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脑存在于身体这个环境中，牢记这一点非常重要，这可以从脑与肠道微生物相互作用的方式看出来。使用肠道内没有微生物的“无菌小鼠”开展的研究发现，这些小鼠脑中的5—羟色胺水平发生了变化，焦虑行为的水平也降低了。微生物和行为之间似乎不太可能有因果联系，但当正常的肠道微生物被引入“无菌小鼠”体内时，这种因果联系就显现出来了——上述两种结果被逆转了，这说明肠道中的微生物可以影响脑中生物化学过程的基本方面。[38]
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许多科学家确实在采用一种综合的方法来理解脑。例如，在他们2018年出版的著作《情绪的神经科学》（The Neuroscience of Emotion ）中，拉尔夫·阿道夫斯（Ralph Adolphs）和大卫·安德森（David Anderson）重点探讨了精神活动中一个最棘手也最有影响力，但又极少被触及的领域——情绪。阿道夫斯和安德森在书中引用了涵盖动物世界的很多研究结果，研究对象包括章鱼、果蝇和哺乳动物。他们探索了动物——甚至是那些被视作简单生物体的生物——的生理和心理状态是如何相互作用的。不管他们的理论是否坚实，我们得到的启示是，要想完全理解情绪，就必须在与外部世界互动的整个生命体中开展研究。[39] 神经科学家艾伦·贾萨诺夫（Alan Jasanoff）也提出了同样的看法。在他的著作《生物心智》（The Biological Mind ）中，贾萨诺夫对他称为“大脑神秘性”（the cerebral mystique）的观点提出了批评。这种观点单纯地将人的心智活动还原为我们脑的活动，经常暗示我们的心智是漂浮在大规模神经元复合体中的幽灵。[40] 通过将脑置于其解剖、生理和进化背景下，我们可以更丰富地理解我们身体的各个部分是如何相互作用，进而产生我们的行为，并最终产生我们的心智的。这一点甚至扩展到了神经元功能领域。在他们的学术著作《神经设计原理》（Principles of Neural Design ）中，彼得·斯特林（Peter Sterling）和西蒙·劳林（Simon Laughlin）强调了理解脑的基本构造法则的重要性，这些法则根植于生理学和生物能量学（bioenergetics），即使在最简单的脑中也是如此。[41]
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在我们自身的精神体验中，我们能体会到身体的重要性，这也表明，那些认为人类心智并不位于头脑中而是位居身体其他部位的旧观念，也许并不像原来认为的那么大错特错。在一项研究中，芬兰的研究人员要求拥有不同文化和母语的受试者描述与情绪有关的身体感觉，以及不同感觉所在的物理位置。[42] 研究结果显得并不令人意外：躯干，更具体地说是心脏的位置，似乎与许多情绪有关，尤其是焦虑、骄傲、恐惧和愤怒；而所有的认知感受——思考、推理、记忆等等，则都集中在头部。我的猜测是，这种认为脑是思想中心的感受是现代知识（modern knowledge）的产物，而将某些情绪定位到我们身体的某个部位则是人体生物学的直接产物。
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对于理解脑的最佳前进道路，我个人的偏好是将资源投入到分散的、可执行的项目中，这些项目必须能提供可以被整合为一个更全面方法的深入见解。在我看来，克里克研究意识的方法适用于整个脑。理论物理学某些领域的经验表明，那些不植根于实验现实的雄心勃勃的想法或许足以让科学家兴奋不已并占据很多人的整个学术生涯，但并不一定能让我们的理解前进一步。通过发展分析技术和理论框架来理解一只果蝇在思考什么，我们将为理解更复杂的脑奠定基础。单单是努力去理解简单动物的脑，就足以让我们在本世纪余下的时间里忙个不停了。如果你觉得任何关于脑的研究都必须涉及脊椎动物才会真正有趣的话，那么斑马鱼微小的幼鱼只有10万个神经元的脑显然应该归入小型脑的范畴。
