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像麦克白的巫师一样，我现在给我的食谱加上一只青蛙眼睛。青蛙具有双目视觉，它们可以用两只眼睛看前方，尤其是可以在大范围里搜寻飞过的苍蝇。然而，蝌蚪的眼睛长在头部双侧。蝌蚪长成了青蛙，其眼睛在生命过程中挪到了新的位置。问题是，现在两只眼睛的视野重叠，因此看到的景象完全相同。青蛙的大脑从每只眼睛的左半部接受信号输入，然后将其输送到大脑的同一部位共同处理。同时，每只眼睛视野的右半部分在大脑中另一部位接受分析。为了实现这一点，基因组上帝必须要改变青蛙眼睛到大脑的线路。每只眼睛半边的神经细胞交叉至大脑的对侧，而另一边的神经细胞则待在同一侧。这真是难以置信，多亏了克里斯汀·霍尔特（Christine Holt）和中川神一（Shin-ichi Nakagawa），现在才可以准确地解释这是如何实现的。16
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眼睛视网膜里的每个细胞都生长出一个轴突，指向大脑中的“视顶盖”。轴突的尖端是“生长锥”，像是轴突的火车头一样，可以将轴突末端拉到一条直线上，或者转向，或者停止。生长锥的每一次操作都是在回应吸引它或排斥它的化学物质。源自蝌蚪眼睛的生长锥抵达视神经交叉（一种交叉路口或连接点），这些生长锥彼此交叉，蝌蚪大脑的右半边对左眼做出回应，反之亦然。但是一旦蝌蚪变成了青蛙，视神经交叉处就会发生一些变化。此时，青蛙右眼的左半边和左眼的左半边的神经都必须抵达大脑中同样的位置，而两眼右半边的神经则抵至另一位置，于是青蛙便有了立体视觉，能更好地判断苍蝇飞过的距离。新神经元自视网膜生长至大脑，但这一次，其中一半越过视神经交叉处，另一半继续留在大脑原来的一侧。霍尔特和中川发现了这种变化是如何发生的。视神经交叉处内一个基因得以开启：该基因合成一种叫作ephrin B的蛋白，排斥生长锥。它只排斥来自每只眼睛半边的生长锥，因为只有一半的细胞表达ephrin B受体基因。被排斥的生长锥继续留在和眼睛一侧的大脑同一边位置。眼睛另一半的细胞没有表达该受体基因，忽略来自ephrin B的信号，并跨越至大脑的对侧。因而，青蛙有了双目视觉，于是它可以大范围搜寻飞过的苍蝇。
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只要这两个基因——ephrin B和ephrin B受体，在合适的地点和时间以合适的方式加以表达，青蛙便可以形成这样的神经线路，从而以双目视觉的方式来看世界。同样的基因也在小鼠胎儿大脑中相应的位置得到表达，而鱼或鸡体内的这种基因却保持默然，因而它们没有双目视觉。这样也好，因为鱼和鸡的眼睛长在头的两侧，而不是头的前部。
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ephrin B是一个“轴突导向”，是这类少得惊人的蛋白质中的一种。有4个普遍的轴突导向蛋白质家族：netrins，ephrins，semaphorins和slits。netrins一般吸引轴突，其他几种则排斥轴突。一些其他的分子也承担了轴突引导的作用，但是为数不多。然而，现在看来，这些幸运的少数基因几乎是大脑形成所需的全部，因为这四种轴突导向存在于科学家们所能探测到的任何位置，或是排斥生长锥，或是吸引生长锥；而且它们存在于所有的动物体内，包括最低级的蠕虫。这个系统简单到令人难以置信，但它却能生成一个带有数万亿个神经元的人类大脑，每个神经元又可形成上千个联结。17
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请容许我再来举个轴突导向分子生物学研究个例吧，之后我将带领你们返回心理学的空间畅快呼吸。果蝇和青蛙一样，它的一些轴突需要跨过中线抵达大脑的另一侧。为了实现这一点，它们得压制自己对“Slit”蛋白的敏感度，后者是位于中线的排斥型轴突导向。一个轴突若想要越过中线，就得压抑它对Robo基因的表达，该基因可以编码Slit受体。这样的压抑导致轴突对Slit不敏感，允许它自由越过中线处所设的关卡。轴突一旦穿越中线之后，Robo基因就会重新启动，以阻止轴突再次穿越回来。之后轴突会关闭多余的Robo基因（称为Robo2和Robo3），这两个基因可以决定轴突距离中线多远。它关闭越多的Robo基因，就会离中线越远。
