1700676360
1700676361
1700676362
1700676363
1700676364
休伯尔和维泽尔的研究表明，脑中的视觉处理是按照某种层级结构组织起来的，在这种层级结构中，层级越高，结构的定位化程度就越高，对物体的识别精准度也越高。这引发了一场关于高层级的单个细胞编码的信息究竟能够详细到何种程度的争论，再次将人们的注意力集中到了两种相互对立的观点上：脑功能究竟是高度定位化的，还是分散式地分布在脑的不同区域的？1969年，为了凸显极端定位化理论存在的问题，杰瑞·莱特文以讽刺的口吻开了一个玩笑。莱特文声称他有个名叫阿卡柯西·阿卡柯西耶维奇的远房表弟（其实并不存在），是一位俄罗斯神经外科医生。为了治疗某位因为母亲过于专横而心理上饱受摧残的患者，他的这个表弟移除了患者脑中负责识别他母亲的细胞（据称有18000个这样的“母亲细胞”，负责识别各个朝向和身着各种装束的母亲）。这个玩笑最后的笑点是，好了，在成功地治疗了他的患者后，阿卡柯西耶维奇转向了他的下一个挑战——“祖母细胞”。[14]
1700676365
1700676366
在我还是个学生的时候，这个故事广为流传。当时的一种猜想认为，我们的脑识别的每一个物体，包括不同朝向、不同背景环境下的同一个物体，都要靠一个或一组特定细胞的活动来表征。而“祖母细胞”（grandmother cell）这个词，抛开其玩笑的外壳，被人们用来简便地描绘这种猜想在本质上有多愚蠢。根据这种猜想，你会得出荒谬的结论。比如，你的脑中应该有一个细胞负责识别你坐着的祖母，有一个细胞负责识别你倒立着的祖母，有一个细胞负责识别你在弹奏尤克里里的祖母。事实上，无限变化的各种可能组合都需要有对应的细胞来负责识别，唯有如此，你才能认出你的祖母。而且除了祖母，我们还需要识别其他东西，如果列一个清单，那么我们的脑中必须要有无限多个细胞存在，才能解释我们拥有的感知能力。这显然是错误的。
1700676367
1700676368
但真相往往比小说更魔幻。就在莱特文的玩笑出现两年前，波兰神经心理学家耶日·科诺斯基（Jerzy Konorski）将休伯尔和维泽尔关于脑中精准特征探测机制的发现融入了他们自己的逻辑结论中。科诺斯基在1967年出版的《脑的整合活动》（Integrative Activity of the Brain ）一书中指出，脑中存在他所谓的“真知神经元”（gnostic neuron），这些神经元能够识别非常精准的刺激，比如猫、山羊或者用不同风格书写的同一个单词。[15] 书中没有提到祖母，但也仅仅是科诺斯基没有提罢了。
1700676369
1700676370
不久后，普林斯顿大学的查尔斯·格罗斯（Charles Gross）和同事发现了非常类似“祖母细胞”的细胞：在猴子的脑中有那么一群细胞，它们虽然不对猴子的祖母做出反应，但会对猴子手的形状做出反应。与休伯尔和维泽尔一样，他们的发现也完全是偶然的。当时，他们试图记录的细胞对他们使用的所有视觉刺激都没有反应，这令其中一名研究人员非常沮丧，于是他在刺激屏幕前挥了挥手。被记录的细胞这时出现了强烈的放电反应。[16] 这一发现于1969年发表在《科学》杂志上，在论文的末尾，作者低调地写道：“一个细胞能对深色的矩形做出反应，但它对猴子手的轮廓的反应更为强烈，而且视觉刺激看上去越像一只手，这个细胞对它的反应就越强烈。”[17] 很多对“祖母细胞”猜想持批判态度的科学家都很难接受这样的现实，但实验结果非常明确。
1700676371
1700676372
20世纪70年代末，情况变得更加奇怪。牛津大学的研究人员发现猴子脑中的一些细胞只对某些朝向的面孔做出反应。剑桥大学的科学家很快在绵羊身上也印证了类似发现：绵羊脑中的某些细胞只会对同品种的其他绵羊的图片，羊角的大小，或者潜在的威胁刺激的照片（比如人或者狗）做出反应。[18] 剑桥大学的研究小组以冷幽默的语调指出：“绵羊对倒立的脸没有反应，这似乎是合理的，因为羊不像猴子，通常不会看到倒立着的羊。”[19]
1700676373
1700676374
