人類大腦中存在著約860億個(gè)神經(jīng)元，這個(gè)數(shù)字有多令人震撼——即使是地球上80億人每人負(fù)責(zé)解讀10個(gè)神經(jīng)元，也無法窺見這座神秘殿堂的全貌。而真正令人著迷的，不止于這些神經(jīng)元本身，更是它們之間錯(cuò)綜復(fù)雜的連接方式。這些被稱為“腦連接組”（connectome）的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，可能是我們解開人類學(xué)習(xí)、記憶之謎的關(guān)鍵密碼。

然而，想要繪制人類大腦的完整神經(jīng)線路圖（wiring diagram），挑戰(zhàn)超乎想象。即便是在果蠅、線蟲這些微小生物上取得了突破，但人類大腦的復(fù)雜程度仍令科學(xué)家們望而生畏。哈佛神經(jīng)科學(xué)家杰夫·利希特曼（Jeff Lichtman）指出，僅僅存儲(chǔ)這張神經(jīng)連接圖譜所需的數(shù)據(jù)量，就將超過地球上現(xiàn)有的所有硬盤容量總和。作為腦連接組研究的先驅(qū)，利希特曼教授認(rèn)為大腦或許已經(jīng)是能夠執(zhí)行人類復(fù)雜需求的最精簡系統(tǒng)。

在探索人類認(rèn)知的漫長征途上，我們或許正站在珠穆朗瑪峰的山腳。面對(duì)這座人類智慧的高峰，一個(gè)根本性的問題始終縈繞心頭：是什么樣的神經(jīng)連接模式，讓我們擁有了思考、意識(shí)，并成為獨(dú)特的個(gè)體？通過利希特曼教授及其團(tuán)隊(duì)的開創(chuàng)性研究，我們正在一步步揭開這個(gè)謎題的面紗。

杰夫·利希特曼

Jeff W. Lichtman

哈佛大學(xué)杰里米·R·諾爾斯講席教授

哈佛大學(xué)分子與細(xì)胞生物學(xué)系的杰里米·R·諾爾斯講席教授，哈佛藝術(shù)與科學(xué)學(xué)院圣地亞哥·拉蒙·卡哈爾講席教授，美國科學(xué)院院士，世界著名的神經(jīng)生物學(xué)家。他以在連接組學(xué)領(lǐng)域的開創(chuàng)性工作而聞名，發(fā)明了“Brainbow”技術(shù)等創(chuàng)新方法，致力于繪制大腦神經(jīng)連接圖譜，揭示大腦發(fā)育、學(xué)習(xí)與記憶的神經(jīng)機(jī)制。

肖恩·卡羅爾

Sean Carroll

約翰·霍普金斯大學(xué)自然哲學(xué)教授

約翰斯?霍普金斯大學(xué)霍姆伍德自然哲學(xué)教授，圣塔菲研究所分形學(xué)院成員，美國著名理論物理學(xué)家、作家和科學(xué)傳播者。他從事物理學(xué)和哲學(xué)研究，并對(duì)世界最底層的運(yùn)行機(jī)制感興趣。目前的研究興趣包括量子力學(xué)、時(shí)空、統(tǒng)計(jì)力學(xué)、復(fù)雜性和宇宙學(xué)等領(lǐng)域的基礎(chǔ)問題。著有《尋找希格斯粒子》、《大圖景：論生命的起源、意義和宇宙本身》等。同時(shí)，也是播客“心智圖景”（Mindscape）主理人。

目錄：

01 人類智能的基礎(chǔ)：神經(jīng)元原理

02 從林肯到“祖母神經(jīng)元” ：大腦如何組織記憶與認(rèn)知

03 從高爾基染色法到腦彩虹技術(shù)：細(xì)胞染色的前世今生

04 研究困境以及局限：人類倫理以及海量數(shù)據(jù)

05 大腦的不可壓縮性與意識(shí)的語言陷阱

06 大腦連接圖的應(yīng)用和潛力

人類智能的基礎(chǔ)：神經(jīng)元原理

肖恩·卡羅爾：我們知道神經(jīng)元是大腦的重要組成部分。但除了神經(jīng)元之外是否有其他種類的腦細(xì)胞？

杰夫·利希特曼：神經(jīng)元和膠質(zhì)細(xì)胞（glial cells）共同組成了大腦，但其中真正傳遞信息的是神經(jīng)元。傳入信息可能來自耳朵、眼睛、舌頭、鼻子、皮膚、肌肉等處的感受器。接收到刺激后，感覺神經(jīng)元（sensory neuron）會(huì)將信息轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并傳遞至其他神經(jīng)元。在這個(gè)過程中，神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)會(huì)對(duì)信號(hào)進(jìn)行高度復(fù)雜的處理。

神經(jīng)系統(tǒng)的最終目的是對(duì)感知作出反應(yīng)。當(dāng)一只小老鼠看到老鷹迅速逼近，它會(huì)快速移動(dòng)四肢朝著遠(yuǎn)離老鷹的方向逃跑。這個(gè)過程依賴于復(fù)雜的神經(jīng)連接通路，從眼睛和耳朵中的感覺神經(jīng)元接收外界信息，一直到控制足部和前肢肌肉的運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元，促使老鼠迅速奔跑逃生。

實(shí)際上，人類也遵循同樣的行為模式：感知輸入，運(yùn)動(dòng)輸出。當(dāng)然，人類的行為不僅僅停留在這種簡單的反射層面。我們能夠存儲(chǔ)過去的經(jīng)驗(yàn)，即使在沒有任何外部刺激的漆黑的房間里，我們依然能夠思考、回憶，并做出決定。當(dāng)你躺在床上，你也許會(huì)想：“我最好現(xiàn)在起來上個(gè)廁所，以免在半夜憋醒。”你還可能突然想起自己忘了做某件事，比如：“我得去洗內(nèi)衣，這樣明天才有干凈的穿。”這一切并不是由外部刺激引發(fā)的，而僅僅是過去經(jīng)歷中的某個(gè)念頭浮現(xiàn)出來。

肖恩·卡羅爾：能否再深入的講述一下神經(jīng)元的基本機(jī)制？

杰夫·利希特曼：我們可以把神經(jīng)元類比為整個(gè)大腦的縮影。大腦接收來自感官的信息后會(huì)思考出策略并執(zhí)行。例如，老師問小學(xué)生“5+8等于多少？”，孩子經(jīng)過思考后得出答案并決定舉手回答，便會(huì)向三角肌發(fā)送信號(hào)，抬起手臂，同時(shí)協(xié)調(diào)肱二頭肌和肱三頭肌的運(yùn)動(dòng)。

