图片来源:Unsplash

大脑是干嘛用的?

人类大脑的运行机制与其他动物并没有本质不同,都是各种神经细胞之间的互作,整合体内外各种信号,使得个体对“‘三个特殊’运行所必需的‘相关要素’的整合机制”从“实体化”转变为“信号化”。

2020-2021年博古睿学者,北京大学生命科学学院教授。他是北京大学博古睿研究中心“博古睿讲座系列”的首讲嘉宾,也是在线平台“睿的n次方”的首位专栏作者,并给专栏起名《白话》。

2022-03-18 / 阅读时长 6 分钟
专栏 首发 白书农

01
“大脑”与“思考”之辨

人们常常用一个人“脑子进水”了来比喻ta做事糊涂。当然,更直接的说法是说这个人办事“猪脑子”或者是“没脑子”。那么,脑子就是用来想事情、做事情的吗?

说不会办事的人“猪脑子”,其实暗含了一个意思,就是承认猪也是有脑子的。换言之,就是脑子并不是人类专属。我们在前面一篇文章[1]中提到过,虽然在地球上最早出现的动物如海绵不仅没有脑,连神经细胞都没有,但作为神经中枢的“脑”,早在扁虫中就已经出现。从那之后演化出来的所有动物,都有“脑”这样一个特殊的组织或者器官。其功能本质上是整合动物个体作为“整合子”运行所需要的内外信息,维持“三个特殊”相关要素整合的效率和稳健性。

扁虫中出现“脑”,标志着动物个体对周边“相关要素”的整合从之前的以水为媒介(实体化),如海绵、水螅那样从通过的水流中截留食物,发展到以代表“相关要素”特征的其他物理、化学信号为媒介(信号化),如动物感受光、声和化学分子的视觉、听觉、嗅觉。这种对“相关要素”感知方式的改变,加上被称为“脑”的中枢神经系统对个体不同部分的协同而移动自身(这个功能在“脑”出现之前就已经由神经系统的出现而实现,如《Shape of Life》中萌蠢的海葵。这种协同还涉及一个专门的概念——“本体觉”(proprioception),在此不多讨论。从个体的角度讲,动物可以有效地拓展“三个特殊”运行所需“相关要素”的整合空间;从整个生命系统的角度讲,不同的物种则可以有更大的机会发展各自的“要素偏好性”[2]。当然不同动物的“脑”中神经元的数量、种类、链接方式以及总体结构,以及由此衍生出的功能都有所不同[3](图1)。

图1 动物神经系统的不同组织方式(艺萌 译、小琦 制).png

如果大家接受扁虫以上的动物都有“脑”这样一个事实,那么我们就不得不面对两个选择:一个选择是,接受脑的功能就是思考(很多人是被那么教的),那么我们就不得不承认猪、鱼、乃至扁虫都能思考,而这就又要求我们对什么叫“思考”给出一个不同的定义,或者要求我们区分人类的“思考”和其他动物的“思考”究竟有哪些不同;另一个选择是,“脑”在最初出现时并不具备思考的功能,只是在人类出现之后,大脑才出现了“思考”的功能。当然,如果讲得更准确一些,需要多出一个推理环节,即人类祖先的多样性DNA序列库[4]中出现了新的基因,新出现的基因引发大脑的结构(当然还有其他结构)改变,这些改变导致大脑在原有功能基础上,迭代出新的功能,并因此而出现了人类这个独特的物种,然后出现“思考”

02
“基因不变”观是错误的

在上面两个选项中,我选择第二种。之所以做这个选择,是因为我在2013年应邀去芝加哥大学龙漫远实验室访问期间,意外得知他实验室发现人类280个出现表达水平升高的新基因中,有54个在脑中表达[5]。龙漫远教授是国际上新基因起源研究的开创者和引领者。如当年达尔文的研究证明了人们长期以来信奉的“物种不变”观念是错误的,龙漫远教授的研究证明了人们长期以来信奉的“基因不变”观念是错误的。在新基因研究最权威的实验室的发现让我意识到,困扰人类几千年(以文字记载为依据)的人类起源问题,终于有了借助可用实验检验的证据,构建具有客观合理性解释的希望了!