许多人（年轻时的我也是如此）曾认为，“祖母细胞”这样一个看起来很荒谬的概念将会是对视觉感知定位化观点的致命一击。然而在接下来的几十年间，科学家发现了一些神经活动对视觉刺激的精准化要求越来越高的细胞，这让这些人普遍感到不安。2005年，由加州大学洛杉矶分校医学院的伊扎克·弗里德（Itzhak Fried）和加州理工学院的克里斯托弗·科赫（Christof Koch）领导的团队发表了一项对8名患者的研究。为了给手术治疗顽固性癫痫做准备，这些患者的脑部都植入了电极。在这项研究中，研究人员向这些患者展示视觉图像并记录海马中一个个细胞的反应。这些细胞有时会对非常具体和精准的影像做出反应，精准到了匪夷所思的程度：
1700676375
1700676376
在一个案例中，有一个细胞只对前总统比尔·克林顿的三个完全不同的图像做出反应。一个细胞（来自另一个患者）只对披头士乐队的图像做出反应，另一个细胞只对电视动画连续剧《辛普森一家》做出反应，还有一个细胞只对篮球运动员迈克尔·乔丹的图片做出反应。[20]
1700676377
1700676378
进一步的研究发现，一名患者的“左后海马区中有一个神经元只在看到女演员詹妮弗·安妮斯顿不同角度的照片时才会被激活”。如果给患者看的是安妮斯顿和她当时的伴侣布拉德·皮特的合照，这个细胞就不会做出反应。另一名患者的一个细胞能持续地对演员哈莉·贝瑞的照片做出反应，包括她扮演“猫女”（贝瑞当时新近饰演的电影形象）的剧照。更有趣的是，另一个细胞倾向于对悉尼歌剧院的图像和“悉尼歌剧”这几个字做出反应。似乎是为了证明我们的脑中并不只是些没用的东西，一名患者的一个细胞对毕达哥拉斯定理a2 +b2 =c2 做出了反应。这名患者是一位对数学感兴趣的工程师。[21]
1700676379
1700676380
这似乎表明，我们的脑中或许确实有负责精准识别的“祖母细胞”，只有当我们看到某个人或者某个东西时，这些细胞才会放电。但论文的作者态度很谨慎，他们指出，尽管这些细胞对安妮斯顿、贝瑞或者克林顿表现出持续的反应，但这并不意味着只有这些刺激才能激活这些细胞，因为研究人员只给患者展示了数量非常有限的图片。在随后发表的论文中，这个小组指出，他们检测到的这些细胞的任务可能是表征某个概念——因此悉尼歌剧院的图片和单词都可以激活细胞——并且可能在记忆中发挥着关键作用。[22]
1700676381
1700676382
最重要的一点是，研究人员认识到，仅仅因为某个细胞对一个图像做出反应，并不意味着它是参与识别这个图像的唯一细胞。能够得出的结论只是，这个细胞是相关网络的细胞中的一个。据这些科学家估计，每一种刺激都可能激活100万个神经元，其中许多神经元只是对图像的某些方面或者相应的概念做出反应。很多这些神经元还可能被另一种刺激激活，从而形成一个在神经元构成上略有不同的网络。[23] 这就解释了为什么研究人员会如此幸运，能够发现一个对詹妮弗·安妮斯顿有反应的细胞：因为这样的细胞不止一个，而是数以百万计。事实上，正如神经科学家拉斐尔·尤斯特（Rafael Yuste）指出的那样，当我们惊叹于科学家记录到的单个细胞的反应竟然如此精准时，我们真正应该关注的是这背后的神经环路的复杂性，以及当我们看到并识别一个图像时多细胞活动模式的变化。[24]
1700676383
1700676384
1992年，神经科学家大卫·米尔纳（David Milner）和梅尔文·古德尔（Melvyn Goodale）提出，哺乳动物的脑中有两个独立的视觉处理流（visual processing stream），具有不同的输出功能。这突出强调了视觉系统中更高级专属环路的存在。[25] 根据米尔纳和古德尔的理论，视觉信息在脑后部的视觉皮层经过初步处理后，会被分流到两条通路上。其中一条通路通往脑的顶部，这就是所谓的“方位通路”（‘where’ pathway）或者“背侧流”。科学界认为这条通路负责对被看到的物体的空间位置信息进行编码，投射到参与运动控制的区域。另一条途径被称为“腹侧流”，它深入到大脑皮层的底部，有时也被称为“辨识通路”（‘what’ pathway）。这条通路参与识别看到的物体，投射到与记忆和社会行为相关的脑区。两条通路之间是有联系的——在某种程度上，看着一只猫并且想要抚摸它，你就需要把这两者结合起来。