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尽管这些基因是在果蝇里发现的，但你不要以为这是它独有的，之后研究者们发现了一种突变斑马鱼，其体内与Robo3对等的基因完全不起作用，中线神经交叉处也出现问题。接下来，研究者们又在小鼠体内发现三种Slit蛋白和两种Robo基因，它们履行着同样的职责，即在前脑形成过程中疏导中线处的交通。在小鼠中，Slit蛋白做得更多，它们实际上可以将轴突引导至大脑中特定的区域。18看来，在啮齿目动物出生很长一段时间以后，其大脑中不同部位的Slit和Robo基因不停地开启和闭合，将轴突引向目的地。19从这些基因的角度来看，人类就像是硕大的鼠，因此这是一个真正的突破，帮助我们理解人类的心智网络是如何建成的。
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你也许认为这距离解释行为还有一段长长的路，的确如此。迄今为止，我的目的仅仅是要大致表达，基因可能会按照一个非常复杂的食谱来建成一个大脑，同时也会采用少许简单的规则；另外，我还要提出遗传学的第四维度，即时间维度。我的意思不是说大脑发展已完全获得理解，科学家们只是在补充细节。其实还差得很远。科学总是这样，科学家了解得越多，他就会意识到他不知道的更多。直到现在，迷雾还一直遮挡着我们的视线。现在所发生的一切，都只是对那令人眩晕的无知深渊的一瞥。例如，我目前还不能告诉你，netrin和ephrin是如何受到经验影响的，也无法解释布谷鸟的脑袋是怎样配备了这些轴突导向，让它们本能地唱出“布谷”。但是，开始的步伐已经迈出去了，我不禁要说这个开端是经由基因还原论而产生的。若要理解心智的构成，却不考虑涉及轴突导向的个别基因，就如同想要建造一个森林却不种树一样。
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合众为一
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这些轴突向导坚守在路标处，给经过的生长锥按照它们的受体指示方向；这只是故事的一部分。它们可以解释神经如何到达它们想要去的地方，却解释不了神经在抵达目的地时如何建立起正确的联结。我再来说个寓言故事吧。假设有一个来自伦敦的女人，得到一份在纽约的债券交易工作。她前往纽约，一路上在各个路标处对相应信号都予以回应（火车站、站台、前台、大门、入境大厅、出租车站、旅馆、地铁等），直到她抵达新雇主的办公室。在这里，忽然之间，她又启动一种新的导向系统。她与新老板和未来同事建立联系，其中一些同事也是不远万里来到这儿。她接触到这些人便不是通过方向指引，而是通过个人指引：姓名和工作。和这种方式一样，基因组上帝将一个轴突引导至其目的地，轴突抵达后必然要与合适的神经元建立联系。此时的线索不再是指示信号，而是身份标记。
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20世纪80年代后期，科学家们偶然发现了第一个这样的基因，该基因可以告诉正在移动的轴突它已在何时抵达目的地。故事开始于1856年，一位西班牙医生奥雷利亚诺·梅斯特里·圣胡安（Aureliano Maestre de San Juan）对一个40岁的男人进行尸体解剖，该男人没有嗅觉，阴茎短小，睾丸也很小。圣胡安发现该男人的大脑中没有嗅球。几年以后，类似的一个例子在奥地利出现，于是医生们开始问那些阴茎短小的男人是否有嗅觉。兴奋的性科学家们将这些例子作为证据，说明人们所看到的鼻子和阴茎有很多相通之处。1944年，弗朗兹·卡尔曼，我曾在第4章里提到这位心理学家，将这种生殖腺短小和无嗅觉的综合征描述为一种罕见的遗传紊乱，是一种家族遗传病，但主要影响男性。有些不公平的是，该综合征目前以卡尔曼的名字命名，而不是那个名字字数过多的西班牙人，这就是名字太长的悲哀。
