第2章　大脑一览

在进入新的知识领域之前，奠定基础非常重要。虽然读者很可能已经对我将要解释的关于大脑的内容有所了解，但是我认为把神经科学的基本原理放在中心位置极为重要。事实上，我将在本书的第二部分中谈到，我们获取的新知识总是存储在和旧知识相连的神经网络上，这些旧知识总是和新知识或其他的概念多多少少有联系。这个事实说明：一方面，如果我们希望新知识可以深深印刻在我们大脑里，就必须提前激活上面提到的神经网络，这样它才能活跃起来及时做出反应来正确地吸收新知识；另一方面，如果旧知识模糊不清，或出现了矛盾，或不完全正确，那么我们后来学习的新知识可能会建立在错误之上，最终我们学习后获取的新知识就有限了。对神经元来说，就算是学习一个错误的概念，也比分析和改正一个概念性错误要简单得多。仅仅靠死记硬背的学习和根据每个人的动机和需要进行的体验式学习并不是一回事。那些负责决策的神经网络不是被破坏就是被加强联系，掌管理性分析和判断的神经网络也是如此。

盲从和生搬硬套与理性相对。人们认为学习与教学的方式比想象中更重要，因为它不仅决定学习活动本身，还决定了我们和后代未来精神生活的方方面面。所以很多人致力于将教育作为他们奋斗的事业。

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一位教授人体解剖学的大学老师曾经跟我讲述他在学生身上做的一个实验。他的大多数学生从十五六岁起就没有学过跟科学相关的课程了。在开始教授人体解剖学的课程之前，老师让他的学生画出人体消化系统图。跟老师预想的一样，大多数人画的跟实际很接近，但是也有人犯了严重的概念性错误。比如，在胃这里画出了两条输出管道，一条是通过肠道排便的管道（这条是正确的），另一条是排尿管道（这条完全错误，因为尿液是血液通过肾脏的过滤和重吸收作用形成的，所以消化系统中并不存在这条管道）。老师没有让他们上交这次画的图，而是让他们自己保管起来。在他们学习了人体解剖学这个课程之后，老师又让他们画人体消化系统图，并拿这次画的图与他们第一次画的图比较。这一次，重新学习了消化系统的知识之后，第一次画图犯错的大部分学生都画出了正确的图。几年过去，学生们即将毕业，在毕业前夕，老师再次让他们画一张人体消化系统图，并把这次画的图与前两次画的做比较。

这张图跟哪一张图最相似呢？是有严重的概念性错误的第一张，还是重新学习后正确的第二张？大多数情况下，第三张图存在和第一张图相同的错误，尽管在学生学习之后，这些错误曾被短暂地改正过。就像我说过的，对神经元来说，由于神经网络的构成方式，分析和改正错误比学习一个新概念要难得多。接下来就让我们深入探讨一下这个话题。

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现在，让我们想一下人的颅骨内部有什么。我们会肯定地说出来颅骨内有人的大脑。人脑差不多跟椰子一样大，形状像核桃，有人更喜欢说它像花椰菜，颜色像生肝脏，坚固如冻住的黄油。大脑的平均体积大约为1200 cm3，重约1.5 kg。一般情况下，男性的大脑体积比女性的还要大130 cm3。大脑分为左右两个大脑半球，两半球之间通过一条横行神经纤维束相连，这条横行神经纤维束被称为“胼胝体”，用来支持两半球的协同运转。一般右半球比左半球更大，掌管左半边身体的机能与运动，而左半球则掌管右半边身体的机能与运动。除此之外，相比于右半球，左半球更偏向于计算、交流以及构思和执行复杂计划。这些精神活动同样也更具压迫性、隐匿性和实用性。相反，右半球则负责更为愉悦和感性的精神活动。

有些读者可能已经知道了上述信息。但是很抱歉，我得指出其中的一些错误。首先，每个人大脑的体积都各有差异。一般来说，男性大脑的体积比女性的要大一些，但仍有许多女性大脑的体积大于男性的个例。其次，大脑的功能与大脑的体积大小无关，而与大脑的联系能力有关，这个我接下来会谈到。读者一定注意到了我总是避免提到“质量”这个词，在很多情况下，质量总是与数量大小相关联，暗含一些不必要的歧视因素，所以我用的词是“联系能力”，而不同大脑之间的区别只在于其中的神经联系。

2007年，有人做了一项有关大脑的实验，研究对象是46名22～49岁的成年人。实验发现，至少在这个样本中，男性的大脑体积在9749～14985 cm3之间不等（差别大于500 cm3，占大脑总体积的1/3！）。然而，实验并没有发现这些人的大脑体积与总体智力之间有任何重要联系。另外，关于左右两个大脑半球各自掌管的精神活动，尽管两个大脑半球对某种类型的精神活动各有侧重，但所有的精神活动都有二者的参与。因此，人们通常认为的一半理性，一半感性的说法是错误的。左右两个大脑半球都参与了所有精神活动。但根据不同精神活动，占支配地位的大脑半球也不同。

