解鎖大腦之謎

菲利斯·賈布爾

通過對大量不同物種的大腦進行解剖和分析，人類對大腦的一些固有的認知受到了顛覆，在“大腦湯”的幫助下，人類對大腦有了新的認識。

2012年6月的一天，在巴西圣保羅國際機場，蘇珊娜·埃爾庫拉諾一霍澤爾將兩個沉重的行李箱吃力地放到安檢儀的傳輸帶上。箱子緩緩通過安檢儀時.安檢人員不禁睜大了眼睛：兩個行李箱里裝的，并非衣服、化妝品或別的什么日常旅行用品，而是20多個古怪的小包裹.每個里面都有一團懸浮于液體中的模糊物體。安檢員懷疑埃爾庫拉諾一霍澤爾試圖將鮮奶酪走私入境——幾分鐘前就有兩個人試圖這樣做，遂要求開箱檢查。

“里面沒有奶酪，只是大腦而已。”埃爾庫拉諾一霍澤爾說。

她解釋說，自己是一名神經科學家，剛從南非做完科學考察歸來。在這次非同尋常但完全合法的行程中，她收集了長頸鹿、獅子、羚羊、貓鼬、鬣狗、角馬和跳鼠等許多動物的大腦，將它們浸于防凍液里，準備帶回她位于里約熱內盧的實驗室。最后，安檢員在檢查了她出示的—大疊許可及相關證件后將其放行。

埃爾庫拉諾·霍澤爾如今是美國范德堡大學（位于田納西州首府納什維爾市）的一名教授兼研究員。過去12年間，她已經收集了130多個物種的大腦.既有老鼠、松鼠、鴿子等尋常物種的，也有古氏樹袋鼠和袋獾等珍奇物種的。她有不少小蜜蜂的大腦，還有一頭非洲象的大腦。如果條件允許，她傾向于將大腦整個取出，并在運輸途中竭盡全力地加以保護。

大腦中蘊含著當今科學的諸多未解之謎。人類對于它的認識較為膚淺，未知的領域遠遠多于已知的領域：我們不清楚大腦如何產生意識：也不清楚睡眠及做夢的意義之所在：許多常見的精神疾病和神經錯亂的病因仍然不明：記憶的物理形態是什么？對此我們所知甚少，我們依然未能破譯神經系統的奧秘，即神經元網絡是如何利用電信號和化學信號來儲存及傳送信息的。我們甚至都不知道人類大腦中究竟有多少細胞，只不過以前覺得自己知道。直到2009年埃爾庫拉諾-霍澤爾將其一項重大發現公布，這一謎團才被解開。

在埃爾庫拉諾·霍澤爾取得突破性發現之前，有一種關于人類大腦的說法被科學家、教科書和媒體記者反復提及，大致是說：體積大的大腦要優于體積小的大腦，因為前者能容納更多的神經元。而比體積更重要的是大腦占身體的比率，最聰明的動物都擁有與其體型不相符的大腦袋，比如從人類的體型來看，人類大腦比預期的大了整整7倍，這是一個無可匹敵的比率。所以按照這種說法，人類在進化過程中一定發生了某種突變，導致大腦與身體的比例遠大于其他物種，比聰明的類人猿及我們的靈長類近親的也要大。這樣一來，我們就成了動物王國里的“大頭娃娃”，我們的頭蓋骨內足以容納數萬億個腦細胞，這其中包括1000億個電活性神經元，以及10至50倍于此的神經膠質細胞。

不過，通過對許多物種的大腦進行解剖和對比，埃爾庫拉諾一霍澤爾發現，這個說法有著嚴重缺陷。她的發現，不但推翻了此前關于大腦的諸多假設和謬誤，改寫了涉及大腦構成的基本常識，還提出了迄今為止最為嚴謹，論據最為充分的人類大腦進化理論之一。

但她做研究的方式迥異于其他同行。她沒有把活體生物的大腦連上電極或加以掃描，也沒有將大腦組織切片后再小心翼翼地置于玻片中觀察，更沒有將大腦長期浸泡在福爾馬林液中。相反，她將大腦攪拌成了糊狀。那些她小心翼翼地包裝后飛越了大西洋的大腦，最終都逃不了變為一瓶渾濁液體的命運，她則親切地稱它們為“大腦湯”。這一研究方法是其突破性技術的關鍵所在，能讓我們了解大腦這個可以說是宇宙中最復雜的物體。在破壞大腦的同時，她也在重塑大腦。

早在攻讀研究生學位之前，埃爾庫拉諾-霍澤爾便被灌輸了質疑一切的思想，因而不囿于各種已存的觀點與論斷。在巴西長大的她回憶說，父母總是強調，“不要輕信別人，不管對方多么受人尊敬……寧肯多問一句‘為什么？你是怎么知道這件事的？”不過，直到在歐洲取得神經系統科學的博士學位并于1999年回到里約之后，她才開始面對并糾正神經生理學界的謬誤。