1700676385
1700676386
这两个流的区别——方位和辨识、背侧和腹侧、运动和身份——凸显了脑功能定位的复杂性。[26] 定位化的并不只是刺激的某些物理特性，还包括某些需要生物体做好准备以特定方式对其做出反应——比如触碰它或者记住它——的特性。[27] 与认为我们祖母所有角度的影像都储存在同一个区域相比，这种审视功能定位的方式显得不那么刻板。[28] 但随着神经连接数量的增加，以及人们发现相似的神经束可能参与不同的感觉，彻底的功能定位化的观点正在逐渐变弱。定位化分布的究竟是什么？对于这个问题，我们的理解正在变得越来越混乱——或者越来越丰富，如果你愿意这样说的话。
1700676387
1700676388
1700676389
1700676390
1700676391
正如休伯尔和维泽尔提出的那样，终极的定位化——比如“詹妮弗·安妮斯顿细胞”的存在——在一定程度上可以用单细胞的活动来描述。1972年，针对单个神经元的活动与感觉之间的关系，剑桥大学的生理学家霍拉斯·巴洛归纳出了他所谓的“五法则”。[29] 这些“法则”实际上是一些命题或者假设，可以使学界集中思考神经系统是如何工作的，并促进未来的实验研究。无论是使用的方法还是“法则”（dogma）这个术语，巴洛明显都借鉴自弗朗西斯·克里克——在1957年的一次演讲中，弗朗西斯·克里克提出了关于蛋白质合成的遗传基础的假说，帮助科学界建立起了分子生物学的框架，这个框架后来被证明取得了空前的成功。[30] 巴洛的论文产生了巨大的反响，认知科学家玛格丽特·博登（Margaret Boden）将其描述为“革命性的”。[31]
1700676392
1700676393
巴洛的出发点（也是他的第一条法则）是，对神经系统运作的完整描述不仅应该包括对细胞活动的描述，还应该包括对细胞作为网络节点的作用的描述。巴洛认为，这种网络的运作原理是，“随着感官通路的层级逐渐升高，携带有关某种物理刺激的信息的活跃神经元的数量会越来越少”。为了解释这一点，巴洛引用了威廉·詹姆斯在1890年提出的一个观点，后者认为脑中一定有一个“教皇细胞”（pontifical cell），这个细胞就像教皇一样，掌管着所有其他脑细胞。[32] 虽然并不存在这样的解剖结构，但“教皇细胞”这个词被沿用了下来，用于描述一种有关脑组织形式的高度层级化理论。巴洛认为，虽然“教皇细胞”不存在，但可能存在被他戏称为“红衣主教细胞”（cardinal cell）的细胞。和天主教会中的情况一样，这些“红衣主教细胞”在层级上比“教皇细胞”低而且数量众多，不过在任何特定的时间都只有少数“主教”在活动。[33]
1700676394
1700676395
巴洛强调，神经元响应环境特性的方式是在进化过程中被选择的，但其中既涉及遗传因素也涉及环境因素，并且神经元放电的频率可以被看作一种“主观确定性”的衡量指标：放电频率越高，引发神经元活动的事物在现实世界中真实存在的可能性就越高。至于在整个过程中发生了什么，巴洛认为，物体在神经元的活动中被表征为一种象征性的抽象信息。巴洛的这个想法是根据克雷克30年前的研究得出的，根据这种观点，刺激的特定元素被编码在了神经元的活动中，使脑只需要处理这些关键的抽象信息。
1700676396
1700676397
在拥有意识是怎样一种感觉这个问题上，巴洛坚持认为“没有别的东西在‘注视’或控制这种活动”。要理解神经系统是如何控制行为的，没有必要向我们的脑中引入某种观察神经环路输出的“小人”。在他的第四条法则中，巴洛指出，“活跃的高级神经元直接并且简单地产生了我们感知的要素”。[34] 网络中神经元的活动决定了生物体的行为和感知，人类也不例外。这就是我们脑中发生的一切，不管我们是果蝇还是人。但到2009年时，巴洛开始怀疑这种说法是否言过其实了。这并不是因为他觉得这种说法错了，而是因为尽管过去这些年间神经科学研究有了不少进展，但这种说法仍然没有得到证明。他后来说：“对于感知的个体性和主观性，我现在甚至很难想象出任何科学的解释。”[35] 无论想象脑的工作方式有多困难，事实都是不容置疑的：没有证据支持在我们的脑中——其他动物的脑也一样——存在任何非物质的东西。