同樣，每個(gè)神經(jīng)元也以微觀方式進(jìn)行類似的處理。若神經(jīng)元接受的信號(hào)足夠強(qiáng)（可能是足夠多的信號(hào)同時(shí)傳遞，或某些信號(hào)特別強(qiáng)烈），它便會(huì)向下游神經(jīng)元進(jìn)行傳遞。信號(hào)通過兩個(gè)神經(jīng)元之間的突觸（synapse）進(jìn)入下游神經(jīng)元的樹突（dendrites）。樹突結(jié)構(gòu)具有像樹杈一樣復(fù)雜的分支，通常見到的神經(jīng)元圖像中分支眾多的就是樹突。還有一種不同尋常的“電線”，它不太有分支，且可能延伸至大腦皮層其他區(qū)域或者深入脊髓（有的長約一米），這種長長的結(jié)構(gòu)便是軸突（axon），它負(fù)責(zé)向其他細(xì)胞發(fā)送信息。總而言之，樹突像天線，負(fù)責(zé)接收信號(hào)；信息經(jīng)過細(xì)胞體處理后，就由像發(fā)射器一樣的軸突，將信號(hào)傳遞給其他神經(jīng)元。

?圖源：Greg Dunn Neuro Art

肖恩·卡羅爾：你剛才的比喻很有意思，把神經(jīng)元擬人化了——它接收輸入，然后決定是否要輸出。那么，我們對(duì)于神經(jīng)元的反應(yīng)機(jī)制了解多少？給它一定的輸入就會(huì)激活軸突嗎？

杰夫·利希特曼：神經(jīng)元有一個(gè)閾值（firing threshold），也就是說，只有當(dāng)輸入信號(hào)達(dá)到一定強(qiáng)度時(shí)，它才會(huì)“注意”到。這和人的感知很相似——在嘈雜的環(huán)境中，只有非常響亮的聲音才會(huì)引起注意。但在周圍一片寂靜時(shí)，即使是微小的聲音也能引起你的警覺。神經(jīng)元的工作方式也是如此，它們在背景噪聲水平之上尋找有意義的信號(hào)。如果發(fā)現(xiàn)信號(hào)具有足夠的重要性（salience），神經(jīng)元會(huì)放大這個(gè)信號(hào)，并告訴它的“同事”：“這個(gè)信息值得關(guān)注！”

這和社交媒體的信息傳播方式很像。如果你在社交平臺(tái)海量的視頻中找到一條特別吸引你的內(nèi)容，就會(huì)轉(zhuǎn)發(fā)給好友。實(shí)際上，你的大腦運(yùn)作方式也是這樣。從微觀上看，神經(jīng)元會(huì)判斷哪些信息重要，并把信息傳遞出去，最終調(diào)動(dòng)你的手指把信息轉(zhuǎn)發(fā)給你的朋友。因此，大腦內(nèi)部互聯(lián)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，與現(xiàn)實(shí)世界里人們互聯(lián)的信息網(wǎng)絡(luò)驚人地相似。

肖恩·卡羅爾：所有神經(jīng)元的放電機(jī)制是一樣的嗎？比如，它們在接收到輸入信號(hào)后，遵循相同的“算法”來決定是否放電？還是說不同神經(jīng)元有不同的“程序”？而且這些“程序”會(huì)隨著時(shí)間發(fā)生變化嗎？

杰夫·利希特曼：神經(jīng)元確實(shí)有不同的“程序”。有些神經(jīng)元在被激活時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)動(dòng)作電位（action potential），也就是沿著軸突傳播的電信號(hào)，用來與其他細(xì)胞交流。而有些神經(jīng)元受到刺激后會(huì)連續(xù)釋放一串動(dòng)作電位（burst firing），它們通過動(dòng)作電位的頻率來編碼信號(hào)的強(qiáng)度。也就是說，輸入信號(hào)的強(qiáng)度（振幅）會(huì)在輸出時(shí)被轉(zhuǎn)換為頻率*。

*譯者注：這是比較簡化的說法，信號(hào)振幅決定神經(jīng)元是否繼續(xù)傳遞信號(hào)，但不完全與輸出頻率掛鉤。頻率會(huì)受到很多因素影響，不止是信號(hào)強(qiáng)度。

這有點(diǎn)像收音機(jī)的調(diào)幅（AM, amplitude modulation）和調(diào)頻（FM, frequency modulation）。神經(jīng)元的輸入像調(diào)幅，即信號(hào)強(qiáng)度決定了初始輸入的振幅，而神經(jīng)元的輸出更像調(diào)頻，即通過動(dòng)作電位的頻率來表達(dá)信息的強(qiáng)弱。不同神經(jīng)元的調(diào)制方式各不相同，這種差異主要來源于細(xì)胞膜上的離子通道類型。這些通道決定了哪些帶電離子可以通過，以及這些離子的流動(dòng)方式，從而影響神經(jīng)元的電位變化。有些神經(jīng)元的反應(yīng)是線性的，而有些是高度非線性的，因此整個(gè)系統(tǒng)的行為相當(dāng)復(fù)雜。

所以，“所有神經(jīng)元的工作方式相同”這個(gè)說法是錯(cuò)誤的。即便是給一個(gè)單獨(dú)的神經(jīng)元建模也極其復(fù)雜。最簡單的方法是用實(shí)驗(yàn)手段對(duì)神經(jīng)元進(jìn)行“階躍去極化”刺激（step function depolarization）*，然后記錄神經(jīng)元的放電情況。

*譯者注：神經(jīng)元和細(xì)胞液中充滿各種不同類型的離子，實(shí)驗(yàn)中經(jīng)常通過控制神經(jīng)元的電壓來觀測此電壓下的電流。

僅是基于細(xì)胞膜上的離子通道特性來建模，這就已非常復(fù)雜。而我們腦中有860億個(gè)這樣的神經(jīng)元，它們時(shí)刻都在相互交流——每個(gè)神經(jīng)元要接收來自大約1萬個(gè)不同神經(jīng)元的輸入，同時(shí)又向另外1萬個(gè)不同的神經(jīng)元發(fā)送信號(hào)。這正是為什么我說，我們或許可以描述大腦的運(yùn)作方式，但真正理解它則是另一回事。

?圖源：Greg Dunn Neuro Art

肖恩·卡羅爾：既然人腦中有這么多的神經(jīng)元，我們之所以更智能，是否是因?yàn)閾碛懈蟮哪X子和更多的神經(jīng)元？

杰夫·利希特曼：首先，相較于我們在動(dòng)物世界中瘦小的體型來說，我們的大腦占身體比重更大。這種現(xiàn)象當(dāng)然是我們聰明的部分原因。但我們的腦子絕不是最大的，比如大象和鯨魚就擁有更大的腦子，但它們并不比我們更聰明。它們龐大的大腦部分用于控制更大的肌肉和處理來自龐大身體的感官信息。

