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马尔斯伯格假设，处理咖啡杯各种特征的分隔的神经元群体会在几分之一秒内同步振荡。时间一致是大脑将它们捆绑在一起的方法，时间一致性意味着它们都指向同一个对象。但马尔斯伯格对测试这个想法感到绝望。他料想，即使神经集群一齐发射，它们也会被大脑其他喋喋不休的电活动所淹没。“没有办法挑拣出它们，”马尔斯伯格曾说，“思维是无形的。”
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这种悲观主义的结论最终被证明是没有根据的。1989年，我们开始在动物实验中发现了少许同步现象。由查尔斯·格雷（Charles Gray）和沃尔夫·辛格（Wolf Singer）带领的神经学家团队给一只麻醉的猫看一个移动杆的图像，发现神经元对杆子的响应开始以30～60赫兹的频率有节奏地放电。齐射是短暂的，持续约1/3秒，但高度同步，沿途的神经元会遇到一系列一致的电子波峰和波谷。也许最令人惊讶的是，即便在解剖学上相隔很远、穿过了猫的视觉皮层的细胞，也会近乎完美地同步振荡。为了测试协调的发射是否意味着猫把杆子当作了统一的整体，格雷和辛格删掉了杆子的中间部分，将两端移动了位置，呈现出两个独立物体的形象。相同的脑细胞继续放电，但不再同步，正如马尔斯伯格所预测的那样。
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当时，这些研究结果引发了一场争论风暴。空气中弥漫着惯常的论据，新发现总是要面对猛烈的反对同步的呼声。最质疑的怀疑论者否认这种现象的存在，声称统计分析是错误的，或认为遥远的神经元之间短暂相互关系可能是偶然产生的。其他人则担心，缺乏任何已知的机制可以使相隔如此遥远的神经元像格雷和辛格报告中一样精确同步。很难理解细胞在千分之一秒内如何互相发射，它们相隔如此遥远，没有神经冲动可以在这段时间内完成这段旅行。然而，在接下来的几年里，所有反对意见都被澄清了，只剩下一种忧虑：同步可能是真实的，但没有意义，它是猫的大脑中电活动无用的副产品，并未揭示其最深处的工作机制，这只相当于台式电脑60赫兹的嗡嗡声而已。
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20世纪90年代，同步与认知有关的证据变得更具说服力。研究人员开展了各类动物实验，从蝗虫到猴子，他们发现，同步的神经活动始终与认知、记忆、知觉的原始形式相关（例如，区分两种气味的能力，检测一个形状方向的变化的能力）。但是，由于无法确切知道动物的知觉如何，怀疑论者仍然不服气。研究人员想要证明：同步是认知的本质，而不只是与认知相关而已。例如，在格雷和辛格的实验中，没有证据表明，在一个实验中猫感知到了一根单独的杆子，在另一个实验中猫感知到了两根。解决问题的唯一办法是对人类受试者进行实验。
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2001年，于尔根·费尔（Jurgen Fell）和他在德国波恩大学的同事进行的一项相关研究揭示了神经同步与短时记忆之间存在一种诱人的关系。他们要求志愿者记忆单词表，记忆完成时用另一项任务短暂地分散受试者的注意力，然后测试他们的回忆程度。同时，在实验的记忆阶段，科学家检测了受试者的海马体和顶叶皮层中神经元的发射模式，该脑区与参与记忆的脑区相邻。这项实验在技术意义上是非凡的，实验中，神经活动是被直接测量的，而不是从脑电波推断。这些受试者都是癫痫病患者，他们的大脑中被植入了电极，以准备即将进行的神经外科手术，这提供了一次不寻常的机会，使我们可以在记忆活动期间直接记录人脑细胞的状态。
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当然，每名受试者都会记住一些单词，也会遗忘一些，但令人着迷的是，他们的神经元在两种情况下表现不同，在第一眼看到单词时，如果是记住的单词，在看过的1/4秒后，他们大脑的海马体和顶叶皮层之间表现出一阵强烈的同步；但如果是遗忘的单词，则不存在这种同步。夸张地讲，这意味着通过观察某人尝试记忆单词时的脑电波模式，你就可以预测他是否会成功地记住这个单词，因为你可以看到大脑是否失误。
