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尽管他们的描述是准确的，但希罗菲卢斯和埃拉西斯特拉图斯的工作并没有解答心脏和脑哪个才是思考和感觉的器官。他们的研究只能说明脑很复杂。亚里士多德的心脏中心观仍然有巨大的影响力，部分原因是他的声望极高，但最重要的是这符合日常经验。
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又过了400年，有关脑的作用的决定性证据才出现。这个证据来自西方文明史上最具影响力的思想家之一——盖伦的工作。盖伦是罗马公民，于公元129年出生在今天土耳其西部的帕加马的一个富裕家庭。[20] 虽然今天的人们主要将盖伦视作一名医学作家（他的思想塑造了1500年间的西方医学和文化），但实际上，他是古罗马时代晚期的主要思想家之一，创作了数百万字的哲学、诗歌和散文著作。[21]
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盖伦曾在东地中海地区旅行和学习，去过亚历山大港，但他人生的关键岁月是在罗马度过的。他于公元162年抵达罗马，时年32岁。此前，他在帕加马做了4年角斗士的医生，在此期间，通过治疗角斗士的伤口，他对人体有了更多的了解。盖伦很快就成了一名罗马上流社会认可的医生，治疗过罗马的一些重要人物，其中包括罗马皇帝马可·奥勒留。盖伦还获得了擅长辩论的杰出解剖学家的美名。为了展示他的发现，盖伦采用了“演讲结合评论”的方法，在讲解过程中一边阐述他的新知识，一边在动物身上做演示。在这些演讲中，观众被邀请去观摩盖伦的操作，从而验证他的观点——这体现出了盖伦所强调的亲身体验对理解的重要性。（以下关于盖伦如何得出一些结论的描述相当可怕。如果你的情感比较脆弱，你可能更愿意跳过接下来的三段文字。）
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盖伦感兴趣的一个关键问题是脑的作用，以及思想和灵魂位居身体中的何处。他相信脑是行为和思想的基础，并且认为自己可以通过动物实验来证明这一点。这一切都发生在没有麻醉药的时代。盖伦本人也不能对他所造成的恐怖无动于衷——他建议不要用猴子做实验，因为猴子在实验时的面部表情太令人不安了。当时的一些人认为，其他动物缺乏与愤怒和欲望有关的那部分灵魂。尽管盖伦不认同这种观点，但他对疼痛却只字未提——在他对自己工作的描述中，没有任何疼痛的踪影。[22]
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盖伦最具决定性的实验之一是研究神经在发声过程中的作用。这项研究是在猪身上进行的，因为“叫声最大的动物最适合用于开展声音受损的实验”。[23] 可怜的猪被肚皮朝天地绑在地上，口鼻被紧紧地捂住。盖伦切开它的皮肉，暴露出猪颈动脉两侧的喉返神经。如果他用一根线把这些神经扎紧，猪那沉闷的尖叫声就会停止；如果他解开绑线，尖叫声就会恢复。虽然很明显是猪的喉部发出了尖叫声，但似乎有什么东西在沿着神经从脑出发向下移动。
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盖伦最杰出的现场演示之一支撑了这个观点。在那次演示中，盖伦与持心脏中心观的反对者展开了面对面的交锋，证明了脑的重要性。在切开一头活猪的肚子后，盖伦让他的反对者挤压猪的心脏，阻止它的跳动。然而，即使心脏停止了跳动，这只可怜的动物仍然能够继续发出沉闷的尖叫声，这表明心脏的活动对猪发出声音来说并不是必要的。但当盖伦打开猪的颅骨，并让他的反对者按压猪的大脑时，猪立刻就停止了尖叫并失去了知觉。如果停止按压脑，盖伦记述道，“猪就会恢复意识，可以再次运动”。对当时的观众来说，这一定非常令人震惊。正如历史学家莫德·格利森所说的那样，“盖伦的解剖学演示越来越不像一场智力辩论，而更像一场魔术表演”。[24]
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这项发现也得到了盖伦其他研究的支持，包括许多解剖学描述和外科手术（有些是在病人身上开展的）。盖伦据此认为，脑是思想的中心，可以产生一种特殊的气体或者说“精气”（pneuma）。在脑受伤时，精气就会泄漏，导致人丧失意识；当精气积累到足够多时，意识就会恢复。盖伦认为，神经明显是中空的，身体的活动是脑产生的气体沿着神经流动的结果。盖伦的解剖学研究大部分是在动物而不是人身上开展的。他的研究表明，所有的神经都发源于脑，而不是像亚里士多德所说的那样发源于心脏。