而且大腦的大小并非唯一關(guān)鍵。人類大腦不僅相對(duì)較大，還擁有大量聯(lián)絡(luò)皮層（association cortex）。如果一個(gè)人因腫瘤切除了部分聯(lián)絡(luò)皮層，他仍然有基本認(rèn)知能力，盡管可能會(huì)丟失一些記憶，但不會(huì)立即顯現(xiàn)出明顯缺陷。我們擁有比任何其他動(dòng)物更多的聯(lián)絡(luò)皮層，這可能是智能的重要來源。

至于神經(jīng)元數(shù)量，大象和鯨魚擁有更多更大的神經(jīng)元。但神經(jīng)元數(shù)量并非衡量智能的唯一標(biāo)準(zhǔn)——某些極其聰明的鳥類，如烏鴉，甚至比人類擁有更多的神經(jīng)元，但它們的大腦更小，神經(jīng)元高度緊湊。因此，大腦更大、神經(jīng)元更多或更大，并不必然意味著更高的智慧，它們只是人類具有高智能的一部分必要條件，但并不充分。

?不同物種腦-身體質(zhì)量關(guān)系。圖片來源：Concavenator （CC BY-NC-SA 3.0）

從林肯到“祖母神經(jīng)元”：

大腦如何組織記憶與認(rèn)知

肖恩·卡羅爾：神經(jīng)元的功能是設(shè)計(jì)好的，還是每個(gè)神經(jīng)元的“程序”可以隨時(shí)間變化？

杰夫·利希特曼：神經(jīng)元是很靈活的，因此我們可以學(xué)習(xí)新的知識(shí)。比如一個(gè)剛?cè)雽W(xué)的孩子可能還不知道回答問題要先舉手，因?yàn)檫@種行為不是神經(jīng)系統(tǒng)的基因決定的。他們只有在了解規(guī)則后（經(jīng)過老師反復(fù)強(qiáng)調(diào)“不要喊叫，要舉手”），才形成了舉手的行為模式。在眾多動(dòng)物當(dāng)中，哺乳動(dòng)物尤其是人類的神經(jīng)連接，非常依賴外界的塑造。

這也是神經(jīng)科學(xué)中的一個(gè)很有意思的問題：環(huán)境是如何改變神經(jīng)連接的？科學(xué)家推測神經(jīng)元的學(xué)習(xí)過程涉及突觸可塑性。盡管我們還不能完全描繪出信息如何從聲音傳遞到大腦皮層并最終形成記憶，但現(xiàn)代人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的研究，已經(jīng)從視覺系統(tǒng)的研究中受到了啟發(fā)。

肖恩·卡羅爾：我原本認(rèn)為學(xué)習(xí)行為和對(duì)刺激的反應(yīng)主要取決于神經(jīng)元之間的連接，而不是單個(gè)神經(jīng)元內(nèi)部的“編程”。這么理解對(duì)嗎？

杰夫·利希特曼：兩者都有作用。目前我們主要研究的是神經(jīng)元連接模式，但神經(jīng)元的敏感性也會(huì)改變，經(jīng)驗(yàn)上突觸本身會(huì)變得敏感或鈍化。即便是神經(jīng)元連接方式整體沒有變化，連接的強(qiáng)度也可以調(diào)整。因此，只要有價(jià)值，一切都會(huì)被用于進(jìn)化。“好用就行”，大腦結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性并不需要考慮人類的理解力。

肖恩·卡羅爾：對(duì)，我們不指望著“人為調(diào)試”大腦程序——它的唯一目標(biāo)就是運(yùn)作。接下來讓我們深入探討這些連接。你剛才提到，我們有大約860億個(gè)神經(jīng)元，每個(gè)神經(jīng)元都連接著數(shù)千個(gè)其他神經(jīng)元。那么，這個(gè)龐大的神經(jīng)連接網(wǎng)絡(luò)就是所謂的連接組（connectome），對(duì)吧？

杰夫·利希特曼：是的，這就是我們所說的連接組。

肖恩·卡羅爾：破解出大腦的神經(jīng)連接圖，能夠幫助我們理解感知產(chǎn)生、認(rèn)知過程以及其它心理活動(dòng)嗎？

杰夫·利希特曼：你提到的這些過程都需要神經(jīng)接線圖來解釋，神經(jīng)連接圖能幫助我們理解大腦是如何處理信息的，為什么有些問題需要較長時(shí)間才能得出答案，而另一些卻能即刻反應(yīng)。盡管是同一個(gè)神經(jīng)系統(tǒng)，但面對(duì)不同的問題，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的特定區(qū)域可能需要付出更多努力。

我們?nèi)匀粺o法說明白“思考”意味著什么——在你得出答案之前，大腦到底在做什么？而且你會(huì)發(fā)現(xiàn)，無論是人還是動(dòng)物，在回答問題時(shí)會(huì)出現(xiàn)停頓。這種停頓的背后到底在發(fā)生什么？信息去了哪里？為什么停頓是必要的？

也許大腦正在嘗試不同的答案，評(píng)估哪一個(gè)最合理，或者在許多被弱激活的路徑中尋找最優(yōu)解。這讓我常常陷入思考。我常會(huì)給學(xué)生舉一個(gè)例子：

“想象一個(gè)男人。”

“想象一個(gè)戴帽子的男人。”

“想象一個(gè)戴著高帽的男人。”

“想象一個(gè)戴著高帽，留著胡子的男人。”

“再想象這個(gè)男人本身身材很高大。”

如果你是一個(gè)了解歷代總統(tǒng)歷史的美國人，“林肯”這個(gè)名字，很可能會(huì)在我提問的某個(gè)瞬間浮現(xiàn)在你的腦海里。這是怎么發(fā)生的？當(dāng)我讓你想象一個(gè)男人時(shí)，你可能激活了林肯這個(gè)形象，但它只是眾多可能的選擇之一。當(dāng)我增加描述細(xì)節(jié)（帽子、高帽、胡子、高個(gè)子），你的大腦不斷縮小候選范圍，直到“林肯”這個(gè)概念的神經(jīng)回路達(dá)到激活閾值，它就會(huì)突然出現(xiàn)在你的腦海里。

?Abraham Lincoln（亞伯拉罕·林肯）是美國歷史上偉大的總統(tǒng)之一，他領(lǐng)導(dǎo)美國北方取得南北戰(zhàn)爭的勝利，廢除了奴隸制，維護(hù)了國家統(tǒng)一，為美國的民主發(fā)展和進(jìn)步作出了不可磨滅的貢獻(xiàn)。照片：alamy

肖恩·卡羅爾：這就是讓我著迷的地方！你剛才用了“林肯回路”這個(gè)說法，而不是“林肯神經(jīng)元”。換句話說，專門負(fù)責(zé)“林肯”的不是單個(gè)神經(jīng)元，而是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)。過去我們聽說過“詹妮弗·安妮斯頓神經(jīng)元”（Jeniffer Aniston neuron）的故事，你能解釋一下嗎？

*譯者注：詹妮弗·安妮斯頓神經(jīng)元，Jeniffer Aniston neuron，還有一種說法是祖母神經(jīng)元，一種在你看到祖母時(shí)被激活的神經(jīng)元。