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男性大脑与女性大脑也有不同之处。人们发现，胚胎发育时期存在的130多种基因，与成年人体内存在的至少85种基因，根据不同性别，有不同的发挥作用的方式，或许其中一些基因能回答人们一些关于大脑的问题。总之，一般而言，男性大脑与女性大脑天生就有微小的差别。我并不是说男女的大脑有局限性或不同寻常的功能，也不认为性别可以作为评判他人的依据，但在文化层面上，曾发生过这样的事而且这种情况一直存在。

这种基因差异表现在解剖学差异和功能差异上。一般，女性大脑拥有更多的灰质，即包含许多神经元的表层（我马上就会讲到这些神经元和表层）和更强的联系能力。各种心理学研究发现，这种差异使得男性能更快速地做出决定，但是如果拥有足够时间去考虑所有因素，女性做出正确决定的概率更高，因为女性可以同时评估各种因素。同样的原因，一般而言，女童辨识人脸更快，因此，人们认为女孩比男孩更早进行社交活动。另外，总体上，女性大脑的运转效率要高于男性的，且消耗的能量也更少。

谈到大脑具体区域的一些差别，女性大脑在控制语言的区域中最为高效，而男性大脑则在控制空间方向感的区域中效率最为突出。尽管有这些差异，总体的智力差异却与性别无关，而是因人而异。因此，我们需要时刻牢记人与人之间有很大差别，这也是我总用“总体而言”“平均来看”以及“一般而言”等类似表达的原因。

至今还未得到完美解释的一个现象是男性在数学和使用地图上表现得更好，而女性可以更顺畅地表达情感和与人交流。一些心理学测试也支持这种说法，但是这并不代表这种差异天生存在，至少造成这种差异的部分原因可能是社会环境。大部分情况下，根据不同性别，社会环境总是会更看重人的某一方面，从而使个人由于社会的潜移默化受到不同方式的促进。归根结底，在“弯曲大脑”方面受到了不同的促进。一些关于小学女生数学能力的研究表明，社会环境因素的影响比我们想象中更大。

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人脑由一千多亿神经元构成，正是这些细胞组成了神经系统。我们平均在约一粒粗盐那么大（约1 mm3）的脑组织上能找到一百多万个神经元。如同社会中的个人，每个神经元都具有普遍性，同时它也具有唯一性和独立性。同理，人随时间而改变，神经元也随着它们之间联系的灵活变动而做出适应性改变，以此形成“弯曲大脑”的基础。一个典型的神经元（图2-1）由一个细胞体和突起组成，细胞体含有细胞器和带有遗传物质的细胞核，一些延伸的部分即突起使其可以与其他神经元相连。细胞体的一端是许多较短的延伸部分，它们被称作“树突”，是包含许多分支的树状结构；而细胞体的另一端是延伸更长的“轴突”。神经元的轴突与其他神经元的树突相连，因为树突是分支极多的树状结构，所以每个神经元可以和多个神经元相连。经估算，每个神经元可以和大约10000个神经元建立联系。然而，经计算，每个神经元平均只与其他1000个神经元之间有联系。这些联系形成了错综复杂的神经网络。

如果我们将大脑的质量和全身的质量相比，一般大脑质量只占全身的2%，但是它却要消耗20%～25%我们吸入的氧气。这是一个很有意义的数据，因为氧气的消耗与消耗能量的细胞新陈代谢活动有直接关系。细胞内，氧气与葡萄糖等其他分子相结合产生能量，细胞便会利用这些能量来满足生理需要。因此，耗氧量表明，除心脏外，大脑是我们身体中最活跃的器官。

然而，不是大脑所有部分都消耗等量的氧气。首先，如果我们将大脑横切开，就会发现外缘比内部的颜色更灰暗，其内部是奶白色的。证明这一点很容易，只需在市场上买一个羊脑，把它冻硬之后从冰箱中拿出来。当外缘部分恢复正常大脑手感时，用菜刀将羊脑从右至左横着切开，就可以看见很明显的颜色差别。灰质（得名于它的颜色）由神经元的细胞体构成，新陈代谢活动主要就在细胞体中进行，而白质则包含神经元之间的联系。因此，尽管灰质只占大脑体积的40%，它却消耗大脑所需氧气的94%。而白质占剩下的60%，只消耗大脑所需氧气总量的6%。

