《灵魂的科学探索》

第09章 几类实验

作者:弗兰西斯·克里克

“研究是一门艺术,即如何设计一些方案去解决那些难题的艺术。”

——彼得·梅达沃爵士(sir peter medwar)

严格他说,每个人所能确信的只是他自己是有意识的。比如说,我知道我是有意识的。在我看来你的行为举止与我很相似,特别是你使我相信你是有意识的,故而我很有把握地推断你也是有意识的。倘若我对自己的意识的本质感兴趣的话,我就不必仅仅把研究局限在自己身上,而完全可以在别人身上做实验,只要他们不是处于昏迷状态。

要揭示意识的神经机制仅仅靠对清醒的受试者进行的心理学实验是不够的。我们还必须研究人脑中的神经细胞、分子以及它们之间的相互作用。我们可以从死者的脑中获得关于脑结构的大部分信息。但要研究神经细胞的复杂行为,则必须在活体上做实验。实验本身并不存在什么难以克服的技术问题。更多的是由于伦理道德方面的考虑使得许多这样一类实验变得不可能,或是十分困难。

大多数人并不反对在他们的头皮上放置电极来测量脑电波。但是为了直接把电极插入活体脑组织而要移去部分头骨,即便这只是暂时的,也是众人所不能接受的。即便有人甘愿为了科学发现而接受开颅实验的话,也不会有医生同意实施这种手术。他会说这是违背其希波克拉底誓言的,或者更有可能说会有人为此而控告他。在我们这个社会里,人们会自愿参军并不惜受伤甚至牺牲,却未必会愿意仅仅为了获取科学知识而接受那些有危险性的实验。

有少数勇敢的研究者在他们自己身上做实验。英国生物化学和遗传学家霍尔丹(j.b。s.haldane)就是一个著名的例子。他甚至写了一篇关于这方面的文章,名为《作自己的实验兔子》(on being one’s own rabbit),此外还有一些医葯史上令人传颂的故事,如罗纳德·罗斯爵士(sir ronald ross)在自己身上证明蚊子传播疟疾。但除此以外,为那些可能有助于满足科学好奇心的实验去充当受试者,这是不被鼓励的,甚至是被禁止的。

在某些情况下,必需对一些病人在清醒状态下做脑部手术。这样,如果病人同意,便可在躶露的脑做一些很有限的实验。由于脑中没有痛觉感受器,病人不会因为躶露的脑的表面受到轻微电刺激而感到不适。遗憾的是,在手术中可供做实验的时间通常很短,而且也很少有神经外科医生出于对脑的细微工作感兴趣而进行这种尝试。这种研究是在本世纪中期由加拿大神经外科医生怀尔德.彭菲尔德(wilder penfield)开创的。近一个时期西雅图的华盛顿大学医学院的乔治·奥杰曼(george ojemann)领导进行了该领域的研究。他用短暂的刺激电流抑制电极附近的一小块区域内神经元的活动。如果电流足够微弱,去掉后并不会造成永久的影响。他将精力集中在与语言有关的皮层区域;这是因为当他切去患者的部分大脑皮层以降低他们癫痫病发作的可能性时,他希望尽可能少地使邻近的语言区受到损伤。

奥杰曼有一个实验结果很出名。患者自幼会讲英语和希腊语。当大脑左侧新皮层表面的一些区域受到电刺激时,她暂时无法使用某些英语词汇,但这并不影响她使用相应的希腊语,刺激其他部位则会出现相反的情况,这表明两种语言的某些特征在脑中的定位有显著的差异。

***

在大多数情况下,我们只能从头骨外研究人脑的行为活动。①现在已有多种不同的扫描方法可以获得活体脑的影像,但它们在空间或时间分辨率上都有很大的局限性。大多数方法过于昂贵,并且出于医学上的考虑被限制使用。