杰夫·利希特曼：這個(gè)案例很有趣。患者在進(jìn)行癲癇手術(shù)時(shí)通常需要保持清醒，以便神經(jīng)外科醫(yī)生判斷他們切除的腦區(qū)是否影響到重要功能。在這個(gè)過程中，科學(xué)家會(huì)刺激或記錄患者大腦的神經(jīng)活動(dòng)。在某次實(shí)驗(yàn)中，研究人員向患者展示一系列圖片并對(duì)負(fù)責(zé)面部識(shí)別的大腦區(qū)域的神經(jīng)活動(dòng)進(jìn)行記錄。

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，其中一個(gè)神經(jīng)元在看到詹妮弗·安妮斯頓的照片時(shí)會(huì)激活，但對(duì)哈莉·貝瑞（Halle Berry）的照片沒有反應(yīng)，對(duì)安妮斯頓和布拉德·皮特（Brad Pitt）的合影也不活躍（只在她單獨(dú)出現(xiàn)時(shí)才會(huì)觸發(fā)）。而另一位患者的大腦中，有一個(gè)神經(jīng)元對(duì)比爾·克林頓（Bill Clinton）的照片和簽名都有反應(yīng)，但對(duì)其他內(nèi)容不敏感。這說明大腦中可能存在專門識(shí)別某個(gè)特定人物的神經(jīng)元。

不過，這并不意味著存在一個(gè)單獨(dú)的“詹妮弗·安妮斯頓神經(jīng)元”，它只是整個(gè)回路的一部分。當(dāng)這個(gè)回路被激活，我們的聽覺系統(tǒng)和語言系統(tǒng)也會(huì)參與，使我們能夠在腦海里聽到“詹妮弗·安妮斯頓”這個(gè)名字，并說出來。

肖恩·卡羅爾：所以，可能有很多神經(jīng)元都在做類似的事情，我們只是記錄到了其中一個(gè)，并不是某個(gè)單一神經(jīng)元專門負(fù)責(zé)“詹妮弗·安妮斯頓”。

杰夫·利希特曼：沒錯(cuò)。而且，這個(gè)神經(jīng)元可能還會(huì)參與其他任務(wù)，只是研究人員當(dāng)時(shí)沒有測試更多的情況。他們只有幾分鐘的時(shí)間來展示幻燈片，所以它可能還有其他功能，我們沒有發(fā)現(xiàn)。

從高爾基染色法到腦彩虹技術(shù)：

細(xì)胞染色的前世今生

肖恩·卡羅爾：“連接組”這個(gè)概念，或者至少這個(gè)術(shù)語，是比較新的概念/術(shù)語吧？

杰夫·利希特曼：沒錯(cuò)。想要完整地描繪出神經(jīng)元連接圖譜一直面臨著巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)，直到最近才逐漸解決。不過，研究神經(jīng)連接模式的靈感，最早可以追溯到神經(jīng)科學(xué)的起源——西班牙科學(xué)家拉蒙·伊·卡哈爾（Ramón y Cajal）的工作。他使用了一種意大利科學(xué)家卡米洛·高爾基（Camillo Golgi）發(fā)明的特殊染色法，這種染色法能隨機(jī)給少量（約1%）的神經(jīng)細(xì)胞染色。

?2022年西班牙政府發(fā)布紀(jì)念幣. 圖源：tienda.fnmt.es

乍一看，這種染色方法似乎有點(diǎn)“失敗”，因?yàn)樗粯?biāo)記了少數(shù)神經(jīng)元。然而，正是這種隨機(jī)性，使卡哈爾能夠清楚地觀察單個(gè)神經(jīng)元的完整結(jié)構(gòu)，包括它的樹突、軸突，以及它們的連接模式。通過這種方法，他發(fā)現(xiàn)大腦中的信息傳遞具有方向性——輸入信號(hào)通過樹突進(jìn)入，輸出信號(hào)由軸突傳遞。這些發(fā)現(xiàn)奠定了現(xiàn)代神經(jīng)科學(xué)的基礎(chǔ)，并讓卡哈爾在1906年與高爾基共同獲得了諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。

在很長一段時(shí)間里，我們只能用這種稀疏標(biāo)記的方法來推測神經(jīng)元的連接模式。傳統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，因而更像是簡筆畫，但當(dāng)你通過新技術(shù)去繪制完整的大腦連接圖時(shí)，你會(huì)發(fā)現(xiàn)它比簡筆畫復(fù)雜無數(shù)倍。

肖恩·卡羅爾：我想更深入地探討一下實(shí)驗(yàn)方法及其中細(xì)節(jié)，目前用來觀察神經(jīng)元及其連接的最重要的技術(shù)是什么？

杰夫·利希特曼：如果使用高爾基染色法去標(biāo)記多種細(xì)胞，你會(huì)看到一團(tuán)亂糟糟的棕色圖像。大約十五年前，我們通過給每個(gè)細(xì)胞染上不同顏色來解決這個(gè)問題，我們稱這種方法為Brainbow（腦彩虹）。即使細(xì)胞密集的粘在一起，它也能夠追蹤到每個(gè)細(xì)胞的路徑。這項(xiàng)技術(shù)對(duì)于我研究的外周神經(jīng)系統(tǒng)非常有幫助。

?大腦皮層神經(jīng)元被標(biāo)記上不同顏色的“腦彩虹”圖片。來源：哈佛大學(xué)利希特曼實(shí)驗(yàn)室（Lichtman Lab）

但在大腦中，神經(jīng)纖維密度極高，基于熒光的腦彩虹技術(shù)分辨率不夠，無法清晰地觀察神經(jīng)纖維。因此我們轉(zhuǎn)向了另一種方法——連續(xù)切片電子顯微鏡（serial-section electron microscopy，SBEM）。這項(xiàng)技術(shù)用于神經(jīng)成像已久，但最近才開始用于繪制神經(jīng)線路圖。

連續(xù)切片的意思是，我們將一塊大腦組織切成極薄的切片，每片的厚度可能只有一根人類頭發(fā)的千分之一，大約30納米，甚至在新技術(shù)下可以達(dá)到10納米。我們最終希望能處理小鼠的整個(gè)大腦，但目前還未實(shí)現(xiàn)。

先將這塊大腦組織包埋在一種高密度樹脂中，然后用已經(jīng)衰變的重金屬（如鋨、鉛，甚至鈾）滲透處理。這些重金屬具有大而密集的原子核，其中富含了質(zhì)子，因此電子經(jīng)過時(shí)會(huì)被原子核吸引并改變軌跡。電子顯微鏡正是利用這一原理，利用重金屬染色的樣本進(jìn)行成像。其中，鋨特別容易結(jié)合在細(xì)胞膜上，因此當(dāng)電子靠近細(xì)胞邊界時(shí)，它們的軌跡會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，使得我們能看到來自細(xì)胞膜的信號(hào)。通過電子顯微鏡，我們可以清晰地觀察到細(xì)胞核膜、線粒體膜、突觸囊泡膜，以及整個(gè)細(xì)胞的膜結(jié)構(gòu)。它們的影像非常美麗，電子顯微鏡的成像非常驚艷。