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对涉及卡尔曼综合征的基因的搜寻，聚焦在X染色体上。（男人没有该染色体的备用拷贝，因为它是从母亲那儿遗传的。）很快，研究者们精确地定位到KAL-I基因。其他染色体上大约还有两种其他基因也可以导致卡尔曼综合征，但它们还没能被鉴别出来。近些年来，研究者们弄清楚了KAL-I基因是如何运作的，当它遭到破坏时又会带来什么影响。该基因在卵子受精5周后得到开启，但既不是在鼻子里，也不是在生殖腺里，而是在胚胎大脑中后来成为嗅球的那个部分被打开。它产生一种失嗅蛋白，作为一种细胞黏附分子，它可以导致细胞相互黏附。失嗅蛋白对向着嗅球移动的嗅觉轴突的生长锥有着极大的影响。在生命形成的第六周，这些生长锥抵达大脑，嗅觉蛋白的存在会导致这些生长锥扩张和“解束”，也就是脱轨的时髦说法。每一个轴突脱离它之前的轨道，停下来与附近的细胞连接。在那些没有KAL-I基因工作拷贝并没有失嗅蛋白的人体内，轴突从不会和嗅球形成联系。大概是觉得不被需要，它们萎缩直至消失。20
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因此，有卡尔曼综合征的人缺失嗅觉。但是为什么阴茎也会短小呢？令人惊讶的是，似乎触发性发展所必需的细胞生命来自鼻子，位于一个称作梨鼻器的古老的信息素受体里。嗅觉神经元仅仅是将轴突发送至大脑，与之不同，这些神经元会自行前往大脑。它们沿着嗅觉神经元形成的神经束也就是轨道移动。在缺乏失嗅蛋白的情况下，它们不能抵达目的地，也不能开始做自己的主要工作，即分泌一种叫作促性腺激素释放激素。如果没有这种激素，脑下垂体就得不到指令向血液中释放促黄体激素；没有了促黄体激素，生殖腺便不能发育成熟。因此这类男人的睾酮浓度较低，因而性欲也低，即便在青春期后在性方面对女人也毫无兴趣。21
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太棒了！最终这个办法出现了，可以追踪一个基因经过大脑中某部分的构建，表达出一种行为的路径。帕特·贝特森引用卡尔曼综合征来强调，尽管基因的确可以影响行为，但是它们之间的联系是曲折并间接式的。若把KAL-I基因称作是性功能障碍基因，这种说法会有误导作用，相当重要的原因在于这种基因只有不工作时才会造成性功能障碍。此外，失嗅蛋白在体内还有许多其他功能，它对于性发育的影响是间接式的。而且其他许多出错的基因也会导致该综合征的部分或全部症状，它们可能会在延伸的因果关系链中的其他位置发挥作用。事实上，大多数遗传的卡尔曼综合征病例都是由于其他基因的突变所导致，而不是KAL-I基因的出错。22
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尽管基因和行为之间没有一一对应的关系（多个基因对多个行为的情况还是有的），但是带着既谨慎又允许偶然存在的态度，我们要知道KAL-I基因仍是负责部分性行为的“基因之一”。正如莱尔曼和皮亚杰所提出的，基因通过神经系统的发育表现出其行为效果。基因规定了神经如何发育，继而再决定行为的方式。科学家们逐渐领悟了一个不可思议的道理，即可以把行为看作发展的一种极端形式。鸟巢和鸟的翅膀一样，都是基因的产物。在我的花园里，乃至整个英国，歌鸠用泥筑巢，乌鸫用草筑巢，知更鸟用毛发筑巢，苍头燕雀用羽毛筑巢，代代如此，因为巢的筑造是基因的表达。理查德·道金斯为这个观点创造了一个短语“延伸的表现型”。23
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我曾提到，失嗅蛋白是一个细胞黏附分子，这一点让它成为基因组上帝的基因产品合集中最有趣的方面之一。理解细胞黏附分子的作用还处于初期阶段，但是有一种观点越来越值得相信，这些分子作为标记，在大脑线路构成过程中，帮助神经元确认它们的同伴。它们是神经细胞找到彼此的关键。我支持这种具有很强推测性的断言，这基于以下的实验，它是我迄今了解的有关基因和大脑研究中最精妙绝伦的实验。
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该实验的操作者是拉里·齐普斯基（Larry Zipursky），实验对象是一只果蝇。果蝇有着复眼，也就是说，它们的眼睛可分为6400个微小的六角管状器官，每个都聚焦于景象中一个很小的部分。每个管状器官都精确地发送8个轴突至大脑，从而报告它所见到的东西——以运动图像为主。其中6个轴突对绿光反应最好；第7个轴突报告紫外线；第8个轴突回应蓝光。前6个轴突在大脑稍浅一层便停止前行了；第7个和第8个轴突则穿进大脑更深一些的区域，第7个轴突是最深的。24齐普斯基首次提出，可以肯定的是，若要这8个细胞抵达目的地，合成神经性钙黏蛋白（一种细胞黏附分子）的基因，就必须在这8个细胞以及它们的目标细胞里得到开启。