1700676398
1700676399
总的来说，巴洛的法则在过去这些年比较受神经科学界的认可，特别是后来在被称为“稀疏编码”（sparse coding）的发现中，他关于“红衣主教细胞”的想法重新得到了印证：神经表征的层级越高，参与的细胞的数量越少，这些细胞的活动也越稀疏，但就系统的整体活动和刺激的表征而言，这些细胞活动也越重要。
1700676400
1700676401
巴洛的法则反映了一种新的脑还原论研究方法。这种方法的原则是先尝试解密十分简单的神经系统，然后以此为借鉴，阐明更复杂的神经系统的运作方式。对这种方法可行性最早的支持来自他自己的一项研究。1953年，巴洛在青蛙视网膜的环路中发现了探测苍蝇的结构，如果这些细胞被激活，青蛙就会做出捕捉行为。这表明在进化上意义重大的复杂行为可以从非常简单的神经网络中产生，完全不涉及脑。为了探究这一点，科学家们采用了一系列不同的方法，这些方法都使用了相同的还原论逻辑。在20世纪60年代早期，大约是埃里克·坎德尔研究海兔记忆印迹的同一时期，一些分子生物学黄金时代的巨匠开始转而研究神经系统的结构和功能。
1700676402
1700676403
这种方向转变中最重要的一部分源自一对好朋友——西德尼·布伦纳（Sydney Brenner）和西摩·本泽（Seymour Benzer），他们后来都创建了当前神经科学的重要分支领域。布伦纳专注于研究秀丽隐杆线虫（Caenorhabditis elegans ），并雄心勃勃地决定要搞清楚它所有900多个细胞的完整组织方式和发育过程，其中包括302个神经元。[36] 尽管这种线虫几乎没有任何称得上脑的东西，但它们可以沿着化学物质的浓度梯度移动，还能探测信息素（pheromone）[37] 并进行学习。利用电子显微镜和当时性能还很原始的计算机，布伦纳的研究小组以及全球的线虫研究团体的工作最终为深入理解动物的发育过程做出了重大的贡献，布伦纳也因为对这一领域的贡献于2000年获得了诺贝尔生理学或医学奖。[38]
1700676404
1700676405
西摩·本泽则是通过在黑腹果蝇（Drosophila melanogaster ）中产生行为突变体来研究行为中的遗传因素。尽管果蝇研究在20世纪初奠定了遗传学的基础，但随着以细菌和病毒为研究重点的分子遗传学的兴起，科学界对这种小昆虫的兴趣在二战后开始消退。本泽的方法在果蝇研究的复兴中发挥了关键的作用：在他的研究项目启动后的10年中，他和他年轻的研究团队就已经找到了参与昼夜节律调控和学习的基因（有关昼夜节律的研究最终获得了2017年的诺贝尔生理学或医学奖）。
1700676406
1700676407
从20世纪80年代开始，随着分子生物学技术的发展，研究和操控这些物种和其他物种的基因成为可能，这使我们研究脑的能力发生了转变。新的工具使神经元及其组织形式能够被可视化，这在过去是无法想象的。科学家们绘制出了脑和神经系统的新图谱，最近的研究使我们能够识别出以前未被注意到的神经元类型，分类的依据是神经元所表达的基因而不是其形态。新的模式生物在研究中被大量使用，比如被用作脊椎动物发育模型的微小的斑马鱼。操控神经元的新方法出现了，从删除某个特定基因的“基因敲除”（knock-out）小鼠，到在果蝇中构建出一个系统，可以随心所欲地在果蝇的几乎任何组织中表达来自任何生物的任意基因。最新的技术是光遗传学技术和CRISPR基因编辑技术，前者能真正地开启和关闭神经元，而后者原则上使操控几乎任何动物的任意已知基因成为可能。但一个根本问题仍然存在，那就是除了秀丽隐杆线虫这种最简单的生物外，我们仍然不了解脑具体是如何组装到一起的。
1700676408
1700676409