?小鼠視網(wǎng)膜中950個(gè)神經(jīng)元的SBEM重建圖像. 灰色部分為高分辨率的電子顯微鏡圖像，清晰地呈現(xiàn)了神經(jīng)元的形態(tài)和結(jié)構(gòu)。神經(jīng)元的細(xì)胞體以球體形式標(biāo)注，其中紅色球體代表神經(jīng)節(jié)細(xì)胞（ganglion cells），綠色球體代表無長突細(xì)胞（amacrine cells）圖源：Fabian Isensee, Julia Kuhl，Helmstaedter 等人，德國海德堡馬普醫(yī)學(xué)研究所

通過這種方法，我們能夠觀察這些僅30納米厚的切片中的所有細(xì)節(jié)。如果把大腦切片比作一碗切開的意大利面，那么細(xì)胞體就是其中的肉丸，而神經(jīng)纖維猶如意大利面。由于每個(gè)切片只有30納米厚，我們只能看到許多被切開的面條片段，無法直接追蹤它們的路徑。相鄰的切片中，“肉丸”（細(xì)胞體）可能稍微變大了一點(diǎn)，而“面條”（神經(jīng)纖維）可能會(huì)出現(xiàn)在同一位置（如它垂直穿過切片），或者稍微偏移一些位置（如果它是斜向延伸的）。

我們對(duì)同一塊組織進(jìn)行成千上萬次這樣的切片，然后追蹤其中的結(jié)構(gòu)。我們可以手動(dòng)為每個(gè)切片上相同的結(jié)構(gòu)上色，然后重建出三維模型。為此，我們訓(xùn)練了一個(gè)分類器（classifier），讓機(jī)器學(xué)習(xí)接管人類的工作。

肖恩·卡羅爾：30納米的切片遠(yuǎn)小于一個(gè)單元的大小，甚至小于突觸囊泡的大小。一個(gè)細(xì)胞直徑約30微米，而30納米僅僅是它的千分之一。

杰夫·利希特曼：為此，我們使用的是金剛石刀。金剛石刀是唯一能做這項(xiàng)技術(shù)的工具，它比鋨，鉛和樹脂都要堅(jiān)硬。不過，即使是這種刀也會(huì)變鈍，每切3000片左右就需要更換刀片。因此，這是個(gè)耗時(shí)且昂貴的過程，我們需要不斷重復(fù)切片、成像，才能得到所需要的數(shù)據(jù)。

一個(gè)足夠大的切片就能產(chǎn)生高達(dá)半個(gè)TB的數(shù)據(jù)，如果是全腦，每張切片就會(huì)有1TB的數(shù)據(jù)。這樣的切片工作必須不斷重復(fù)這個(gè)過程，可想而知這些數(shù)據(jù)累積得有多快，最終數(shù)據(jù)規(guī)模會(huì)達(dá)到PT（千萬億字節(jié)）甚至ET（百億億字節(jié)）級(jí)別。

一開始，全靠研究生們夜以繼日地輪班工作，非常痛苦。現(xiàn)在已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，但設(shè)備經(jīng)常出故障，所以仍然需要人工干預(yù)。不過，我們現(xiàn)在有了一臺(tái)由蔡司（Zeiss）生產(chǎn)的高速電子顯微鏡，它配備了多個(gè)光束，可同時(shí)掃描樣本的不同區(qū)域，從而大大節(jié)省了時(shí)間。但這種顯微鏡非常昂貴，造價(jià)高達(dá)500萬美元，全球大約只有10到15臺(tái)。我們現(xiàn)在聯(lián)合多個(gè)實(shí)驗(yàn)室組成團(tuán)隊(duì)，計(jì)劃在五年內(nèi)開發(fā)出能夠掃描整個(gè)小鼠大腦的工具。

我們預(yù)計(jì)大腦全圖的存儲(chǔ)需求將達(dá)到一百億億字節(jié)。這種海量數(shù)據(jù)讓人望而生畏，但我對(duì)此并不太擔(dān)心。回顧人類基因組計(jì)劃，當(dāng)時(shí)也有很多人質(zhì)疑其價(jià)值，然而基因組學(xué)的發(fā)展遠(yuǎn)超當(dāng)初的預(yù)期。同樣，一旦我們擁有完整的神經(jīng)線路圖，研究者們就能提出更精確的問題并基于真實(shí)數(shù)據(jù)來構(gòu)建理論，而不是憑空猜測。現(xiàn)在，大多數(shù)科學(xué)研究都采用演繹法，即先提出假設(shè)再進(jìn)行驗(yàn)證。但如果反其道而行之，你會(huì)站在更穩(wěn)固的基礎(chǔ)上，因?yàn)槟闼^察到的現(xiàn)象確實(shí)存在，這樣你的理論就能更好地符合觀察結(jié)果。這就像天文學(xué)一樣，盡管有各種理論，但沒有什么能替代望遠(yuǎn)鏡的作用。

肖恩·卡羅爾：不過神經(jīng)連線圖只是故事的一部分，單個(gè)神經(jīng)元本身就相當(dāng)復(fù)雜。那么，現(xiàn)在是否有對(duì)單個(gè)神經(jīng)元的其他研究呢？

杰夫·利希特曼：比“連接組學(xué)”（connectomics）更早的單個(gè)神經(jīng)元的研究，例如許多實(shí)驗(yàn)室從事離子通道的作用及其對(duì)神經(jīng)元興奮性的影響的研究。通過使用膜片鉗技術(shù)（patch clamp）、尖端電極（sharp electrodes）以及細(xì)胞外電極（extracellular electrodes）來記錄神經(jīng)細(xì)胞的放電模式。這方面的研究成果已經(jīng)多到超出任何一個(gè)人的認(rèn)知能力——我們那小小的，相當(dāng)于澤字節(jié)（zettabyte，1ZT=1000ET）大小的大腦根本無法全部容納。

?膜片鉗裝置. 圖源：neuroservice.com

研究困境以及局限：

人類倫理以及海量數(shù)據(jù)

肖恩·卡羅爾：說到人類，我們確實(shí)有一個(gè)關(guān)于大腦的研究計(jì)劃。如果我沒記錯(cuò)的話，我的印象是，這個(gè)計(jì)劃的目標(biāo)之一是有朝一日繪制出人類大腦的連線圖。這個(gè)計(jì)劃進(jìn)行的如何了？

