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1967年，美国国家精神健康研究院的医生保罗·麦克莱恩（Paul MacLean）为了了解看似随机的大脑结构，将查尔斯·达尔文的进化论应用到大脑。他把大脑分成三个部分。（自那时以来，研究表明，这种模型可以改进，但我们可以用它作为一个粗略的组织原则来解释所有的大脑结构。）首先，他注意到我们大脑中心的一部分，包括脑干、小脑、基底核，与爬行动物的大脑几乎相同。被称为“爬虫类大脑”，这是大脑的最古老的建筑，控制动物的基本功能，如平衡、消化、呼吸、心跳、血压等。它们还控制争斗、狩猎、交配和霸占地盘，这些是生存和繁殖所必需的。爬行动物的大脑可以追溯到5亿年前。（见图3。）
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图3 大脑的进化史：爬行动物的大脑、大脑边缘系统（哺乳动物的大脑）和新大脑皮层（人类的大脑）。粗略地说，可以认为人类大脑的进化路径是从爬行动物大脑、哺乳动物大脑到人类大脑。
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但随着我们从爬行动物进化到哺乳动物，大脑也变得更加复杂了，向周边发展和产生全新的结构。在这里，我们遇到了“哺乳动物大脑”，或边缘系统，位于大脑的中心附近，在爬行动物大脑部分的周围。在以社会群体方式生活的动物中，如猿类，这个边缘系统是突出的。它也包含了涉及情感的结构。由于社会群体动力学是非常复杂的，因此边缘系统是辨别潜在的敌人、盟友和竞争对手所必需的。
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边缘系统的各个部分对于控制社会性动物的行为是极其重要的，这些部分包括：
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海马。这是记忆的网关，在这里短期记忆被处理成长期记忆。之所以叫做“海马”，是为了描述其奇怪的形状。此处损伤将破坏产生新的长期记忆的能力。你就会停留在目前的状况。 杏仁核。这是产生情感的地方，尤其是恐惧，情感首先注册和产生在这个地方。它的名字意味着它是“杏仁状的”。 丘脑。这就像一个中继站，收集从脑干来的感官信号，然后将它们发送到不同的皮层。它的名字的意思是“内室”。 下丘脑。它调节体温、我们的昼夜节律、饥饿、口渴、生殖和心情方面。它位于丘脑之下，由此得名。 最后，我们有哺乳动物大脑的第三个和最新的区域——大脑皮层，这是大脑的外层。大脑皮层内的最新的进化结构是新大脑皮层（意思是“新皮”），它控制高级认知行为。这是人类最高度发达的部分：占我们大脑的质量多达80％，但只有一张餐巾纸那么厚。在老鼠中新皮层是光滑的，但是在人类中它是高度盘绕的，非常复杂的，它允许大量的表面面积被塞进到人类的头骨中。
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从某种意义上说，人类的大脑就像一个博物馆，包含数百万年的进化中所有以前阶段的残留，在尺寸和功能上向外、向前迅速扩大。（这也是一个婴儿出生所采取的大致的路径。婴儿的大脑向外、向前扩展，或许是模仿我们演化的各个阶段。）
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虽然新皮层表面上看起来仿佛是平常的，但实际并不是这样。在显微镜下，你可以看到大脑的复杂结构。大脑中的灰质由数十亿个微小的、被称为神经元的脑细胞组成。就像一个巨大的电话网络，它们通过树突接收其他神经元的信息，树突就像从神经元一端发芽的卷须。在神经元的另一端，有一个长的纤维称为轴突。最后轴突通过它们的树突连接到上万个其他的神经元。在二者之间的交界处有一个称为突触的小间隙。这些突触像大门，调节大脑内的信息流。被称为神经递质的特殊化学药品能进入突触改变信号流。因为神经递质，如多巴胺、去甲肾上腺素和血清张力素，有助于控制穿过大脑的各种各样途径的信息流，所以它们对我们的情绪、情感、思想和精神状态有巨大的影响。（见图4。）
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图4 神经元图。电信号沿着神经元的轴突传递直到遇上突触。神经递质可以调节通过突触的电信号。
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对大脑的这种描述大约代表了20世纪80年代之前的知识状态。然而，在20世纪90年代，随着物理学领域新技术的引进，思想力学（mechanics of thought）开始极其细致地被揭开，引起最近的科学发现的大爆炸。这个革命的一个动力是磁共振成像（MRI）机器。
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心灵的未来 磁共振成像：进入大脑的窗口
