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连接组:造就独一无二的你
作者:[美] 承现峻(Sebastian Seung)/著 孙天齐/译
丛书名:原点阅读
定价:45元
印次:1-3
ISBN:9787302393801
出版日期:2015.11.01
印刷日期:2018.02.02
每个人都是独特的,我们早就清楚这一点,但科学家一直没有弄明白人的独特性体现在哪里。承现峻认为,它就藏在大脑神经元的连接方式中。连接组(connectome)是指神经系统中神经元连接的总和,是遗传和生活经历发生相互作用的结果,是先天与后天的结合点。 承现峻的文字优雅清晰,富于幽默感,他在书中介绍了神经科学的发展历程、基础知识,以及神经组学的研究方法与成果。这项工作如同攀登科学界的珠穆朗玛峰,如果成功,将为个性、智能、记忆等的研究提供基础,对孤独症、阿尔茨海默症、精神分裂症等精神疾病的治疗产生极大影响,人工智能也将由此获得希望。
more >任何路,任何足迹,都不曾越过这片森林。只有纤长而柔美的枝条,它们生生不息,以令人窒息的样子,占领着一切空间。它们彼此纠缠,其间的缝隙之狭窄,让阳光也望而却步。曾有一千亿颗种子同时播下,长出这片黑暗森林,而所有的树木,又注定将在一朝赴死。 这是一片宏伟的森林,是喜剧的森林,也是悲剧的森林。这片森林是很多,有时我想,这片森林是一切。所有的小说和所有的交响乐,所有残忍的谋杀和所有仁慈的善举,所有的爱情和所有的争执,所有的幽默和所有的忧伤——都来自这片森林。 你可能会讶异,这片森林存在于直径不及一尺的空间里。地球上有70亿这样的森林,你正是其中之一的主人,它就生长在你的颅骨里。我所说的树木,是一种特殊的细胞,叫作神经元。神经科学的目标,就是去探索它们那些奇异的枝条,征服这片心灵丛林。(图1) 图1 心灵丛林——大脑皮层上的神经元。通过卡米洛?高尔基(Camillo Golgi,1843–1926)的方法染色,由圣地亚哥?拉蒙?卡哈尔(Santiago Ramón y Cajal,1852–1934)绘图。 神经科学家们听到了它们的话语,即大脑中的电信号。他们用精准的图画和照片,揭示了神经元的形态。可是,仅凭一些零散的树,如何理解这整片森林? 17世纪,法国哲学家和数学家布莱士?帕斯卡(Blaise Pascal)这样形容宇宙的广袤: 让一个人抛开眼前卑微的事物,望望整个自然界的伟大和庄严。让他看那炽燃的大光,像一盏永恒的明灯照耀着世界。让他看到地球,再让他知道,相比于太阳的大圆,地球只是一个点。让他惊讶,太阳的大圆,在天穹上那些星宿看来,也是一个微小的点。1 这些想法使帕斯卡感到震撼,感到自己的渺小,他承认“永恒的沉寂和无限的空间”2使他恐惧。他思考的是外面的空间,然而我们只需要想想“思考”本身,便能感受到和他一样的恐惧。每个人的颅骨当中,都坐落着一个宏伟的器官,这个器官,恐怕亦是无限复杂。 作为一个神经科学家,我切身地理解帕斯卡的恐惧,与此同时,我还体会到某种尴尬。有时我面向公众,讲述我们领域的进展,每次这样的演讲之后,我都会被大量的问题轰炸:是什么导致了抑郁症和精神分裂?爱因斯坦和贝多芬的大脑有什么特殊?怎么才能让我的孩子学习更好?对于这样的问题,我无法给出令人满意的答案,于是听众的脸色就变了。我很不好意思,最后只能向听众道歉:“对不起,你们以为我当教授是因为我知道所有的答案;但实际上,我当教授恰恰是因为我知道我有多么无知。” 研究一个像大脑这么复杂的东西,看起来几乎是一种徒劳。大脑里面有上千亿个神经元,它们就像很多不同种类、形态各异的树。只有最富决心的探险家,才敢走进这样的森林去看一看,但他们走进去之后,却只能看到一点,而且看不清。毫无疑问,大脑仍是一个谜。且不用说我的听众所好奇的,大脑的疾病和特殊优势,哪怕是最平凡的问题,我们现在也很难解释。我们每天都要回忆过去,感知当下,想象未来,大脑是怎么做到这些的?我敢明确地说,没有人真正知道。 鉴于人类大脑的复杂性,有些神经科学家转而去研究一些神经元特别少的动物。比如图2中的虫子,它并不具有我们称之为“脑”的器官,它的神经元分散在全身各处,而不是集中于一个器官中。3它总共只有300个神经元,这些神经元组成了它的神经系统。这听起来很容易研究,我相信即使悲观如帕斯卡,也不会对秀丽隐杆线虫(C. elegans,这是这种一毫米长的虫子的学名)的森林感到恐惧。 图2 秀丽隐杆线虫。4 这种虫子的每一个神经元都有特定的位置和形态,并且被赋予了唯一的名称。这些虫子就像工厂流水线上大规模生产出来的一种精密机器:每只虫子的神经系统,都由一套相同的零件组成,其中的每个零件,总是按照同样的方式组装。 此外,这个标准化的神经系统的结构,已经被我们完全测绘出来了。其结果就是图3,看起来很像航空杂志封底的航线图。每个神经元都有一个由四个字母组成的名称,就像每个机场都有一个三个字母的名称。那些线段表示神经元之间的连接,就像航线图中的线段表示城市之间的航路。