之后他的团队所做的工作几乎让人难以置信，他们运用基因工程改造出一只果蝇，让第7个轴突中的少数细胞只表达神经性钙黏蛋白基因的突变版本；并让这些细胞，而且只有它们，转为亮绿色，这样实验者便可以区分开同一个动物体内突变细胞的发育和正常细胞的发育。如何做到这一点的细节简直不可思议：它们证明了科学仍是一个可以表现聪明才智和精湛技艺的场所。没有神经性钙黏蛋白，第6个轴突仍然可以正常发展，到达目的地，可随后却不能与其他神经细胞建立联系，于是它开始后退，似乎迷失了方向。齐普斯基又对前6个轴突做了同样的实验，在神经性钙黏蛋白基因停止运行的情况下，那6个轴突也无法找到自己的目标。他之后又做了一个类似的实验，这次他考察的是另外一种细胞黏附基因，即LAR基因。在此以后，他总结出，一个轴突若要识别出大脑中目的地，必须要有神经性钙黏蛋白和LAR基因的作用。25
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钙黏蛋白和它的同类，已跻身于生物界中最富有魅力的分子之列。它们有此声誉，完全归功于科学家们对它们作用的认可，即它们可以在大脑连线过程中促使神经元找到彼此。它们从细胞表面伸出来，就像海床上的叶状海带一样。在有钙的情况下，它们会硬化成杆，抓住邻近细胞伸出的类似钙黏蛋白；它们的职责似乎是将两个神经元捆绑起来。但只有当它们的末端相容时，才会彼此捆绑；而且基因组上帝似乎会尽全力来改变不同细胞间的带状末端。这部分原因是因为有许多不同的钙黏蛋白基因，另一部分原因则在于一个完全不同的现象，称为选择性剪接。请耐心跟着我去了解基因的运行方式吧。一个基因相当于一个由DNA字母组成的片段，解码合成一个蛋白质。然而，在大多数情况下，一个基因被打断为许多有意义的短片段，之间被一些无意义的长片段所间隔。有意义的部分被称为外显子，而无意义的部分被称为内含子。在基因被转录为RNA组成的运行复制之后，在它被合成为蛋白质之前，内含子在剪接的过程中被移除。
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1977年，理查德·罗伯茨（Richard Roberts）和菲利普·夏普（Philip Sharp）由于发现了这一点而获得诺贝尔奖。之后，沃尔特·吉尔伯特（Walter Gilbert）意识到，剪接不仅仅是移除无意义片段。在一些基因里，每一个外显子都有许多可选择的版本，从头到尾都有，最终只有一个被选择；其他的版本则全被忽略。依照选择出的版本，同一个基因会合成差别细微的蛋白质。然而，直到近几年来，这个发现的全部意义才得以显示。选择性剪接并不是罕见或偶然的事件。它大约发生在将近一半的人类所有基因中；26它甚至涉及剪接来自其他基因的外显子；在一些情况下，同一个基因所合成的蛋白质变体，不是一个或两个，而是数百个或数千个。
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2000年2月，拉里·齐普斯基让他的一个研究生舒惠迪（Huidy Shu）观察一种叫作Dscam的分子。这个基因的产物是最近由吉姆·克莱门斯（Jim Clemens）从果蝇中提取出的，迪特马·舒马特（Detmar Schmucker）指出该分子是引导果蝇神经元抵达大脑中目的地所必需的。令人失望的是，果蝇体内这种基因的一段不同于其在人体内的对等基因，人类的这种基因可能导致唐氏综合征的一些症状，但其作用机制仍不得而知（Dscam即唐氏综合征细胞黏附分子）。舒惠迪开始寻找Dscam可供选择的其他形式，也许它们含有与人类基因相似的序列区。尽管含有这样序列区的Dscam没有被找到，但舒惠迪通过测序找到了大约30种形式的Dscam，令人惊奇的是，每一种都不同。后来，忽然之间，完整的果蝇基因组首次可以从赛莱拉公司的网页上获取。那个周末，舒惠迪和克莱门斯运用果蝇基因组数据库来读取Dscam基因。当研究结果出现那一刹那，他们简直不敢相信自己的眼睛。可供选择的外显子并非少数，而是有95个。在该基因中的24个外显子里，其中4个有可供选择的版本：4号外显子有12个不同的版本，6号外显子有48个版本，9号有33个版本，17号有2个版本。这意味着，如果基因被剪接成各个可能的外显子组合，那么它可以合成38016种不同的蛋白质——全部出自一个基因！27