她沒有進行博士后研究，而是在里約剛開放不久的生命博物館覓得一份向公眾普及大腦知識的工作。她最先做的項目之一就是調查公眾對大腦的普遍認知，設置的問題包括“意識依賴于大腦嗎？”“藥物會讓大腦發生生理變化嗎？”等。調查結果讓她大吃一驚：里約受過大學教育的人當中有六成都認為，人類大腦只被開發了10%。這是一個由來已久的謬論，實際上，人類大腦整體上一直很活躍，即便在我們昏昏欲睡或睡覺時照樣如此。這讓她如鯁在喉：這個廣為流傳的謬誤從何而來，又是如何傳播的呢？

她開始在研究論文和科普著作中尋根索源。一番詳盡無遺的調查之后，埃爾庫拉諾一霍澤爾斷定：這種說法毫無科學根據。去年，她與內華達大學醫學院的克里斯托弗·范·巴塞爾德教授共同發表了一篇論文，總結了他們的調查結果。根據該論文，在上世紀50和60年代，少數科學家在對小腦區域進行研究的基礎上，提出了大腦中神經膠質細胞的數量約10倍于神經元數量這一說法。然而小腦區域的神經膠質細胞與神經元的數量比例恰好很高。

數十年來，研究人員以訛傳訛，將這一說法推廣到整個大腦。媒體記者則在報道中機械地照搬了這些數字。很快，這一錯誤說法就堂而皇之地出現在教科書和教育網站上。“我意識到.我們首先不知道人類大腦是怎么構成的，更不知道其它動物的大腦是怎么構成的，也不知道該如何將人類大腦與其他物種的大腦進行比較。”埃爾庫拉諾一霍澤爾說。最終，她決定自己尋找答案。

幾十年來，立體測量學一直是計量腦細胞數量的標準方法：先將大腦切片，然后將切片放置于顯微鏡下，計算出其中的細胞數量，再用這個數量乘以相關區域的體積從而得到一個估算數字。這種方法實施起來耗時又費力，適用于處理大腦中范圍較小，且相對整齊劃一的區域。但很多物種的大腦通常都很大，而且錯綜復雜，不適合采用這一方法。

埃爾庫拉諾·霍澤爾從一份1970年代的研究報告中，發現了一個替代立體測量學的有趣建議：為什么不先測量大腦中的DNA總數，再用它除以平均每個細胞所含的DNA數量？這種方法的問題在于，從基因的角度來講，神經元各不相同，而且基因組高度活躍，通過不斷地自我拆解和重新組合來強化或壓制某些基因。如此一來，測量DNA總數時即便出現微小的失誤，也會使整個工作前功盡棄。不過這啟發埃爾庫拉諾·霍澤爾想出一個更好的方法：“將大腦溶解，但不是數DNA的數量，而是細胞核的數量。”細胞核內部含有細胞的基因組.每個細胞只有一個細胞核。“細胞核就是細胞核，你可以看得很清楚，不存在什么模糊不清的地方。”埃爾庫拉諾·霍澤爾說。

2002年.埃爾庫拉諾·霍澤爾從生命博物館跳槽到里約熱內盧聯邦大學.在那里從事科技傳播的工作，可以進出實驗室并自由選擇研究方向。她最初用老鼠大腦做實驗，先用液氮冷凍老鼠大腦，再用手持式攪拌器把它們打成糊狀。一開始由于操作不當，導致大塊的結晶神經組織在實驗室里四處飛濺。后來她把嚙齒類動物的大腦浸泡在福爾馬林液當中，此舉可促進蛋白質交聯，使細胞核的核膜變得堅固。接下來再將這些經過強化處理的大腦切成小片，用玻璃研缽及研杵將這些大腦切片連同強效工業肥皂一起搗碎。這個過程會溶解大腦中除了細胞核以外的所有生物成分，最后大腦就只剩下自由漂浮在幾個小藥瓶里的細胞核。

埃爾庫拉諾·霍澤爾猛烈搖晃藥瓶，使里面的細胞核均勻分布后，從“大腦湯”里取了一滴放到顯微鏡的載玻片上。透過目鏡，她看到球狀的細胞核宛如哈勃望遠鏡拍出的照片——黑絲絨般的太空中，遠方的星球熠熠生輝。埃爾庫拉諾·霍澤爾從每個小藥瓶中都數次取樣，計算出其中的神經元和神經膠質細胞數量，再將數值與液體的總體積相乘，最后得出細胞總數。通過這種方法，埃爾庫拉諾·霍澤爾取得了史無前例的成果。不到一天時間.她就精準確定了成年老鼠大腦內的細胞總數：2億個神經元和1.3億個神經膠質細胞。