杰夫·利希特曼：是的。不過當(dāng)前我們的研究重點(diǎn)仍然是小鼠。要想獲取一份足夠新鮮的人腦樣本會(huì)涉及許多復(fù)雜的倫理問題。我不知道該怎么做才能既不違法，也不讓某個(gè)人受傷。這在小鼠身上就容易得多，犧牲一只小鼠換來的數(shù)據(jù)可能會(huì)對(duì)很多研究有所幫助。而且，我們可以在小鼠死前做好實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備，以確保不會(huì)出現(xiàn)由于死亡后降解造成的偽影（artifacts）。但在人類研究中你只能使用已經(jīng)腦死亡的樣本，而到那個(gè)時(shí)候，大腦的整個(gè)連線圖可能已經(jīng)受到了影響。

肖恩·卡羅爾：一旦我們死了，大腦就會(huì)開始腐敗。

杰夫·利希特曼：我想是的。有些科學(xué)家認(rèn)為，如果大腦死亡時(shí)間不長，仍然可以從尸檢樣本中獲取非常有價(jià)值的數(shù)據(jù)。但“時(shí)間不長”到底意味著多久呢？我們知道成年人在缺氧七分鐘后大腦基本上就不再運(yùn)作了。而大多數(shù)尸檢大腦樣本通常是在死亡后20小時(shí)甚至40小時(shí)才第一次做固定處理。想象一下，你坐在病人床邊等他們?nèi)ナ溃缓笤谒麄儎倲鄽獾哪且豢塘⒖虒⑺麄兊拇竽X浸泡在多聚甲醛和甲醛溶液中——這種畫面實(shí)在是有點(diǎn)可怕。我不敢想象……但我剛才已經(jīng)想了。

肖恩·卡羅爾：尤其是因?yàn)槲覀冴P(guān)注的并不僅僅是單個(gè)細(xì)胞，而是它們之間的連接。這些連接可能會(huì)非常迅速地降解。

杰夫·利希特曼：沒錯(cuò)。神經(jīng)元的一些精細(xì)結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生腫脹，整體外觀也會(huì)改變，這樣你就無法確定自己觀察到的是否還是正常的大腦結(jié)構(gòu)。還有數(shù)據(jù)量的問題。我們談的是澤字節(jié)級(jí)別的數(shù)據(jù)，相當(dāng)于全球一年內(nèi)產(chǎn)生的所有數(shù)字內(nèi)容。即使我們有能力獲取這么多數(shù)據(jù)，目前也根本沒人知道該如何處理它。

肖恩·卡羅爾：也許我們有一天能夠完整的繪制所有神經(jīng)連接。

杰夫·利希特曼：我希望如此。一些科學(xué)家花了10年的時(shí)間用電子顯微鏡手動(dòng)繪制出了秀麗隱桿線蟲（Caenorhabditis elegans）的300個(gè)神經(jīng)元如何彼此連接。近些年，人們也在果蠅（Drosophila）身上研究這一問題。我們幾個(gè)月前還發(fā)布了對(duì)人腦樣本研究的論文。我們研究了立方毫米級(jí)的人類大腦樣本，規(guī)模比之前的兩個(gè)數(shù)據(jù)集都要大。然而，一個(gè)立方毫米只是人類大腦的百萬分之一，幾乎微不足道。這就已經(jīng)產(chǎn)生了1.4 PB （相當(dāng)于1400TB）的海量數(shù)據(jù)。我們目前也在積極研究斑馬魚（zebrafish）的連接組。斑馬魚的神經(jīng)元數(shù)量與果蠅相當(dāng)，但大腦體積更大，這讓研究更具挑戰(zhàn)性。技術(shù)的進(jìn)步讓我們能夠逐步繪制更加復(fù)雜的腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

肖恩·卡羅爾：我猜不同人的神經(jīng)連接一定有差異性。那么從線蟲神經(jīng)連接圖譜上來看，是否所有線蟲的連接組都是完全相同的？

杰夫·利希特曼：這是一個(gè)有趣的問題。我們曾在《自然》發(fā)表過一篇論文，研究了12只基因完全相同的線蟲并比較了它們的神經(jīng)連接。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，即使這些線蟲的基因完全一致，并且?guī)缀鯖]有學(xué)習(xí)能力，也有大約40%的神經(jīng)連接是個(gè)體特有的，顯然這很大程度上是由基因決定的接線圖。

?成年秀麗隱桿線蟲（C. elegans）的神經(jīng)系統(tǒng)、神經(jīng)解剖學(xué)以及神經(jīng)連接性. Cook, S.J., Jarrell, T.A., Brittin, C.A. et al. Whole-animal connectomes of both Caenorhabditis elegans sexes. Nature 571, 63–71 (2019). https://doi.org/10.1038/s41586-019-1352-7

我們發(fā)現(xiàn)了許多看似沒有特定目的的有趣變異性。這些變異性很大的連接，通常是一個(gè)神經(jīng)細(xì)胞僅與另一個(gè)神經(jīng)細(xì)胞形成單一突觸的超弱連接。所以這可能是某種背景噪音，或者它確實(shí)有其作用——只是某個(gè)特定神經(jīng)細(xì)胞是否與另一個(gè)神經(jīng)細(xì)胞形成弱連接并不重要，因?yàn)檫@僅僅是背景活動(dòng)的一部分，可能用于保持細(xì)胞的活躍性，但對(duì)行為并沒有實(shí)質(zhì)性的影響。這與我們最初的預(yù)期不同，但事實(shí)就是如此.....就像DNA有非編碼部分，連接組也有……

功能上最重要的連接往往來自通過多個(gè)突觸相連的神經(jīng)細(xì)胞，這些連接在每一個(gè)個(gè)體中都存在。我們在哺乳動(dòng)物身上也進(jìn)行了類似研究，觀察了肌肉的神經(jīng)連接，具體是觀察小鼠頭部后方一塊鏡像對(duì)稱的特定肌肉。同樣地，每個(gè)神經(jīng)連接圖譜都不盡相同。但從規(guī)律性的角度來說，就軸突連接的肌纖維數(shù)量而言，它們都具有相同的尺寸范圍。不過，每個(gè)軸突在肌肉中的具體連接位置在不同個(gè)體間是有差異的。因此，無論是在線蟲還是哺乳動(dòng)物中，這個(gè)系統(tǒng)都呈現(xiàn)出一種自組織的工作方式。但仍有一部分是由偶然性決定的，或者說是由那些對(duì)生存并非至關(guān)重要的因素決定的——如果這些因素真的很重要，它們就會(huì)受到嚴(yán)格限制——正是這些因素導(dǎo)致了可變性的產(chǎn)生。

肖恩·卡羅爾：那么，假設(shè)我們已經(jīng)繪制了果蠅的完整連接組，這是否意味著我們真正理解了果蠅的行為？我們能不能用計(jì)算機(jī)模擬果蠅的大腦，并準(zhǔn)確預(yù)測它的行為？