因此,神经科学家们优先选择在动物身上做实验便不足为怪了。虽然我并不确信一只猴子也像你一样有意识(consciousness),但我有理由认为它并非完全是一个自动机,即那种行为复杂但完全缺乏觉知(awareness)的机器。这并不是说猴子与人一样具有自我觉知(self-awareness)。一些实验,如镜中识别的实验等,表明某些类人猿(如黑猩猩),可能具有一定程度的自我觉知。而对猴子而言,即便有自我觉知,那也很少。但仍有理由大胆断言猴子具有一种与人类相似的视觉意识,只不过它无法用语言来表达而已。

例如,可以训练猕猴让它鉴别两种非常相近的颜色。这些实验表明,猕猴的表现与我们人类是可以相比的,大约在2倍以内。而对于主要在夜间活动的猫则远非如此,大老鼠则相差更大。由于黑猩猩和大猩猩过于昂贵,很少用它们做伤害性实验,如果我们主要关心的是哺rǔ动物脑中的分子特征,那么作为实验动物大老鼠和小白鼠是最好又是最便宜的。虽然它们的脑的特征在许多方面比人类要简单,但是脑的分子却可能与我们非常类似。

用猴子和其他哺rǔ动物而不用人做实验还有个优越之处,即目前它们更适于用来进行神经解剖学研究。原因很简单。几乎所有现代的关于脑中长程连接的研究方法部利用了神经元中分子的上行和下行的主动运输。为此需要把某种化学物质注射到动物活体脑中的某个部位。该物质在脑中沿着神经元之间的连接被运送到与注射点直接相连的脑的其他部位。这一过程通常需要几天时间。此后,实验动物将被无痛苦地杀死,并检测注射物质所到达的部位。用人做这种实验显然是不可能的,由于这种局限使得我们对猕猴脑的长程连接的了解远比对我们自己的了解丰富得多。

人们或许认为,这种知识上的明显的空白会使神经解剖学家忧心忡忡;由于人脑与猕猴的脑并不完全相同,他们会特别要求研究人体神经解剖学的新方法,然而事实并非如此。其实,现在是改变我们在人体神经解剖学上的缺陷的时候了,那些有远见的基金会应当立即着手从事有关的新技术的发明。

即使我们设计出可以在人身上进行神经解剖学研究的新方法,仍有许多关键性实验只能在动物身上进行。这些实验有时会持续几个月。尽管大多数实验没有什么痛苦,或只有很少的痛苦,但实验结束后常常需要把实验动物杀死(仍旧是无痛苦的)。动物保护组织坚持要求善待实验动物,这无疑是对的。由于他们的努力,实验室中的动物现在得到的照顾比以前要好一些,但是,倘若把动物理想化,那就太多愁善感了。与被捕捉的动物的生活相比,野生的食肉和食草动物通常过着严酷的生活,寿命也较短。有一种观点宣称由于人和动物都是“自然的一部分”,因而应当完全平等地对待他们。这是没有道理的。难道一只大猩猩真的应当享受大学教育吗?一味坚持完全像对待人类那样对待动物,这种说法贬低了我们人类所独有的能力。动物应当受到人道的待遇,但若将它们置于同人平等的地位,那则是一种扭曲的价值观。

作为神经解剖学和神经生理学的实验对象,猴子有什么局限性呢?训练机灵的猴子完成一些简单的心理学测试是可能的,但这很费力。有个实验要求猕猴保持凝视(即注视同一点)。当它看到水平线段时按动某一控制杆,而看到垂直线段时按动另一控制杆。这样的训练通常需要几周甚至更长的时间。而让大学毕业生来做这个实验则多么简单!此外,人作为受试者可以用语言来描述他们所看见的一切。他们还能告诉我们他们所想像到的或是梦见的情景。而要从猴子身上得到这种信息则几乎是不可能的。

看来只有一种策略是可行的。这就是分别在人和动物上做某些不同类型的实验。这需要假设猴子的脑与人脑的相似程度(以及差异性),但这尚有一定的风险。没有风险就不能取得大的进展。因此,我们既要大胆地按此方法进行研究,又应足够谨慎,尽可能地经常检查我们的假设是否合理。

