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一、脑科学研究的历史脉络：从上古到今天
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沿着本书中的时间线，按照脑科学发现的相对重要程度划分，我认为脑科学研究大致可以分为四个历史阶段：蒙昧时代（16世纪前）、启蒙时代（17到19世纪）、近现代（20世纪），以及当代（21世纪）。
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在蒙昧时代，科学家与智者们无法通过观察得知大脑的真正功能。比如，古希腊的亚里士多德认为，心脏才是产生感觉与情绪的器官，大脑看上去远不如时刻跳动的心脏更有活力，不是吗？中国古代的先贤也持类似的观点，所以我们才会有“伤心”“心碎”等描述情绪的词语。单纯根据我们的直观感受，情绪波动的时候心脏的跳动好像确实会发生相应的改变，所以得出这种结论并不奇怪。
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公元162年左右，古罗马的盖伦提出了一个有关大脑的惊世骇俗的假说。在动物身上开展了一系列的实验后，他提出大脑——而不是心脏——很有可能才是产生思想的地方。盖伦提出了一个无比玄乎的概念“精气”（pneuma），认为大脑产生的这种看不见摸不着的气体能在神经中流动，进而控制全身的运动。今天来看，这种“精气”的运作方式一定程度上就像一种非常朴素的电传导模型。1543年，两部影响深远的科学巨著出版。一部是尼古拉·哥白尼的《天体运行论》，另一部则是安德烈·维萨里的医学巨著《人体构造论》。在《人体构造论》中，维萨里惟妙惟肖地绘制了大脑的结构并否定了盖伦“精气”的观点。
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进入启蒙时代后，先哲笛卡儿经过富有远见的思考，认为盖伦是对的：大脑里确实有可以快速移动的“精气”，这些“精气”控制着人体的运动和各种思考。今天看来，这甚至可以看作是大脑反射弧的一个雏形。但大脑的科学基础究竟是什么呢？17至18世纪最伟大的科学进展是牛顿引领的物理学革命，科学家刚刚开始认识到庞大星球之间的神秘引力。而揭开大脑神秘面纱的，却是对自然界中另外一种力量——电的研究。
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到18世纪末，路易吉·伽伐尼、亚历山德罗·伏打等意大利科学家率先揭示了生物体中电的奇妙力量，他们甚至可以利用电让青蛙的肢体收缩。古老的“精气”终于被找到了，那就是生物电。类似于伏打电池这样的发明也让人类开始能够操纵简单的生物电，甚至可以用微弱的电流刺激动物的大脑，观察大脑被刺激后怎样让四肢发生运动。
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除了生物电的革命性发现外，许多脑科学教科书与科普书还会提及19世纪的颅相学研究。颅相学的说法现在看上去十分荒诞不经，其主要观点是，既然大脑是控制行为甚至性格和智力的重要器官，那大脑的结构必定会被包裹大脑的头骨所反映，因此如果想知道一个人的性格乃至智力，摸摸脑袋或许就能判断了。
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这个启蒙时代的奇谈怪论从未成为学界的主流，但我此处希望谈一谈的是这个学说中涉及的另一个问题：性格与智力是先天决定的还是后天决定的？
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据说拿破仑对颅相学嗤之以鼻，是因为他自己的经历：一个人的性格和智力难道不都是后天努力学习与奋斗形成的吗？拿破仑自己出生于一个破落贵族之家，从一名炮兵军官奋斗至法兰西皇帝，这难道不是后天努力的结果吗？怎么可能通过摸摸一个人的头骨就判定出他的人生走向呢？可以想象，在努力改造社会成为社会主流的19世纪后半叶，颅相学很快就被扫进了历史的故纸堆。