如果两个神经元之间,有一个叫作突触的交会点,我们就说这两个神经元是“有连接的”。通过突触,一个神经元可以把信息传递给另一个神经元。 图3 秀丽隐杆线虫的神经系统结构图,或称为“连接组”。5 工程师们都知道,要制造一个收音机,就要把电阻、电容、晶体管这些电子元件连接起来。类似地,要组建一个神经系统,就要通过神经元的那些纤细的枝条,把它们连接起来。因此,像图3这样的图,最初被称为“线路图”。而最近,我们提出了一个新的术语,把它称为“连接组”(connectome)。这个词不再是受电子工程师的启发,而是受基因组学的启发。你可能听说过,DNA是一个由分子组成的长链条,这个链条上的每个点叫作核苷酸。核苷酸有四种,分别用字母A、C、G和T来表示。而你的基因组(genome),就是你的DNA上这些核苷酸组成的全体序列,或者你可以把它看成由四种字母组成的一个很长的字符串。这个字符串总共有大约30亿个字符,如果写成一本书,将有100万页的厚度,6图4为你展示其中一个小片段。 图4 人类基因组的一个小片段。 同样,一个连接组,就是一个神经系统中,各个神经之间的连接的全体。这个术语与基因组一样,意味着全体。一个连接组不是一条连接,也不是很多连接,而是所有的连接。理论上来说,你的大脑也可以用一个线路图表示出来,就像那条虫子一样,但是你的大脑要复杂得多。那么,你的连接组,能够说出什么有趣的事情呢? 首先,它能够说明一个道理——你是独一无二的。你可能会说,你早就知道这一点,那是当然,不过要想搞清楚你的独特性是由什么导致的,这曾经是惊人地困难。你的连接组与我的连接组之间存在巨大的差异,这与那些虫子的标准化连接组不同。从这个角度来说,每个人都是独特的,但那些虫子却并不是。7(我无意冒犯虫子们!) 参差多态,乃幸福本源。研究大脑的工作原理时,最让我们感到有趣的就是,每个人的大脑运转得竟然如此不同。为什么我不能像那个外向的朋友一样开朗?为什么我的儿子读书就是赶不上他的同学?为什么我的小表弟产生了幻听?为什么我妈妈失忆了?为什么我的爱人(或者我自己)不那么善解人意? 这本书会提出一个简单的理论:心灵与思维之不同,正是因为连接组之不同。有些报纸的标题常常暗含着这个理论,例如《孤独症患者的大脑与常人不同》。连接组也许还能解释个性和智商,可能还有你的记忆。你的记忆是你身上最为独特的部分,而它们也许就编码在你的连接组里。 虽然这个理论早已流传了很长时间,但是神经科学家们仍然不知道它是否正确,不过很显然,这个理论的意义非常重大。如果它是对的,那么治疗精神障碍的根本方法就是修复连接组。事实上,一个人的任何改变,比如提高素质,少喝点酒,或者挽救一段婚姻,其实都是对连接组的改变。 再来看一个不同的理论:心灵与思维之不同,是因为基因组之不同。简而言之就是,你的基因组使你成为你。现在这个时代,个人基因组测序已经不是什么难事,再过不久,就可以便宜又快速地测出我们自己的DNA序列。而且我们还知道,在精神障碍或者一些普通特质,比如个性和智商中,基因确实有其作用。那么,既然对基因组的研究已经如此深入,为什么还要研究连接组呢? 原因很简单:单凭基因无法解释大脑为什么这样工作。早在你蜷缩在母亲的子宫里的那一刻,你就已经拥有了你的整个基因组,可是在那时,你却并没有对于初吻的回忆。你的记忆是在一生中不断形成的,而不是先天就有的。有些人会弹奏钢琴,有些人会骑自行车,这些都是后天学会的技能,而不是随着基因而来的本能。 从你的母亲受孕的那一刻起,你的基因组就已经固定了,8但与此不同,你的连接组在你的一生当中始终在改变。神经科学家们指出了这些基本的改变是如何发生的。首先,神经元会调整彼此之间的连接,使它们变得更强或弱,从而给这些连接重新赋予权重。其次,神经元还能创建新的突触,或者去掉一个突触,这样它们就能重新连接,它们还能通过生长新的枝条或收回原有的枝条来改变连线的结构。最后,新的神经元会不断地产生,旧的神经元会不断地死去,这些会使连接发生重建。 我们还不知道你的生活经历——比如你父母的离异,或者你传奇的海外经历——具体是如何改变你的连接组的。但是,有很多证据能够表明,这四个“重新”——重新赋权,重新连接,重线连线,重新建立——会受到你的经历影响。与此同时,这四个重新也受基因的指挥。基因确实会影响心智,尤其是在幼年和童年,大脑开始建立连接的时候。 连接组是由先天的基因和后天的经历共同塑造的,如果要解释大脑如何运转,就必须考虑到这两种影响和作用。“连接组不同论”是兼容于“基因组不同论”的,只是比后者更加丰富、更加复杂,因为它考虑到了你活在这个世界上的后天作用。相比来说,连接组理论不那么具有命运色彩,因为它相信,我们的连接组可以由我们的行为和思维来塑造。大脑的连接结构,使我们成为我们,但反过来,我们也在影响大脑的连接结构。 这个理论总结起来就是: 你不只是你的基因组,你是你的连接组。
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