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对人脑的成像研究，以及未来对神经元活动和神经元相互连接的更精确的全脑测量，可能确实会提供一些见解，但概念上的进步来自更简单的系统的可能性似乎更大。这并不是说所有关于脑及其功能的研究都应该遵循还原论，而是说在不同的物种中，如果结构和功能上有相似甚至相同的地方，那么在更简单的系统上发展出分析技术和方法学层面的技术会更加容易。这就是规模庞大的“人类基因组计划”（Human Genome Project）所使用的方法。这个计划从获取和分析简单生物（细菌、线虫和果蝇）的基因组为起点，然后将这些经验应用到人类的基因组上。无论是在技术上还是在概念上，这都比理解任何动物的脑要简单得多。
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小型脑也使我们能够从两种历史的函数[43] 的角度来研究脑的结构。一个是动物的个体史——内部和外部的刺激影响了动物脑在胚胎和成年前的发育，并在此后继续改变它的活动，另一个则是物种的进化史。发育效应有助于解释个体间的差异，而物种间的比较研究则为一些根本性问题提供了见解。例如，果蝇有很多个物种，这些不同的种所处的生态位不同，并表现出了感觉系统结构和行为的差异。正如达尔文所预测的那样，这些差异将反映在脑的结构和功能上。对这些物种的比较，为我们提供了一个新的研究角度——探索个体史和进化史在理解脑功能方面的意义。[44] 这也将有助于我们解答一个棘手的问题——所有的脑是否都是同源的？换句话说，你、果蝇和章鱼的共同祖先是否有同一个脑？如果答案是肯定的，那么可以预期，所有动物都会有一些与脑功能相关的共同基因、结构和过程；如果答案是否定的，当我们对不同动物谱系的脑开展更细致的研究时，我们就有望发现它们之间的重要差异。
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对昆虫、线虫、斑马鱼幼鱼和其他生物的脑的关注，并不意味着我们不能研究复杂的行为。2007年，当第一批对大量相关物种开展的基因组研究的结果公布时（其中有11种果蝇），我的朋友、美国神经科学家莱斯莉·沃斯霍尔（Leslie Vosshall）在《自然》杂志上发表了一篇文章，标题很吸引眼球——《进入一只果蝇的心智》（Into the Mind of a Fly）。她预测，比较基因组学使我们站在了一个全新研究领域的门槛上：
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我们现在或许已经有能力研究果蝇更复杂的行为甚至情绪。在任何动物的遗传或功能层面上，这些行为的神经生物学基础都没有得到很好的阐释。这些行为包括：社会性、常识、利他主义、同理心、挫折、动机、仇恨、嫉妒、同侪压力等等。研究这些特性的唯一一个先天限制是，我们是否相信果蝇可以表达出这些情绪，以及我们能否设计出合理的行为范式来衡量它们。[45]
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虽然当时我对此持怀疑态度，但这些年间，她的大胆预测得到了证实。CRISPR基因编辑技术的出现让我们可以改变能在实验室里饲养的任何动物的基因，这为我们提供了一个强大的新工具，让我们能够研究所谓“非模式生物”（换句话说，就是小鼠、果蝇和秀丽隐杆线虫之外的生物）[46] 的脑。正如发育生物学家尼帕姆·帕特尔（Nipam Patel）最近所说的那样：“进化已经解决了我们感兴趣的所有问题，我们只需要找到那些生物，并想办法询问它们是如何做到这一点的就行了。”[47]
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目前我们已经知道，小型脑能产生与人类行为非常相似的行为，包括感知、学习、兴奋、犹豫不决、预测、预见、攻击性、个性和对疼痛的反应。[48] 它们甚至能帮助阐明人类存在的一个关键方面——本体感受和内感受（interoception）这一对感官。本体感受是我们对四肢所处位置的感觉（这使你能够在闭着眼睛的情况下用手指触摸到鼻子），而内感受则是我们存在于自己身体中的那种感觉。在人类中，内省活动告诉我们，我们的自我意识与这些感觉至少是部分地交织在一起的。果蝇知道自己有多大，它们会避免试图跨越它们那细小的腿无法跨越的空隙。这个知识是后天习得的，未经学习的果蝇往往会把腿伸得过长。很显然，它们以为自己的身体与蛆虫时期可伸展的身体是一样大的，但视觉反馈会使它们很快提高自己估计伸腿长短的能力。果蝇会将有关它们体形的记忆以长期记忆的形式储存起来，这些记忆被编码在一组已经被鉴定出的神经元的活动中，这些神经元位于它们脑的中心部位。[49] 如果我们能构想出恰当的实验来开展研究，那么这一现象背后的过程可能会为脑如何表征身体及其与外部世界的关系等更复杂的例子带来启发。