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其实从科学的角度看，颅相学也并非一无是处。大脑的某种功能由特别的区域来控制，这一观点后来被发现其实是能找到证据支持的。1865年，通过对一系列语言障碍病人的研究，法国医生保罗·布罗卡发现，一旦大脑左额叶的一个区域受损，人的语言功能就会被严重破坏。这个区域后来被以布罗卡的名字命名，称为布罗卡区（Broca’s area），并被证明是大脑中分管语言的区域。
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在启蒙时代的两三百年时间里，科学家建立起了包括生物电、功能分区等在内的一系列关于大脑的基本知识框架。而大脑研究真正成为科学的一个分支要等到19世纪末了，至此脑科学研究也进入了近现代的阶段。
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某个学科成为真正的科学分支的标志，是这个学科拥有了一系列可以被广泛使用并推广的研究手段，这样一个科学家的发现就很容易被其他科学家重复验证并推进。当然，研究技术的成熟只是一个必要条件，科学的真正进步常常是我们所说的“范式革命”。在其著作《科学革命的结构》中，科学家、哲学家托马斯·库恩阐述了范式革命的过程。用通俗的话说，就是看待问题的角度改变了。再通俗一点就是，真正革命性的科学发现不可以被旧的范式“预测”出来。比如，从牛顿的经典物理学无法预测出爱因斯坦的相对论，从爱因斯坦的相对论也无法推测出量子物理学理论。让我们来看看脑科学的范式革命是如何发生的。
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现代脑科学第一个革命性的发现，是20世纪初西班牙神经解剖学家圣地亚哥·拉蒙·卡哈尔提出的神经元学说。大脑的结构究竟是怎么样的？虽然细胞学说已经被广为接受，但大脑中是否也有细胞？发明了一种神奇染色方法的意大利科学家卡米洛·高尔基在对大脑做了一番染色后指出，大脑里没有单个的细胞，而是无数细胞连接起来的群体。但卡哈尔用这种以高尔基的名字命名的“高尔基染色法”对动物大脑染色后却惊奇地发现，大脑里的每一个细胞都是独立存在的。对无数生物的大脑做了难以计数的染色后，他系统性的阐释了大脑内的细胞不仅独立存在，相互之间的连接枢纽还是一个非常特化的结构，也就是后来被发现的突触（synapse）。
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谢天谢地全世界的科学家没有被高尔基误导，卡哈尔的神经元学说让脑科学的研究真正进入了快车道。尽管从细胞学说出发，好像也能“推测”出大脑中应该有细胞，但由于纠正了大脑里的细胞是连通的这一错误学说，并绘制出令今人仍然叹为观止的大脑细胞染色图，卡哈尔一直被现代脑科学工作者奉为祖师爷。
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AI”>大脑的结构基础差不多搞明白了，那这如梦似幻的“精气”——生物电究竟是如何在大脑细胞（神经元）中产生并传输信号的呢？至今难忘当我在学生时代读到神经生物学教科书的这一部分，也就是著名的霍奇金–赫胥黎传导模型（Hodgkin-Huxley model）时，那种震撼的感觉。
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尽管自第二次工业革命起人类就已经可以成功生产并使用电能，但一直到20世纪中叶，科学家对神经元之间的电传导规律仍然一无所知。主要的原因可能是，生物电本身就非常微弱，必须用精密的仪器才能够检测。研究对象的选择也很重要，哺乳类动物的大脑被包裹在坚硬的头骨内，如果要对神经元进行电记录，必须先通过脑外科手术去除头骨，在这之后纤细的电极还需要充分接触到很细的神经纤维。20世纪上半叶的技术还很难完成后者这样的操作。那怎么办呢？
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两位英国的科学家艾伦·霍奇金和安德鲁·赫胥黎巧妙地使用一种乌贼发现了电传导的规律。他们选择枪乌贼的巨轴突系统作为研究对象，这样电极可以轻松地接触到神经纤维进行记录。在对枪乌贼细胞的放电情况进行仔细测量后，霍奇金和赫胥黎发现细胞放电的规律可以用一个简洁优美的方程式来解释，这就是著名的霍奇金-赫胥黎方程。这个方程式解释了神经元放电的基本规律。这个真正革命性的发现揭示了神经元放电的原理，基本上就是钠、钾离子的跨膜流动。这个发现同时也表明，生物学过程的底层规律仍然是物理学原理。自这个发现起，神经生理学作为一门新兴的学科，正式走进了科学的殿堂。