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尽管盖伦提出了这些证据，但亚里士多德这样的思想家的权威以及日常经验的力量仍然使脑中心观无法战胜旧的思想，即便在罗马也是如此。盖伦留下了大量的著作，包括大约400篇著述，其中超过170篇留存了下来，涵盖了医学和自然科学的各个领域。但罗马帝国的衰亡导致了学术环境的崩溃，这种崩溃使人们难于再有更多的发现。至于思想源自何处这个问题，单纯地思考是永远无法得到答案的。正如盖伦的研究展示的那样，这需要开展解剖学研究和实验研究，而这只能在学术开放的环境下进行，并要通过思想的交流去了解过去研究的成败得失。在此后的几个世纪里，这种环境都不会再出现。
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罗马和希腊的大部分文化遗产都保存在东罗马帝国的图书馆里，集中在拜占庭（现在的伊斯坦布尔）。从公元7世纪开始，随着伊斯兰教的兴起，出现了诸多伊斯兰教哈里发政权，一种文化也随之诞生，这种文化向西传播到了法国，向北传播到了保加利亚，向东传播到了土库曼斯坦和阿富汗。这个伊斯兰社会非常重视知识和技术。为了满足新兴统治阶级和统治集团的需求，人们建造了桥梁和运河，铸造了天宫图[25] ，还制作了纸和玻璃。想要做到所有这些，需要挖掘旧的智慧并发展新的认识。[26]
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首先，社会上出现了一股翻译希腊和罗马文献的热潮，这些文献在波斯和拜占庭的图书馆里可以找到。这一趋势以巴格达为中心，由哈里发和富有的商人赞助。这些文献中的思想很快就得到了扩展：思想家们发展出了全新的知识领域，如代数、天文学、光学和化学。但医学和解剖学仍然牢牢地锚定在希腊和罗马的观点之上，与被翻译的文献中的观点保持一致。从亚里士多德和希波克拉底时代就存在的有关心脏和脑的功能的观点尤其如此，这些观点几乎原封不动地又流传了几个世纪。
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伊本·西拿（Ibn-Sīnā）是这一时期具有领导地位的医生和哲学家之一，他在西方被称为阿维森纳（Avicenna）。阿维森纳于公元980年出生在今天的乌兹别克斯坦，后来在今天的伊朗境内生活，撰写了数百本书。他的研究融合了希腊和阿拉伯的思想以及遥远的印度的诊断和治疗方法。阿维森纳的著作在12世纪被译成拉丁文，对西方医学产生了500年的深远影响。他认同盖伦关于神经起源于脑或脊髓的观点，但和亚里士多德一样，他也坚持认为身体所有活动和感觉的发源器官是心脏。[27] 这一观点也与《古兰经》的观点相符：《古兰经》通常将心脏视为理解能力的源泉，并且和《圣经》一样，完全没有提到脑。
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在同一时期的另一条路线上，盖伦的思想通过一名医生的研究得以传播。这名公元10世纪的医生是阿里·伊本阿尔—阿巴斯·马古斯（Alī Ibn al-Abbās Maǧūsī），在西方被称为哈里·阿巴斯（Haly Abbas）。一位历史学家称他是“一个取了阿拉伯名字并且用写《古兰经》的语言进行创作的波斯人，一个受过希腊传统文明洗礼的拜火教教徒，一个在死后不到一个世纪就被西方拉丁社会所接受的伊斯兰世界思想家”。[28] 后来，一位原本是北非穆斯林难民的基督教修士在意大利将他的著作翻译成了拉丁文。这段往事正好体现了那个时期多地区文化碰撞融合的趋势。
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在哈里·阿巴斯翻译的盖伦的著作中，有一些内容是关于脑的结构和作用的：“脑是精神构成的主要器官，因为记忆、理性和智力都存在于脑中，力量、感觉和自主活动也都是从脑传向全身的。”[29]