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要理解为什么这种根本性的新技术能够帮助解码大脑思维的原因，我们必须将注意力转移到物理学的一些基本原理上。
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无线电波，电磁辐射的一种类型，可以恰当地通过组织而不损害组织。磁共振成像（MRI）机器利用这一优势，使电磁波自由地穿透颅骨。在这个过程中，这项技术给了我们一些曾经被认为是不可能捕捉到的绝妙的照片：在大脑产生感觉和情绪时的内部运作。在MRI机器上看见闪烁的灯光跳来跳去，可以追踪思想在大脑内的移动。这就像一个时钟嘀嗒作响时能够看到它的内部一样。
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你首先会注意到MRI机器是很大的，它的圆柱形磁线圈可产生一个磁场，比地球磁场大2万～6万倍。MRI机器之所以重达一吨，占满整个房间，花费数百万美元，其主要原因是有一个巨大的磁铁。（MRI机器比X射线机更安全，因为它们不产生有害的离子。CT扫描［X射线计算机断层成像扫描］也可以创建三维图片，但照射身体的剂量是普通x射线剂量的很多倍，因此必须小心控制。相比之下，MRI机器使用时安全性好。然而，一个问题是对工作人员不利。如果打开舱门的时间错误，磁场强大到足以把工具以高速度甩到空中。造成人员受伤，甚至被杀死。）
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磁共振成像（MRI）机器的工作如下：病人平卧并插入到包含两个产生磁场的大线圈的圆筒中。当磁场打开时，身体内的原子核的行为很像指南针的指针：它们沿磁场方向排列。然后产生一个小的无线电脉冲能量，使我们身体中的一些原子核快速翻转颠倒。当这些原子核恢复到正常位置后，它们发出二次无线电脉冲能量，然后通过MRI机对这些脉冲进行分析。通过分析这些微小的“回声”，可以重建这些原子的位置和性质。像蝙蝠使用回声来确定在其飞行路径上的物体的位置一样，通过MRI机器上创建的回声使科学家们能够重新创建大脑内部的非凡的影像。然后用电脑重新构建原子的位置，给出我们美丽的三维图像。
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在核磁共振成像的最初期，它们只能显示大脑及各区域的静态结构。然而，在20世纪90年代中期，发明了一个新型的MRI机器，被称为“功能性”MRI，或fMRI（功能性磁共振成像），它能检测大脑血液中氧的存在。（对于不同类型的MRI机器，科学家们有时会在MRI前加一个小写字母，但我们将用缩写MRI来表示各种类型的磁共振成像机。）MRI扫描不能直接检测神经元中的电子流，但由于细胞必须通过氧提供能量，因此含氧的血液能间接跟踪神经元中电能的流动和显示各种不同的大脑区域之间的相互影响。
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这些磁共振成像（MRI）扫描结果已经明确否定了认为思想是集中在一个单一的中心的想法。相反，人们可以看到大脑在思想时电能在大脑的不同部位流动。通过跟踪我们的思想所采取的路径，核磁共振成像扫描为揭示阿尔茨海默氏症、帕金森氏症、精神分裂症的性质和其他的心理疾病带来了曙光。
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磁共振成像机的最大优势是其精准的定位大脑各微小部分的能力，可以小到毫米级别的几分之一。MRI扫描产生的不只是二维屏幕上称为像素的点，而且是在三维空间中称为“体素”（voxels）的点，产生三维的成千上万个明亮彩色点的集合，形状为大脑。
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由于不同的化学元素对不同的无线电频率有回应，因此可以通过改变无线电脉冲的频率来识别身体的不同元素。值得注意的是，功能性磁共振成像（fMRI）机测量血液流动瞄准的是血液中含有的氧原子，但MRI机器也可以识别其他原子。在过去的10年中，一种新形式的被称为“磁共振扩散张量成像”的MRI出现了，称为DTI，可检测大脑中的水的流动。因为水是大脑的神经通路，所以DTI产生像花园里生长的葡萄藤网络那样漂亮的图像。科学家们现在可以立即确定大脑的某些部分和其他部分是怎样相连的。
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然而MRI技术有几个缺点。虽然它们的空间分辨率是前所未有的，可以定位小到三维空间中针尖大小的体素，但核磁共振成像时的分辨率不好。为了跟踪大脑中血液的路径几乎需要整整一秒钟，这听起来或许不算什么，但记住，电信号通过大脑几乎是瞬间的，因此MRI扫描可能错过一些思维模式的复杂细节。
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另一个问题是成本，一台MRI机动则数百万美元，所以医生经常要共享机器。但像其他技术一样，随着时间的演进其成本会降低。