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在这个迅速发展的领域中不乏建议，只有时间会告诉你，哪些是头脑发热的科幻小说作家做的白日梦，哪些是代表未来科学研究的可信赖的途径。神经科学的进展已是一个天文数字，在很多方面，关键是现代物理学，它使用电磁和核力的全部力量去探测隐藏在我们头脑中的巨大秘密。
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我要强调的是，我不是一个神经科学家。我是一个理论物理学家，对大脑有着持久的兴趣。我希望一个物理学家的观点可以帮助进一步丰富我们的知识，给出在宇宙中最常见的和最神秘的物体：我们的大脑，一个全新的理解。
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但鉴于全新的观点发展的步伐极快，更重要的是我们对大脑是如何构成的要有坚实的了解。
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让我们首先讨论现代神经科学的起源，一些历史学家认为，它是从一颗铁钉穿过某个菲尼亚斯·盖奇（Phineas Gage）的大脑开始的。这一开创性的事件引发了连锁反应，打开了对大脑进行严肃的科学研究的大门。虽然对盖奇先生这是一个遗憾的事件，但它却为现代科学铺平了道路。
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我对我们有时称之为“心灵”的大脑的基本认识是：它的工作是其解剖学和生理学的结果，仅此而已。
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——卡尔·萨根（Carl Sagan）
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事故发生在1848年，当时菲尼亚斯·盖奇（Phineas Gage）是佛蒙特州的一个铁路工头，当炸药意外爆炸时，一根三英尺七英寸（1.13米）长的铁棒直接打到他的脸上，从他的大脑前额穿进去，从头顶穿出来，最终落到八十英尺（24.4米）开外的地方。他的同事们惊呆地看到他们工头的大脑的一部分被掀掉了，于是马上叫来医生。让工人们（甚至是医生）惊愕的是盖奇先生没有当场死亡。
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他半昏迷了数周，最终似乎是完全康复了。（2009年，一张罕见的盖奇的照片浮出水面，显示一个英俊潇洒、充满自信的男人，他的头部和左眼受伤，手里握着那根铁棒。）但这一事件发生后，盖奇的同事们开始注意到他的性格出现了急剧变化。一个活泼开朗、乐于助人的工头，成了一个爱骂人的、怀有敌意的和自私的人。女士们被警告离他远点。约翰·哈洛（John Harlow）博士，他的主治医生，发现盖奇“任性和波动，计划了许多未来要做的事情，但还没有做就很快放弃了，因为又出现别的似乎更可行的事情。他的智力和表现好像孩子一样，却有着一个强壮的人所拥有的野兽般的激情”。哈洛博士注意到他“彻底改变了”，他的同事说“他不再是盖奇了”。1860年盖奇死后，哈洛博士保留了他的头骨和那根击碎他头骨的铁棒。对此头颅的详细的X射线扫描已经证实，铁棒在前额后面称为额叶脑区的地方造成了巨大破坏，左、右大脑半球都有破坏。
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这个令人难以置信的事故不仅改变了菲尼亚斯·盖奇的生活，它也改变了科学的进程。此前的主导思想是：大脑和灵魂是两个独立的实体，称为二元论哲学。但越来越清楚的是，盖奇的大脑额叶损伤引起了他个性的突然变化。接下来，这又引起科学思维模式的转变：也许是大脑的特定区域与一定的行为有关吧。
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心灵的未来 布罗卡的大脑
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1861年，盖奇去世后仅仅一年，这种观点通过皮埃尔·保罗·布罗卡（Pierre Paul Broca）的工作得到进一步巩固，他是巴黎的一位医生，记录了一个病人，这个病人除了严重的语言缺陷外，其他一切似乎都正常。病人能完美地认识和理解语音，但他只能发出一个声音，“潭”。病人去世后，布罗卡医生通过尸检证实了病灶在患者的左颞叶，接近他的左耳的大脑区域。布罗卡医生后来确认12个类似病历的病人在这一特定区域都有大脑损伤。今天，有颞叶损伤的患者，病灶通常在大脑左半球，被认为患有布罗卡失语症。（在一般情况下，这种疾病的患者可以理解别人说的话，但什么话都说不出，或者在说话时丢掉很多词。）
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不久之后，在1874年，德国医生卡尔·韦尼克（Carl Wernicke）描述了有相反问题的患者。他们能清楚地表达，但他们不能理解书面和口头的语言。这些患者往往能流利地说，语法和句法都对，但带有毫无意义的词和话。不幸的是，这些患者往往不知道他们是在胡言乱语。韦尼克进行尸体解剖确认，这些患者在距离左颞叶不远的地方遭受了损伤。
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布罗卡和韦尼克的工作在神经科学中是一个里程碑式的研究，建立了行为问题，如语音和语言障碍，与大脑特定区域的损伤之间的明确关系。
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另一个突破发生在战争的混乱时期。在历史上，有许多宗教禁忌禁止人体解剖，这严重制约了医学进步。然而，在战争中，流血的士兵在战场上死亡的数量数以万计，制定有效的医疗处理方法成为医生的一项紧迫任务。在1864年普鲁士与丹麦的战争期间，德国医生古斯塔夫·弗里奇（Gustav Fritsch）治疗过很多头部有伤口的士兵，碰巧注意到当他碰到大脑的一个半球时，身体的另一侧经常抽搐。后来弗里奇系统地证实，当他用电刺激大脑时，左半球大脑控制身体的右侧，反之亦然。这是一个惊人的发现，证明大脑基本上是电性的，大脑的特定区域控制身体另一侧的一部分。（令人惊奇的是，早在几千年前，罗马人就有电子探针用于治疗大脑的记录。在公元43年，记录显示，克劳狄皇帝的宫廷医生用带电荷的电鳐［torpedo fish，又叫鱼雷鱼］治疗患有严重头痛病的病人。）
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在大脑与身体之间有电通路连接这个认识，直到20世纪30年代才有了系统的分析，那时怀尔德·潘菲尔德（Wilder Penfield）医生开始治疗癫痫病患者，这些病人经常出现惊厥和癫痫发作，可能危及生命。对他们来说，最后的选择是做脑外科手术，去掉部分头骨和暴露大脑。（因为大脑没有疼痛感，病人可以在整个过程中有意识，因此潘菲尔德医生在手术期间仅用局部麻醉。）
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潘菲尔德医生注意到，当他用电极刺激皮层的某一部分时，身体的不同部位会回应。他突然意识到，他可以在皮层的特定区域和人体之间绘制一幅粗略的一对一的对应图。他绘制的图是如此之准确，以至今天仍然几乎原封不动地在使用它。这些图立即对科学界和公众产生了影响。在这种图中，你可以看到大脑的哪一区域大致控制哪种功能，以及每个功能的重要程度。例如，因为我们的手和嘴对于生存是如此的重要，因此大量的脑力是致力于控制它们的，而我们背部的传感器官在大脑中则根本没有寄存器。（见图1。）
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