在埃爾庫拉諾·霍澤爾開展研究的早期，尤其是當她剛結束對老鼠大腦的研究，轉向對靈長類動物的大腦進行研究時，同行們對她進行了強烈抵制。因為作為一個籍籍無名的年輕巴西科學家，她不僅提出了一種截然不同的大腦研究方式，還否定了流傳數個世紀的傳統智慧。不過隨著越來越多相關數據的取得，人們開始打消對她研究的疑慮。加拿大阿爾伯塔省萊斯布里奇大學進化神經學家安德魯·伊沃尼克便說：“毫無疑問，這種方法行之有效。它比傳統的方法快數百倍或數千倍。這就意味著我們可以快速比較許多物種的大腦，看看到底是什么讓人腦如此特別——或不特別。”

2016年時，埃爾庫拉諾·霍澤爾已經前往范德堡大學工作。當我們走進她的新實驗室后，首先映入眼簾的就是4個排成一排的白色大冰柜。她打開其中一個，露出了擺滿特百惠盒子的架子。每個盒子上都貼著標有數字的膠帶：19號盒、6號盒、34號盒……“這些盒子里裝的是什么？”我問。“哦，各種各樣的東西，”她回答道，“大約有200個不同的大腦，都是鳥類和哺乳動物的……在這里你可以看到各種食肉動物的大腦，有獅子、豹子、狗、貓、浣熊的，有鴕鳥的，有靈長類動物的，還有一群長頸鹿的——它們的脊髓也在這里，那脊髓足足有4米長。”

截至目前，埃爾庫拉諾·霍澤爾已經發表了關于80多個物種的大腦研究成果。比對的物種越多，她的結論也越清晰：大多數關于大腦及其細胞成分的信條都是錯誤的。首先，體積較大的大腦并不一定比體積較小的大腦含有更多的神經元。她發現，有些物種的大腦特別密集，比起其他物種海綿似的大腦，在相同體積的腦組織中細胞的含量更多。一般來說，因為靈長類的神經元總體上比較小，所以它們的大腦比其它哺乳動物的要密集許多。盡管獼猴的大腦只比地球上最大的嚙齒動物水豚的大腦稍大一些，但獼猴的神經元數量卻是水豚的6倍多。鳥類似乎有著最密集的大腦，但它們的大腦都不怎么大。如果一只鳥的大腦能像西柚那么大，那它可以統治世界了。

“大腦湯”研究技術進一步揭示，人腦有860億個神經元和差不多同等數量的神經膠質細胞，而非1000億個神經元和數萬億個神經膠質細胞。這迥異于教科書和研究論文中經常引用的數據。而且人類肯定也不是擁有最多神經元的物種：非洲象的神經元數量3倍于人類的，達2570億個。

而當埃爾庫拉諾·霍澤爾把關注的焦點投向大腦皮層（大腦的最外層褶皺）時，她發現了一個令人震撼的差異：人類有160億個皮質神經元，排在第二位的是猩猩和大猩猩，有90億個，黑猩猩的則是60億個。大象的大腦雖然比我們人類的大3倍.但大腦皮層里只有56億個神經元。迄今為止，在地球上的所有物種當中，人類似乎擁有著最多數量的皮質神經元。

工具制造、解決問題、復雜的交流和自我意識等能力，此前曾被認為是人類獨有的心智能力，如今都已被證實，在動物界存在的遠比人們之前認為的要普遍得多。人類只是將這些能力發展到了一個空前的程度而已。埃爾庫拉諾·霍澤爾認為，對于這種差異最簡單的解釋就是，人類大腦皮層神經元的數量是已研究過的其它物種的將近兩倍。

即便如今我們人類的大腦皮質神經元比其他任何物種的都多，但這一差異性的真正意義依然不甚明確。要知道，大象的皮質神經元不足人類的三分之一，但大象是人類已知的最聰明的動物之一，會制造工具，能認出鏡子中的自己，甚至對死亡也有某種程度的認知。同樣，屬于無脊椎動物的章魚并沒有大腦皮層，其大腦和觸手內分別分布著不足1億和3億多個神經元，但這并不妨礙它成為最聰明的海洋生物之一。章魚能夠記住不同的人，打開結構復雜的謎題箱子，從“防脫逃”水箱中逃出。大腦極其微小的蜜蜂，則有著優于很多大腦更密集生物的協作與溝通天賦。

歸根結底，簡化論既是“大腦湯”技術的核心力量，也是此項技術的一大缺陷。將一個難以捉摸、錯綜復雜的生物實體轉化為小小的一組數字，該方法使之前無法實現的研究成為可能，但與此同時，人類也可能高估這些數字的作用。

在其《人類的優勢》一書中，埃爾庫拉諾·霍澤爾強調了認知潛能和能力之間的差異。我們和20萬年前的人類擁有幾乎相同數量的神經元，所擁有的能力卻天差地別。人類的智慧至少有一半不是源自生物學，而是源自文化——源自于我們所處時代的語言、傳統和科技。文化，釋放了大腦的潛能。

[譯自美國《紐約時報》]