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肯尼斯·克雷克认为，人脑是“一台能够模拟或并行处理外部事件的计算机器”，这一观点同样适用于小型脑——它们使动物能够解释环境中的事件并预测结果，虽然预测可能会很粗略。如果我们能够理解这些达尔文所谓的“最神奇的物质原子”，[50] 也就是说能在一系列的环境下预测它们的行为（无论是在整体水平上，还是在其组成部分和相互作用的水平上），那么我们就将朝着理解人类自己的脑迈出巨大的一步。一些科学家认为，这种方法甚至可能破解意识的古老起源，但就目前而言，单单是控制秀丽隐杆线虫的运动也证明远比我们预期的要复杂。[51] 在我们理解人类的意识是如何运作的之前，我们是否能够理解动物那微弱意识的神经生物学基础，我们仍无法确定。[52]
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除了探索更复杂的、条件化的行为外，还有一种可能有效的方法：选择研究一种明显是完全由作用于内部感觉模板（sensory template）的外部因素所决定的行为（这种行为在个体之间显示出极少的差别或者完全没有差别），然后尝试理解控制这种行为的潜在神经网络。例如，在我特别喜欢的一篇1978年的科学论文中，论文作者安德鲁·史密斯（Andrew Smith）描述了一种澳大利亚独居的泥胡蜂建造它的巢穴入口的过程，入口从地面伸出，是一个弯曲的伞状“漏斗”。[53] 这种胡蜂是分阶段建造这个结构的。通过打碎这个结构的某些部分，或者在它周围垫高地面，史密斯揭示了导致胡蜂产生不同行为方式的关键感官刺激。
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例如，如果看到一个洞，这种胡蜂就会开始建造一个垂直的“漏斗”。当胡蜂外出收集泥土时，如果史密斯在接近完成的结构顶部打一个洞，这只倒霉的胡蜂就会开始建造一个新的垂直“漏斗”，从而形成一个两层结构。在这种胡蜂的脑中，并没有最终结构的整体形象，只有在特定的刺激下，它才能完成下一步的动作。产生这种一成不变的行为的行为通路可以用一个简单的流程图来描述。在胡蜂脑中的某个地方，有与这些通路相对应的神经元。找到这些神经元并搞清楚它们是如何相互作用进而产生这种行为的，这必然是可以实现的。
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安德鲁·史密斯绘制的图示，展示了泥胡蜂修筑巢穴的顺序
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虽然独居的胡蜂不是理想的实验动物，但CRISPR基因编辑技术的出现意味着从原理上看，应该可以从基因层面操纵这些生物，并了解它们的脑是如何工作的。目前，对于一种被广泛研究的寄生蜂——丽蝇蛹集金小蜂（Nasonia vitripennis ）的脑，我们已经有了详尽的解剖学描述，这为泥胡蜂等动物的比较研究奠定了基础。[54] 如果泥胡蜂太难养，那么还有一种替代方法——在更好养的昆虫的脑中探索导航行为是如何实现的，这正是爱丁堡大学的芭芭拉·韦布（Barbara Webb）和纽约大学的马克·格尔肖（Marc Gershow）目前正在探索的方法。[55] 无论研究什么动物，原理都是一样的：通过找到一个明显的严格受控行为的神经元基础，我们或许能深入了解更灵活和复杂的行为是如何出现的。