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哈里·阿巴斯还提出了一个盖伦没有提出过的想法：他声称脑中的三个空腔或者说脑室中充满了动物精气[30] ，而动物精气产生于心脏中，并通过血液传遍全身。哈里·阿巴斯宣称，每个脑室都有不同的心理功能：“动物精气在前脑室产生感觉和想象，在中脑室形成智力或者理性，在传输到后脑室后则会催生运动和记忆。”
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格雷戈·莱施（Gregor Reisch）在1504年出版的《哲学的缩影》中绘制的三脑室定位分区理论的示意图。感觉和想象位于前脑室，认知位于中脑室，记忆位于后脑室
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虽然缺乏证据支持，但这个观点在整个欧洲和中东被广泛接受了1000多年。[31] 公元4世纪，叙利亚埃梅萨的主教内梅西乌斯的著作中首先出现了这个观点。几十年后，圣奥古斯丁[32] 也简短地提到了它。这使其获得了一种受到宗教认可的光环，帮助它维持了受欢迎的热度。[33] 在4世纪到16世纪的1200多年里，人们普遍认为脑室定位论是不证自明的，至少提出了24个不同的版本。[34] 在毫无保留地接受这一理论的人中，包括一些欧洲和阿拉伯世界最伟大的思想家，比如列奥纳多·达·芬奇、罗杰·培根、托马斯·阿奎那、阿威罗伊[35] 和阿维森纳。
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到13世纪初，阿维森纳著作的拉丁文译本，包括他将相互矛盾的思想和情感的心脏中心观与脑室定位论结合到一起的学说，在欧洲的新型大学中占据了主导地位。尽管哈里·阿巴斯版本的盖伦脑中心观已经在那不勒斯南部的萨勒诺的医学院传播开，但人们最终还是选择相信阿维森纳的观点，因为后者是基于亚里士多德哲学发展起来的。亚里士多德的观点之所以能够主导欧洲的思想，一部分原因是依靠天主教多明我会的修士托马斯·阿奎那的著作，他在西方学术领域的领袖地位持续了好几个世纪。通过把基督教教义以及与之相冲突的古代异教徒思想融合到一起，阿奎那试图调和亚里士多德的思想和基督教的矛盾。在这种情况下，解剖学等本应依赖于经验性研究的学术领域却被宗教信仰的迷雾所笼罩。神学家们可以决定传播什么知识，接受什么观念。
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对于阿维森纳和亚里士多德的心脏中心观与萨勒诺学派和盖伦的脑中心观之间的差异，以及试图调和这些差异的各种尝试，这些新面世的文献的读者都非常清楚。例如在13世纪，大阿尔伯特（Albertus Magnus）[36] 就毫不讳言地直接指出盖伦错了，事实正如亚里士多德所言，所有的神经确实起源于心脏。[37] 面对这些相互矛盾的说法，现代人的做法是直接通过观察结果来分辨，但中世纪学者的解决办法则是借助于经院哲学：思想家们试图通过细致的文本分析，而不是通过实验，来解决他们尊敬的前辈们的观点对立。
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但在14世纪初的博洛尼亚医学院，中世纪经院哲学对解剖学的束缚有所放松，那时蒙迪诺·德卢奇（Mondino de Luzzi）在该院担任医学和解剖学教授。蒙迪诺撰写了一部题为《蒙氏解剖学》（Anatomia Mundini ）的手稿，这部手稿是根据他解剖人体的经验写成的。自1500多年前亚历山大港的埃拉西斯特拉图斯和希罗菲卢斯时代以后，还是第一次有这样的著作问世。
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究竟14世纪早期的哪些道德变化和社会变迁使人们允许蒙迪诺开展解剖学研究，至今仍不得而知。他解剖的似乎是罪犯的尸体。《蒙氏解剖学》中的解剖指南的第一句话就直白地说：“因斩首或绞刑而获得的人类尸体置于仰卧位。”[38] 尸体解剖在蒙迪诺之前就有先例：在12世纪的萨勒诺，曾有学者解剖过动物尸体，而在几十年前的博洛尼亚，有学者对尸体进行过尸检，其目的显然是确定死因。因此，蒙迪诺将解剖纳入医生培训体系的做法，可能更像是一种时代进步的产物，而不是大胆的创新。[39]
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