同步電活動可造成突觸削弱或消失,那麽人類的記憶就可能通過各種活動得到改變。

  上世紀七八十年代,科學實驗已經證明了這一點。

  原來,連接各個神經元的“信使”——突觸和樹突棘,還有自己的  “小心思”:當某兩個“信使”來往密切時,它們之間的聯系就會加強,突觸甚至會改變自己的結構,長出新的樹突棘或者把原有的樹突棘變大,以此來提升二者之間信息流動的效率;反之,那些不常聯絡的樹突棘則會被“修剪”掉。長此以往,就形成了突觸的“長期強化”和“長期弱化”現象。

  所以,在祖母記憶的形成過程中,祖母的面孔、祖母唱的歌、祖母說的故事等信息被不同的神經元儲藏在了視覺、聽覺等各個腦區的大群突觸之中。哪怕這些神經元相隔距離很遠,也可以通過同步放電,在腦中形成環路連接。每當我們回憶祖母時,它們就會啓動已被“長期強化”的聯接,引起整個相關神經元集群的集體大行動,有關祖母的記憶就這樣被提取出來了。

  通過進一步研究,科學家發現,人類大腦神經網絡的形成,是在出生後的幾年內完成的。這與猴子等靈長類動物不同,猴子往往一出生就自帶已成型的神經網絡系統。人類的神經網絡系統不僅發育延遲,還伴隨著對突觸和樹突棘的“修剪”和“增生”。整個“修剪”過程伴隨著人的成長,到青春期時達到穩定態,形成各不相同的神經網絡。由于基因異常,網絡在發育過程中如果“修剪”不夠會導致自閉症,“修剪”過分則會造成精神分裂症。

  因此,幼兒期是人類大腦開發非常關鍵的階段。不同腦區和功能神經網絡的形成有不同的關鍵期,一旦錯過就無法彌補——關鍵期之後,人類大腦的神經網絡只有非常有限的“修剪”和“增生”,不會再有大規模的生長了。

  比如,人類視覺系統的形成關鍵期爲三歲前,語言系統的關鍵期則在六七歲前。如果孩子在幼兒時期患有白內障而沒有及時就醫,那麽三歲之後,孩子哪怕治好了白內障,也將因大腦視覺系統已形成錯誤的網絡而患有永久性弱視。

  又比如,如果孩子到了六七歲還不學會說話,恐怕一輩子也不會說話了——因爲掌管孩子語言的神經網絡沒能在關鍵期內建立起來。

  成年腦的可塑性遠小于幼年期。成年後,大規模的神經網絡連接變化基本只會在創傷或病態時才會出現。

  現在,我們再來看“是什麽決定智商”,你是否有了更深刻的認識?

  我們認爲,基因和環境之間是互爲表裏的關系。

  “水桶理論”應該這樣表述:基因是水龍頭,後天環境才是引出智商之水的水管——水龍頭不開,水管裏不會有水;沒有水管,水也無法引入水桶。如果用建築來打比方,基因是建築的基本材料,環境則是建築設計師——除非有致病的基因,每個人擁有的材料基本上沒什麽差別,可由于設計師不同,最後蓋出來的房子就會千差萬別。

  (作者:蒲慕明,系中國科學院院士、中科院脑智卓越创新中心主任,本文根据作者在2019年上海松江脑科学科普夏令营上的讲演内容整理)

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