我在之前文章中提到,如果以“乐高积木”来比喻生命系统(生命大分子网络),基因只是乐高积木零配件生产的图纸[6]。但在生命系统迭代到生命大分子网络作为主体的阶段之后,由于生命大分子网络的组分,尤其是蛋白质的高效形成主要依赖于由“中心法则”所描述的生产流水线,因此新基因的出现,总是会为生命大分子网络结构的重构,乃至生命系统的迭代提供新的契机。虽然龙漫远实验室所发现的在人类大脑中高表达的新基因的功能尚待研究,近年在神经生物学方面的其他研究进展表明,在人类大脑中发现一些过去未曾被发现的细胞类型,且人类大脑的神经网络的构建过程,与其他动物出现显著的不同,从而在神经网络的构建上具有更大的可塑性。

如果我们相信过去100多年中对生命系统运行机制的实验研究所发现的现象、这些现象发生背后所遵循的物理化学原理、以及基于这些现象和原理而构建起来的、在本专栏之前文章中所介绍的“整合子生命观”对这些现象的解释,那么我们对下面的推理可以抱有比较大的信心:即新基因出现后,其表达产物可能引发决定神经细胞分化模式的生命大分子网络的重构,从而迭代出大脑这种特殊的多细胞结构的新的属性或者叫“功能”。获得这些新功能的个体因此获得了更高的“三个特殊”运行的效率和稳健性,并以有性生殖周期为纽带,使这些新的属性借在居群中多样性DNA序列库的共享,从个体的属性变成居群的属性,最终,这种具有全新属性的居群从其祖先类群中脱颖而出,成为一个新的类群

03
具身心智
embodied mind        

上过中学的朋友(编者+读者:😄呵呵)大概都还记得,曾经有不同的老师在不同的场合和大家提到过“哲学”。而且,讲到“哲学”,除了会想到“是谁、从哪儿来、到哪儿去”这种问题之外,可能很多人还会想到究竟是“存在决定意识”还是“意识决定存在”这类问题。而且还会有印象,很多哲学家为这些问题争论了几百年甚至上千年,也没有争出个输赢来。

其实,如果我们接受“人首先是一种生物”这个基本事实,然后把人类作为整个生命系统中的一种存在形式,放到10的9次方年(即30亿年),而不是“轴心时代”以降的10的3次方年(即2600年)这个时间尺度上来看,我们就无法回避一个基本事实,对于动物这种生命系统的特殊存在形式而言,“脑”并不是“自古以来”就有的。“脑”之所以被保留下来,不过是因为其作为内外信号的协同中心,帮助动物个体获得了在更大空间范围内整合维持“三个特殊”所需的“相关要素”的能力而已。换言之,“脑”只不过是以动物个体为存在形式的多细胞结构的一个具有特殊功能的组成部分而已。

在我们看待其他动物时,说“脑”是动物个体的一个组成部分,好像从来不会觉得有什么奇怪。可是放到人类自己身上,觉得似乎没有对“脑”的作用给出足够的评价。有一种观念认为,人之所以有别于其他动物,在于人类有理性的灵魂[7],而“理性”源自人类的思考,思考的场所在大脑。于是,有人又进一步想像,大脑就如同《忍者神龟》中的反派角色Krang(朗格)那样,可以在一个装满液体的水缸中发号施令。在这种想像的基础上,有人还讨论“如果换一个脑袋,一个人是不是还是原来的自己”等问题。

可惜,越来越多的神经生物学研究表明,人类大脑的运行机制与其他动物并没有本质不同,都是各种神经细胞之间的互作,整合体内外各种信号,使得个体对“‘三个特殊’运行所必需的‘相关要素’的整合机制”从“实体化”转变为“信号化”。尤其值得强调的是,近年的研究表明,人类大脑的功能,并不是如之前有人想像的那样,是一个装在颅骨中的计算机,而是一个被嵌入有机体之中才能发挥作用的结构。这种对大脑功能,尤其是人类特有的“思考”或者“意识”或者“智能”的解读,有一个专门的名字,叫“具身心智(embodied mind)[8]”。至于人类大脑有哪些不同于其他动物的新的功能,使得人类有别于其他动物,我们将在下一篇文章中加以讨论。

艺萌「睿ⁿ」 | 编


注释

[1] 参见《白话》专栏文章《水螅与扁虫,从不动到不得不动》。

[2] 参见《白话》专栏文章《要素偏好与路径依赖》。

[3] Arendt et al (2016) From nerve net to nerve ring, nerve cord and brain —— evolution of the nervous system. Nat. Rev. Neuroscience. V. 17: 61-72

[4] 参见《白话》专栏文章《两个主体和一个纽带》。

[5] Zhang et al (2011) Accelerated recruitment of new brain development genes into the human genome. PLoS Biol. V. 9 e1001179

[6] 参见《白话》专栏文章《乐高积木的零配件是怎么生产的?》。

[7] 参见《白话》专栏文章《眼见为实与身在此山》。

[8] Andy Clark (2016) Surfing Uncertainty: Prediction, Action, and the Embodied Mind. Oxford University Press

(版权所有,未经允许请勿转载)