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至于哺乳动物脑的复杂性，我们对小鼠的研究，包括越来越复杂的连接组，以及我们操纵单个细胞的能力，这一切将创造一个最终能解释人脑功能运行的框架。随着我们理解的深入，功能的定位化将变得越来越模糊和不精确，研究者将主要从环路及其相互作用的角度来理解脑，而不是基于模块化的解剖区域的角度。一些在小型脑上发展和验证的模型将脑视作能对传入的感觉信息做出反应的活跃器官，可以探索和选择未来的可能性，而不是单纯地处理和传输信号。这类模型的应用将为我们提供一幅脑功能的动态视图。研究者越来越感兴趣的一个问题是，利用全脑数据来探索神经元作为群体的反应，并将这些复杂的反应与种类繁多的行为联系起来（即便是最简单的动物也有非常丰富的行为）。[56] 在小鼠的初级视觉皮层中，单个细胞活动的微小变化就可以对周围细胞的活动产生涟漪效应。[57] 群体活动会受到个体细胞的影响。
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并非所有人都认同这种强调在单细胞水平上理解脑活动的观点。许多哺乳动物脑的研究者都会同意约翰斯·霍普金斯大学的大卫·罗宾逊的观点，他在1992年指出：“试图从一个个细胞出发，以还原论为基础来解释任何真正的神经网络是如何工作的，这样的尝试是徒劳的，我们可能不得不接受尝试在更高层次的组织上理解脑。”[58] 虽然我们还无法理解龙虾的胃，对各种脑的群体水平研究也越来越多并且越发复杂，但群体活动始终是受组成成分影响的。因为这种复杂性，或者说虽然存在这种复杂性，意识之谜终将以我现在无法猜测到的方式得到解答。
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这些只是我认为应该发生的事情。关于我们对脑的理解在未来会如何发展，有许多可能出现的情形：
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各种计算类研究项目可能得到很好的结果，理论家会破解出所有脑功能的运行原理；或者是，连接组研究将揭示我们目前还不知道的脑功能的原理；或者是，一个理论将以某种方式从我们正在生成的大量成像数据中突然冒出来；或者是，我们将从一系列彼此独立但令人满意的解释中慢慢拼出一个（或多个）理论；或者是，通过对简单神经网络原理的研究，我们得以理解更高水平的组织方式；或者是，某种将生理学、生物化学和解剖学结合起来的全新方法将对脑中正在发生的事情提供决定性的启示；或者是，新的比较进化研究将阐明其他动物是如何具有意识的，并为理解人脑的功能提供深入的见解；或者是，为了解释简单的脑而开发出的模型被证明具有可扩展性，也能用于解释人脑；或者是，在人脑中发现的默认模式网络被证明同样适用于其他动物，并且在脑的整体功能中扮演着关键角色；或者是，超乎想象的新技术将为脑提供一个全新的隐喻，从而改变我们所有人的观点；或者是，我们的计算机系统将变得具有意识，给我们带来令人警醒的新见解；或者是，从控制论、控制理论、复杂性和动力系统理论、语义学和符号学中将涌现出一个新的框架；或者是，我们将接受根本就不存在一个全面的有关脑的理论这一点，因为脑没有整体的逻辑，因此我们只能解释脑的各个微小的部分，而我们必须满足于此；又或者是……
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[1] Snaprud, P. (2018), New Scientist, 23 June 2018.
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[2] Churchland, A. and Abbott, L. (2016), Nature Neuroscience 19: 348–9.对未来50年神经科学发展的总体预测见：Altimus, C., et al. (2020), Journal of Neuroscience 40: 101–6。
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[3] Sporns, O. (2015), in G. Marcus and J. Freeman (eds.), The Future of the Brain:Essays by the World’s Leading Neuroscientists (Oxford: Princeton University Press), pp. 90–99, p. 95.