杰夫·利希特曼：理想情況下，我們希望能夠創(chuàng)建一個(gè)果蠅的“數(shù)字孿生”（digital twin）模型。通過給數(shù)字果蠅輸入虛擬感官產(chǎn)生真實(shí)的運(yùn)動(dòng)反應(yīng)。但現(xiàn)實(shí)情況要復(fù)雜得多。突觸的強(qiáng)度、神經(jīng)元的非線性響應(yīng)，以及不同輸入信號(hào)的時(shí)間同步等因素，都會(huì)影響大腦的功能。

連接組只告訴我們“信息可能傳遞到哪里”，但它不能直接告訴我們“信息實(shí)際如何傳遞”。換句話說，它像是一個(gè)電路圖，并不能完全解釋大腦的運(yùn)行機(jī)制。

大腦的不可壓縮性與意識(shí)的語言陷阱

肖恩·卡羅爾：神經(jīng)連接圖能幫助我們預(yù)測神經(jīng)元的活動(dòng)嗎？

杰夫·利希特曼：我認(rèn)為我們最終希望能夠觀察到某種感覺輸入的物理實(shí)現(xiàn)方式及其作用。然而，這項(xiàng)研究可能不會(huì)直接從人腦中的“詹妮弗·安妮斯頓神經(jīng)元”開始，我認(rèn)為這很可能會(huì)先從線蟲、魚類和果蠅開始，然后我們希望能進(jìn)展到小鼠。

神經(jīng)連接圖的復(fù)雜性超乎想象。你可能會(huì)希望找到一個(gè)簡單的回路來解釋特定的行為，就像卡哈爾的神經(jīng)示意圖看上去那樣清晰。但現(xiàn)實(shí)是，同一組神經(jīng)元往往參與數(shù)百萬個(gè)不同的回路，它們相互交錯(cuò)，使得整個(gè)系統(tǒng)幾乎無法用單一的邏輯來解構(gòu)。

肖恩·卡羅爾：這讓我想到信息壓縮。我們的大腦一定程度上會(huì)對(duì)信息進(jìn)行簡化，比如，我們會(huì)用“這個(gè)人脾氣暴躁”或“那個(gè)人溫和友善”這樣的歸納來快速預(yù)測他人的行為。但相比于大腦內(nèi)部的860億個(gè)神經(jīng)元，這些概括仍然是極端的簡化。

杰夫·利希特曼：是的，這正是人類認(rèn)知的方式——不斷壓縮信息，以求在紛繁復(fù)雜的世界中找到秩序。但或許，某些事物本身就是不可簡化的，比如大腦。如果有更簡單的方法來組織信息，演化早就會(huì)讓它變得更簡單，而不是維持如此驚人的復(fù)雜性。

肖恩·卡羅爾：這給在計(jì)算機(jī)中模擬人腦的想法潑了一盆冷水，對(duì)吧？

杰夫·利希特曼：是的，即使在計(jì)算機(jī)中模擬只有300個(gè)神經(jīng)細(xì)胞的蠕蟲也是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。正如我所說，我們目前能做到的可能只是完整地描述大腦的結(jié)構(gòu)，但這與能夠預(yù)測其行為或完全理解它是兩回事。沒有人能夠掌握如此龐大的信息量。就像你問“你了解紐約嗎？”這聽起來是個(gè)愚蠢的問題，因?yàn)榧~約有太多事情在同時(shí)發(fā)生，復(fù)雜度極高。而大腦的復(fù)雜性遠(yuǎn)超紐約市，如果連紐約都無法徹底了解，那理解大腦就更不可能了。

肖恩·卡羅爾：接下來讓我們深入討論這個(gè)問題：什么是可以理解的，什么是不能理解的。在研究神經(jīng)連接圖的過程中是否有希望發(fā)現(xiàn)某些組織原則？這些連接并非是隨機(jī)的吧？

杰夫·利希特曼：我個(gè)人認(rèn)為，神經(jīng)連接中可能存在某些固定的連接模式，這些模式最終會(huì)有所幫助。但類似于基因組的研究——我們擁有許多基因，每個(gè)基因都是獨(dú)特的，因?yàn)樗鼈兪菫榱颂囟üδ芏M(jìn)化出來的。在大腦中，我們的記憶同樣是獨(dú)一無二的，源于個(gè)體獨(dú)特的經(jīng)歷。我不確定是否有一種方法可以將這些信息進(jìn)行壓縮。也許最終我們能理解經(jīng)驗(yàn)如何塑造兼容它的神經(jīng)連接圖，并用這些信息建立更廣泛的理論模型，但目前我們距離真正深入理解這一點(diǎn)還非常遙遠(yuǎn)。

這是一個(gè)真正棘手的問題，我也經(jīng)常思考類似的難題。盡管人類已經(jīng)思考了這些問題很長時(shí)間，但我們甚至還沒有邁出第一步。一個(gè)關(guān)鍵問題是，如何將一次經(jīng)歷轉(zhuǎn)化為類似反射的東西？反射是通過遺傳機(jī)制建立的神經(jīng)連接而形成的，比如某些動(dòng)物天生就會(huì)筑巢，或者能辨認(rèn)出同類的叫聲。這種經(jīng)驗(yàn)如何塑造神經(jīng)連接的過程仍然是一個(gè)未解之謎。

我不理解這是如何實(shí)現(xiàn)的，但至少我們可以想象從基因到神經(jīng)系統(tǒng)的各種通路。但是，如何將一個(gè)經(jīng)歷轉(zhuǎn)化為一個(gè)穩(wěn)定的、習(xí)得的專屬連接圖呢？它包含了只有你經(jīng)歷過的事實(shí)或記憶，這確實(shí)是一個(gè)非常難解的問題。

?圖源：Ernst Mach

肖恩·卡羅爾：這已經(jīng)觸及了哲學(xué)家所謂的“意識(shí)的難題”（Hard Problem of Consciousness）。

杰夫·利希特曼：毫無疑問，意識(shí)確實(shí)難解。我常常覺得，人們所說的“意識(shí)”到底指的是什么，其實(shí)并不那么清晰。作為一個(gè)更傾向于科學(xué)而非哲學(xué)的人，我想拋出一個(gè)問題：如果一個(gè)生命體能感知環(huán)境，并對(duì)外界刺激做出反應(yīng)，那么，它算是有意識(shí)的嗎？那如果這算是有意識(shí)的話，那每個(gè)細(xì)胞都是有意識(shí)的。

如果我們承認(rèn)單個(gè)細(xì)胞的感知能力是一種“意識(shí)”，那么當(dāng)我們談?wù)摗耙庾R(shí)”時(shí)，究竟在談?wù)撌裁矗坑行┤苏J(rèn)為，意識(shí)是一種“語言化的自我描述”——如果是這樣，那當(dāng)然只有人類才具備意識(shí)，因?yàn)橹挥腥祟悡碛袕?fù)雜的語言。但當(dāng)我看著我的狗渴望地盯著門，它無聲地傳遞著自己想要出門的愿望，我?guī)缀跄芨惺艿剿摹白晕矣X知”。同樣，如果你用光加熱載玻片上的變形蟲，它們會(huì)避開溫度升高的區(qū)域——它知道自己在做什么，它是有意識(shí)的嗎？所以，我并不確定“意識(shí)”到底意味著什么，也不太明白為什么哲學(xué)家會(huì)認(rèn)為這是一個(gè)“重大而深刻的難題”。