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发现Dscam的消息如野火蔓延般在遗传学界不胫而走。许多基因组专家感到十分沮丧，因为这使情况更为复杂化了。如果单个基因可以合成数千种蛋白质，那么列举人类基因相对于列举出基因合成的蛋白质数目的任务来说，只能算是刚刚起步。另一方面，这样的复杂性嘲讽了之前的一种观点，即人类基因组中相对较少的基因意味着基因组过于简单，无法解释人类本性，因此人类一定是经验的产物。刹那间，那些主张此观点的人搬起石头砸了自己的脚。他们提出30000个基因太少了，无法决定人性的细节；但他们也必须得承认这个基因组可以合成成千上万个、甚至数百万个不同的蛋白质，它们可以轻易地形成各种组合，足以决定人性各方面细致入微的细节，压根不用劳烦后天来帮忙。
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但是请不要得意忘形。只有极少数选择性剪接基因才能表现出潜在的多样性。在我写这本书时，还没有任何Dscam基因的人类版本可以被选择性剪接（有几个版本有待证明），更不要说达到上述程度了。而且果蝇的38016种蛋白质是否全出自Dscam基因，这一点也未有定论。有可能的情况是，6号外显子的48个版本在功能上可以互相替换。但是，齐普斯基已经知道，9号外显子不同的替代版带有倾向性地出现在不同的组织里；于是他怀疑，其他外显子也会有类似的情况。科学家们普遍认为，这个课题研究意味着他们已摸到了密室的大门。基因如何自我剪接，RNA在细胞中如何运作，这都是理解某些全新的基础性生物学原理的关键。
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在任何情况下，齐普斯基都希望他能发现细胞识别的分子基础：即神经元如何在拥挤的大脑中找到彼此。Dscam在结构上类似于免疫球蛋白，这是免疫系统中一种高度变异的蛋白，可识别许多不同的病原体。识别病原体与识别大脑中的神经元十分相似。28钙黏蛋白基因和另一种细胞黏附分子——原钙黏蛋白——也表现出类似免疫球蛋白的功能。它们运用选择性剪接，让自己带有高辨识度的身份标记。此外，它们合成的蛋白黏附在细胞表面，摇晃着可变异的尾部，通过尾部的配对彼此连接在一起。当一个蛋白一旦与来自另一个细胞的类似蛋白相连，尾部就会形成一个坚固的桥梁。这看起来越像是两个相似者互相识别彼此的系统，即表达相同外显子的细胞可以结合，并建立突触连接。
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原钙黏蛋白尤其耐人寻味。它们的基因从头到尾全部位于5号染色体上，分为3个基因簇，包括将近60个基因。每个基因都包括一串可变的外显子供以选择，每个外显子受到一个独立的启动子控制。29它们可以通过选择性剪接来重排基因信息，不是在一个基因转录本里剪接，而是在不同的基因转录本之间剪接。这可能给大脑带来的就不只是成千上万个不同的原钙黏蛋白了，而将会是数十亿个。大脑中类似类型的邻近细胞最终会表达差别细微的原钙黏蛋白。“因此原钙黏蛋白可以提供黏附多样性，并提供具体确定大脑中神经元联结的分子结构。”哈佛的两个倡导该观点的人这样写道。30
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40多年以前，神经学家罗杰·斯佩里（Roger Sperry）试图推翻当时普遍流行的一致看法，获得了他导师的支持。当时普遍认为，大脑由来自未分化的、几乎随机的神经元网络的学习和经验所创造。与之相反，他发现神经在早期的发展中便得以确定，不能轻易被重编。通过切断并恢复火蜥蜴的神经，他证实每个神经元都会抵达其前任所在的位置。他对小鼠和青蛙的大脑进行重新连线，以此证明动物心智的可塑性是有限的：一只小鼠的大脑被重连，右足连到了来自左边的神经，它会在右足受到刺激时仍迈出左足。通过强调神经系统中的决定论，斯佩里发起一场神经学领域的天生论革命，可以与乔姆斯基在心理学领域的天生论革命相媲美。他甚至肯定地认为，每一个神经元对其目标都有一种化学亲和性，大脑是由大量可变的识别分子所建构。在这一方面，斯佩里远远领先于他所在的时代。（他获得诺贝尔奖是由于另一项成就，但远不如这项成就。）
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新的神经元
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