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目前我们还不清楚如何解释这种同步，它可能只不过是尚待发现的其他更重要的过程所形成的记忆回声——就像打雷是闪电的余震，而非成因。另一方面，也许同步对记忆过程本身是至关重要的，因为与之相关的化学和电学活动会以某种方式让海马体更容易准备好储存或放弃一个新条目。这种可能性在生物学领域是合理的；我们知道，神经元之间的连接在它们一齐发射时会加强，这个原理经常被总结为“同步发射的神经元会串连在一起”。通过触发关键脑区神经元之间的紧密连接，同步会为短时记忆提供帮助。而另一种可能性以及经常隐含在同步发生时的现象是，通过一齐发射，这些神经元从背景喧闹声中脱颖而出，正如在鸡尾酒会中，人们齐声歌唱才能使歌声盖过喧闹声。通过协调自身的电活动，同步神经元会放大自己的信息，使之相对于下游神经元更为突出。
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一项更有趣的实验阐明了感知之谜：我们如何将世界整合到我们的思维中，并毫不费力地将不同的感觉整合成连贯的整体。一些神经疾病患者无法做到这些，从而导致奇怪的病症，就像奥利佛·萨克斯（Oliver Sacks）的著作《错把妻子当作帽子的丈夫》的书名所描述的那样。这名丈夫能够认出妻子的眼睛、鼻子、嘴巴以及她面部的其他部位，但无法将各部分整合到一起，看到一张完整的脸。对他来说，认出一张脸是一项几乎不可能完成的任务，这需要意识全部的力量，而我们大多数人都是在不知不觉中做到这点的。问题是，当一张脸被识别为一张脸，而不是不相关部分的集合时，我们的大脑中发生了什么？
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1999年的一项研究中，由弗朗西斯克·瓦雷拉（Francisco Varela）带领的神经学家团队要求志愿者看“穆尼脸”（Mooney faces），他们有所发现。所谓穆尼脸是模糊不清的黑白图像，当垂直观看时，它们仿佛是人脸，但颠倒观看时，它们就变成了毫无意义的斑点（见图10-1）。
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图10-1 穆尼脸
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实验者在计算机屏幕上展示一张穆尼脸图片，要求受试者尽快按下两个按钮中的一个，按下哪个按钮取决于受试者是否从图片中识别出了人脸。同时，受试者的脑电波通过附在头皮上的由30个电极组成的阵列进行监控。
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在仔细观察图片约1/4秒后，受试者的脑电波展示出一阵“伽马振荡”，我们已知，伽马振荡是由与视觉过程相关皮质的不同区域的数以百万计的神经元有节律地发射所引发的，其频率约为40赫兹。无论图像是人脸还是斑点，两种情况下都出现了这种集体振荡。它们似乎标记出了感知的时刻，即当思维识别出所看到图像时产生的无意识的“啊哈”瞬间。但尽管两种条件下的发射速率相似，同步程度却完全不同。只有在观察到人脸时，放电才对准大脑遥远的部分。
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这里的区别与不和谐的声音与合唱之间的区别相同。当感知到斑点时，不同视觉中枢的神经元都以40赫兹的相同步调齐声歌唱，但它们毫无同步的希望，结果便是毫无意义的喧闹，这与大脑无法感知形状是一致的。另一方面，当感知到人脸时，神经元不仅以同一步调歌唱，而且时间也是完美的。这表明，不同的特征被整合到了一起，形成了一张完整的人脸形象。
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大脑中的后续事件同样迷人。在受试者自觉反应并按下一个按钮之前，同步的浪潮就消失了。神经元之间的电学一致性被它自己积极地拆散了，就像士兵们在过桥之前将齐步走改成便步走一样。瓦雷拉和他的同事推测，这种积极的去同步可能是大脑将记录删除干净的方法，以允许另一个神经元合唱团的形成，作为下一个想法或行动的基础。在这个实验中，受试者的下一项行动是产生一个动作反应，按下计算机的一个按键。的确，在展示完一张图像的3/4秒后，这个时间与典型受试者的反应时间密切对应，大脑显示了同步的第二次爆发，这次，同步出现在动作响应所涉及的区域。毫不奇怪，无论是否识别出了人脸，第二轮同步都会出现，因为无论任何情况，受试者都会把按钮按下。