在我看來，每個(gè)生命體或許都擁有某種程度的意識(shí)。當(dāng)然，哲學(xué)家可能會(huì)反駁：“你不理解什么是意識(shí)。” 但當(dāng)我們從人類的思維拓展到更廣闊的生物世界時(shí)，意識(shí)的邊界就變得模糊起來。

肖恩·卡羅爾：確實(shí)，這里存在一個(gè)漸進(jìn)的過程。哲學(xué)界中“意識(shí)的難題”這個(gè)說法其實(shí)帶有一點(diǎn)戲謔的意味，它是與“意識(shí)的簡單問題”相對(duì)提出的。所謂“簡單問題”，指的是感官輸入如何導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)反應(yīng)、如何生成行為模式，而“困難問題”則是我們?nèi)绾潍@得主觀體驗(yàn)？比如，為什么“看到紅色”或“品嘗辣味”會(huì)產(chǎn)生某種特定的感受？諷刺的是，被稱為“簡單問題”的部分，已經(jīng)足夠讓神經(jīng)科學(xué)家絞盡腦汁，而“困難問題”則幾乎是一座不可逾越的大山。

杰夫·利希特曼：我認(rèn)為問題之一是語言陷阱。人類習(xí)慣于用語言建構(gòu)世界，但有時(shí)候，我們討論的難題并非源于現(xiàn)實(shí)，而是源于語言自身的局限。大腦在語言出現(xiàn)之前就已經(jīng)存在了，它們并不在乎語言。所以我對(duì)很多基于語言的論證并不感冒，因?yàn)樵谀承┣闆r下，這些論證是自相矛盾的，會(huì)產(chǎn)生悖論。

舉個(gè)例子，關(guān)于光子的本質(zhì)，人們曾經(jīng)爭論不休：它究竟是粒子，還是波？這似乎是個(gè)根本性的矛盾，仿佛光子本身也在掙扎著決定自己的身份。然而，真相或許是——光子根本不在乎。它既不是粒子，也不是波，而是某種超越人類二元分類的存在。問題的癥結(jié)并不在于光子本身，而在于我們的語言和思維框架。

大腦連接圖的應(yīng)用和潛力

肖恩·卡羅爾：你對(duì)這個(gè)研究領(lǐng)域在未來10年、50年后的發(fā)展有什么看法？有哪些重要的突破是我們應(yīng)該關(guān)注的？

杰夫·利希特曼：研究大腦連接圖很有可能幫助我們深入理解患有各種精神或發(fā)育障礙的個(gè)體。對(duì)于這樣的疾病，我們既缺乏有效的治療手段，也缺乏對(duì)病因的深刻認(rèn)知。比如，精神分裂癥和自閉癥譜系障礙，這些都不是致命或引起大腦退行，但患者的大腦認(rèn)知方式與普通人存在顯著差異。這讓人不禁懷疑，是否某種“錯(cuò)誤的連接”導(dǎo)致了這些認(rèn)知方式的不同。但到底是哪種錯(cuò)誤？現(xiàn)在我們還一無所知。

那我們?nèi)绾尾拍苷业酱鸢福窟@就需要研究大腦的連接組學(xué)。或許，通過研究動(dòng)物模型中的類似疾病，我們能夠獲得有價(jià)值的信息。此外，像之前在癲癇患者手術(shù)過程中獲取人腦樣本的研究方式，也許可以為我們提供有關(guān)異常大腦結(jié)構(gòu)的新見解。要找到治愈的方法，第一步就是要搞清楚問題的本質(zhì)。而在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，判斷“問題所在”并不是僅僅觀察外部癥狀，而是要深入了解疾病背后的生化機(jī)制或細(xì)胞異常。病理學(xué)正是研究疾病組織異常的學(xué)科，而對(duì)于大多數(shù)認(rèn)知障礙相關(guān)的腦疾病，我們尚未建立起類似的病理研究體系。如果能夠通過連接組學(xué)研究大腦的異常結(jié)構(gòu)，這可能會(huì)徹底改變我們對(duì)這些疾病的理解。我認(rèn)為，這將是一種革命性的思考方式。

編譯后記

腦連接組研究無疑是揭示大腦奧秘的重要里程碑，它為我們理解思維，認(rèn)知，甚至是意識(shí)提供了前所未有的細(xì)節(jié)。正如人類基因組揭示了生命的密碼，連接組正在描繪心智的藍(lán)圖。然而，一張地圖雖能指引方向，卻并非旅程本身；連接組的結(jié)構(gòu)雖復(fù)雜精妙，卻未必能完整還原思維的流動(dòng)與深度。

盡管連接組學(xué)帶來了劃時(shí)代的突破，我們?nèi)孕杈杵渚窒扌浴Ｊ紫龋?dāng)前的研究往往聚焦于靜態(tài)結(jié)構(gòu)，而忽略了大腦的動(dòng)態(tài)變化與個(gè)體差異。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)并非一成不變的電路，而是在經(jīng)驗(yàn)，環(huán)境與學(xué)習(xí)中塑造和重構(gòu)的。其次，將心智歸結(jié)為神經(jīng)連接模式，可能導(dǎo)致還原論的陷阱，使我們誤以為只要解構(gòu)了連接組，就能徹底理解意識(shí)與思維，而忽略了認(rèn)知、情感乃至社會(huì)文化等更高層次的影響。

從哲學(xué)的角度來看，連接組研究試圖以科學(xué)的方式揭示“自我”與“意識(shí)”的本質(zhì)，但這是否意味著我們真的能用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)圖譜解釋主觀體驗(yàn)？連接組或許能回答“我們?nèi)绾嗡伎肌保芊窕卮稹盀楹嗡伎肌边@一更深層的問題？這提醒我們，在追求科學(xué)解析的同時(shí)，也應(yīng)保持哲學(xué)的反思——連接組并非終點(diǎn)，而是通往更深層次理解的橋梁。

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原對(duì)話指路：

https://www.preposterousuniverse.com/podcast/2024/12/09/298-jeff-lichtman-on-the-wiring-diagram-of-the-brain/

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Chen Institute建成了支持腦科學(xué)和人工智能領(lǐng)域研究的生態(tài)系統(tǒng)，項(xiàng)目遍布?xì)W美、亞洲和大洋洲，包括、、、科研型臨床醫(yī)生獎(jiǎng)勵(lì)計(jì)劃、、中文媒體追問等。