研究脑波的一种最古老的方法是脑电图(eeg)。它将一个或多个粗电极直接放在头皮上。脑中有大量的电活动信号,但是头骨的电学特性干扰了对电信号的提取。单个电极将提取多至上千万个神经元产生的电场信号,因而单个神经元对电极贡献的信号淹没在它临近的大量神经元的活动中。这就好像试图从1000英尺高度上研究城市中人们的谈话一样。你能听到足球赛场中人们的叫喊声,却无法判断那里人们用何种语言交谈。

脑电图最大的优越性在于时间分辨率相当高,大致在1毫秒左右。这样便可相当好地记录到脑波的上升和下降。人们尚不太清楚这些波意味着什么。处于清醒状态与处于慢波睡眠状态的脑波有非常显著的差异。快速眼动睡眠时的脑波与清醒时很相似。因而它又有个别称——反常睡眠,即人处于睡眠状态,但他的脑看上去却是清醒的。我们的梦幻大多出现在睡眠的这一阶段。

有一种常用的记录脑波的技术是在某种感觉输入(如耳听到的一声尖锐的卡搭声)之后立刻记录。与背景的电噪声相比,由刺激引起的反应通常很小(即信噪比很低)。因此,从单独一次反应中几乎看不出什么,实验必须重复多次,并以每次事件的开始作为基准对所有信号进行平均。因为噪声总是被平均掉,所以这样可以提高信噪比,并通常可得到一条可完全重复的典型的脑电波曲线,它是与脑的活动相关联的。例如,反应中常存在着一个被称为p300的尖峰,其中p表示正电位,300代表给刺激信号与尖峰之间有300毫秒的时间间隔(见图35)。它通常与某些令人吃惊并需要注意的事件有关。我猜测它大致是从脑干传向记忆该(刺激)事件的高层脑区的一种信号。

遗憾的是,要确定产生这种事件相关电位的神经活动的位置是件困难的事。问题在于,如果我们知道每个神经元的电活动,从数学上讲就能计算出放置在头皮上任意位置的电极上的效果。反之,从电极上得到的电活动却无法计算出脑中所有部位的电活动。从理论上讲,可以在头皮上产生同样的信号的脑活动分布几乎有无穷多种。尽管如此,即便我们不可能恢复出神经活动的全部细节,但仍希望对大部分这些活动发生的部位有所了解。通过在整个头皮上放置一定数目的电极,我们可以对大部分神经活动的定位有较好的了解。如果一个电极记录到较大的信号而其他电极的信号都较小,那么大部分神经活动可能发生在记录到大信号的电极附近。遗憾的是,实验中情况要复杂得多(1)。

从这些事件相关电位中能获得一些很有限但非常有用的信息。举例子说,皮层的听觉部分主要位于脑的颞叶附近。如果一个人生来就是全聋的话,那里的情形会是怎样的呢?有一项研究选择了那些双亲也是耳聋的聋人。这样几乎可以肯定他们的天生

的缺陷是遗传引起的,该缺陷可能是在于耳的构造上而不是在脑中。心理学家海伦·内维尔(helen neville)和她的同事们通过观察事件相关电位发现,这些患者对视野外周信号的某些反应与听觉正常者相比有一个大得多的尖峰(延迟时间大约150毫秒)。这些增强现象出现在通常与听觉有关的前颞叶及额叶的一部分。

人们对这种由来自视野外周的信号引起的增强反应并不感到惊奇,因为当聋人相互打手势时,他们的目光主要固定在打手势者的眼睛和脸上。因此,大部分手势信息来自凝视中心的边缘区域。作为对照,内维尔还研究了那些双亲耳聋但本身听觉正常且学习过美国手语的受试者。他们并没有像天生耳聋的被试者所表现出的神经活动的增强现象。这表明学习美国手语并不能引起上述的增强效果。

内维尔推测,因为完全耳聋者缺乏正常的与声音有关的神经活动,在脑的发育过程中部分视觉系统通过某种方式取代了部分听觉系统。对于具有听觉的人,可能是正常的听觉输入阻止了任何视觉区域取代皮层的听觉区域。目前的动物实验表明这种想法是有道理的。

一种近代技术研究了脑产生的变化的磁场。这种磁场极为微弱,仅为地磁场的极小一部分。因此,使用了一种称为squids(超导量子相干装置,su

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