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这些研究描绘了一幅关于人类生活令人不安的画面。当我们处理日常事务、把握自己的生活时，我们可能会比我们所了解的更为呆板，从一个神经状态铿铿地来到另一个，我们感觉饥饿、认出朋友的脸、记得在回家路上买牛奶，所有这一切都取决于哪些神经元碰巧在某个时刻同步。一些科学家推测，意识可能是同步状态通过我们大脑的主观体验。还有人则更进一步暗示同步可能是构成意识的基础。有一篇题为《丧尸之内》的文章，为加州理工学院神经科学家克里斯托弗·科赫（Christof Koch）和他的合作者弗朗西斯·克里克（Francis Crick，DNA双螺旋结构的共同发现者）合著，他们推测“意识包括神经元以毫秒级同步发射，而不相关的发射无须产生头脑中那种特殊的嗡嗡声就可以影响行为”。
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最奇怪的是，这特殊的嗡嗡声可以触发一种难以名状的奇怪感觉。如果你未曾亲身感觉到的话，那么你会觉得这很可笑，但如果你有过这种体验，你会准确地知道我指的是什么，这是一种不寒而栗的感觉。或许每隔1～2年就会在我身上出现一次，它的出现毫无征兆。例如，我可能正在镜子前刷牙，我看着自己，突然觉得：谁在那里？那是谁？
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我正在摸索一些词语，以表达思考自己的意识是多么奇怪。在镜子前的那些奇怪的时刻，我感觉到自己的意识是多么奇怪。它是一堆原子，看起来像我，但我知道这是很多水分子、蛋白质、脂类以及其他物质，通过某种特定方式的组合，这该死的东西意识到了自己，反过来盯着我看。如何用化学解释这些东西、解释我、解释我的自我认同感？换句话讲，意识的物质基础是什么？
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目前尚未有人知晓答案，但如果科赫和克里克被证明是正确的，它便会得到应得的奖赏。因为如果意识是某种神经同步的副产品，那么仅仅是思考同步（就像你阅读的这几百页书一样）就是同步本身的一项伟大壮举。
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同步：秩序如何从混沌中涌现 [:1701062296]
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同步：秩序如何从混沌中涌现 后记
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到目前为止，我希望我已经让你了解到现在成为一名科学家是件多么令人兴奋的事，我探索的仿佛一个新领域的黎明。数个世纪以来，我们对于自然的研究都在将它切分为越来越小的碎片，现在，我们是时候开始考虑如何把碎片重新拼在一起了。
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一些老前辈会笑着说，自己以前就听说过这种方法。每10年左右，就会有一个华而不实的理论出现，它背负着类似的愿望，而且经常伴随着一个不祥的名字。20世纪60年代是控制论，70年代是突变理论，80年代是混沌理论，到了90年代又变成了复杂性理论。在每个事例中，当时的怀疑论者都会抱怨，这些理论都有吹嘘过度之嫌，结论不是错误就是平淡无奇。听到这些话的科学家往往会一笑置之，走回实验室，继续更折磨人的还原论(29)实验，他们不顾自己的研究课题与相邻学科之间的联系，苦苦奋斗在宇宙中属于他们的一隅之中。
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而现在，即使是那些最老于世故的主流科学家都开始承认，还原论或许不足以解决我们面临的诸多终极奥秘：癌症、意识、生命的起源、生态系统的恢复力、艾滋病、全球变暖、细胞的功能、经济的盛衰……这些是这个时代的标志。在每一所主流研究型大学中，各种名称的学院如雨后春笋般出现，例如功能基因组学与整合生物学。生物学家与计算机科学家和数学家联手，尝试在分子水平上理解生命之舞。人类基因组测序给了我们一张巨大的零件列表，其中包括3万个独立基因和它们编码的蛋白质。但我们关于这些基因和蛋白质的连锁活动是如何在活细胞中进行编排设计的仍一无所知。