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除了以上内容外，20世纪一系列有关脑的重大发现——如查尔斯·谢灵顿提出的突触概念、大脑中的神经化学概念等——《大脑传》都一一做了精彩的描述。大脑中细胞间通过化学物质（也就是所谓的神经递质）来传导信息的发现，开辟了一个新的领域——神经化学。其中最为人所知的是有关成瘾的一系列神经化学发现，比如对多巴胺、阿片受体等的研究。但随着脑科学研究的深入，科学家逐渐认识到，大脑中的化学物质只是细胞间通讯的媒介，更重要的是细胞之间的通讯网络是如何工作的，这些都属于当代脑科学研究中的神经环路研究。
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在20世纪的脑科学研究中，还有一个非常重要的分支，《大脑传》中的描写也很有趣，那就是试图运用机器来模拟并接近人类的智能。这个领域的先驱的思考推动了电子计算机的诞生。科学家一直希望用计算机来模拟大脑的工作过程，然而模拟脑的一系列努力在半个多世纪的时间里一直雷声大雨点小，进展缓慢。一直到21世纪发端，机器学习算法的横空出世，以及不断增长的计算机算力在某些领域开始与人类的智能相匹敌，人工智能时代终于到来了。
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在了解了大脑的基本结构、细胞组成、电活动的工作原理并拥有不断增强的计算机算力后，接下来要做的就是展开探索大脑最重要奥秘的攻坚战了。当代脑科学研究（21世纪）的很大一部分，就在致力于探索这些问题。
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即使你不是专业人士，如果问你脑研究领域最重要的研究有哪些，估计你也能答个八九不离十：记忆是怎么形成并存储的？情感是怎么产生的？意识是怎么让我们与众不同的？等等。
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确实，大脑研究皇冠上最耀眼的明珠就是这些高级认知功能的原理。坦白地说，对于这些问题，我们目前还没有令所有人满意的答案。我们都在期待真正“革命性”发现的到来。
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《大脑传》的第三部分触及到了一部分这些内容，但可能因为这方面的进展太过迅猛，我个人认为书对这部分的描述略有缺憾，我在此处略做补充。
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真正第一次揭示认知功能原理的革命性脑科学研究，我认为是西摩·本泽（Seymour Benzer）在20世纪后半叶开展的果蝇遗传学实验。他在果蝇这种易于繁殖与观察的实验动物中诱导随机的基因突变，再观察果蝇的哪些行为被基因突变所改变，进而一下子追溯到了行为的最底层——基因的层面。使用这种方法，本泽找到了控制生物节律的基因以及学习记忆的基因。我认为这些研究是真正革命性的，尽管距现在已经有超过半个世纪的时间，但仍然可以被称为当代的脑科学研究成果，因为迄今许多研究仍然没有走出本泽的研究范式。
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但要研究清楚某一个基因具体是如何影响某种复杂行为的，基因和行为之间显然还有巨大的鸿沟和空白。在试图填补这些空白的当代脑科学研究中，最热门的领域之一就是研究大脑的某个脑区或者神经元之间的连接会怎样影响某种特定的行为（例如学习与记忆、成瘾、恐惧、开心与愉悦）。虽然研究进行得热火朝天，但这个领域里不断涌现的最新发现并没有带来“范式革命”级的突破。科学家们打趣地说，现在的研究基本上都有“套路”，无非是脑区甲的细胞A与脑区乙的细胞B形成连接，一起调节了行为C，如此种种。汗牛充栋的研究绝大部分都可以被这样“预测”出来，那么真正“革命性”的发现在哪儿呢？
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