另外，在任何时候，大脑的活跃区域需要消耗比其他区域更多的氧气来支持大脑活动。确切来说，正是这种耗氧量的差异帮助研究者更精准地了解当我们进行某项活动，如走路、下棋、回忆过去、畅想未来、写诗、研究菜谱、主动或被迫学习活动时，大脑的哪个区域处于活跃状态。这项技术被命名为“功能性磁共振成像”（fMRI），尽管它并不是研究大脑活跃区域的唯一方法，但它确实是最有效的一种方法。它的原理很简单。如果大脑的某一区域为了掌管某种身体或精神活动而处于活跃状态，它就需要消耗更多的氧气。如果消耗更多氧气，血液流动就会随之改变以提供支持。由于氧气通过红细胞这种特定的血细胞进行运输，因此大脑这个区域的红细胞数量就会增加。因此，这项技术可以探测到大脑中血液流动的变化，利用铁原子的磁性以完全不入侵身体的方式从体外进行操作。在这个过程中铁原子扮演了怎样的角色呢？在红细胞中，氧气附着在一种叫作血红蛋白的蛋白质上被运输，这种血红蛋白的组成就包含铁元素。神经系统越活跃，耗氧量越高，这个区域内出现的铁就越多。

人们在20世纪90年代就开始使用这项技术，但是直到21世纪，这项技术才得到普及和完善。最近十年，这项技术使神经科学领域的研究有了巨大飞跃。在人们拥有这项技术之前，也有其他研究大脑活动的方法，但是这些方法需要在实验对象身上使用染色剂或放射性物质，或直接在大脑不同区域植入电极，来捕捉脑电波，后者需要开颅。可以想象，这些方法的局限性太多了。因此，这些方法的研究样本局限于动物，尤其是老鼠，或类似猕猴和黑猩猩这样的灵长类动物，但它们的认知能力和人类相比差异很大。人们也曾在做开颅手术的人身上实验过，但是这种做法引起了争议，病人本就是因为大脑出问题才去做开颅手术的，一般情况下是为了摘除会影响神经活动的肿瘤。应当声明的是，现代大多数国家都禁止用灵长类动物做实验，因为他们都是有感知能力的物种，理应得到保护和特殊对待。

除了大脑，我们还拥有其他与之相联的中枢神经系统，比如小脑和脑干。这些中枢神经系统包含了进化学意义上的最原始部分，并承担着那些最基本的生理功能，比如呼吸和心跳，或是进食和繁殖冲动。因此，爬行动物的大脑基本上只由这些具有最基本的生理功能的部分组成。哺乳动物的大脑通过进化已经添加了具有其他生理功能的部分。

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下面接着讲组成大脑的细胞。虽说神经元是构成神经系统的基本结构和功能单位，但是大脑并不只有这一种细胞。除了神经元，人们还在大脑中发现了神经胶质细胞，它的作用在于为神经元维持尽可能好的生存条件。神经胶质细胞为神经元提供支持与保护，使神经元可以在稳定的环境下生存。神经胶质细胞为神经元提供营养与氧气，检测和消灭病原体，并且某些神经胶质细胞可以吞噬死亡的神经元。神经胶质细胞还可以生成一种环绕在轴突旁边的绝缘物质，就像电线用塑料套包裹铜线一样，这种物质可以加快神经元之间的信息传递，避免和其他神经元的连接短路。最新研究发现，神经胶质细胞还能增强大脑可塑性与其终生的重建能力。

大脑拥有的神经胶质细胞数量比神经元数量多得多，至少是神经元数量的10倍。但是这些细胞并没有均匀分布。这里我就要提到“大脑皮层”，即大脑最外层。这个区域掌管着人类最复杂和最典型的精神活动，比如语言、创造、理性、逻辑、决策和共情。大脑皮层中存在着160亿个神经元，它含有神经胶质细胞更多，有600亿个。这个差异使人们错认为自己最多只开发利用了10%的大脑，这绝对是谣言，需要澄清。我们运用的是整个大脑，每个细胞都在它被需要的时候发挥作用，神经网络也会根据相应的任务发挥作用。因此，整个大脑并不是一直处于活跃状态。使整个大脑保持活跃状态所需的能量是不可想象的，大脑也不可能同时掌管所有相应的精神活动。每个区域都有自己的活跃时间。这种10%的说法被那些轻易相信它的人自然而然传开了。人们一般认为这种10%的说法由于爱因斯坦的聪明大脑而出现，但实际上这种说法在19世纪末就出现了，那时人们还不了解大脑中大多数细胞的功能。

然而，有趣的是，掌管我们最复杂精神活动的大脑皮层不仅拥有数量比神经元还多的神经胶质细胞，它拥有的神经胶质细胞总量还在整个大脑中占比最大。由于大脑皮层中的神经元需要许多神经胶质细胞来支持它们的活动，这确切表明了大脑皮层中神经元的重要性。不仅如此，大脑皮层还是大脑区域中神经可塑性，即建立和重建神经联系能力最突出的一个区域，这点我接下来会谈到。就像我之前提到的，神经胶质细胞会产生增强神经可塑性的物质。经计算，大脑皮层上约160亿个神经元竟然正好建立了约50万亿条神经联系！

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结束这次探索大脑之旅之前还剩下一个问题。大脑的作用是什么？这个问题很简单，但是它的答案包含了本书阐述的一个重要方面。人们常说，大脑的作用在于对身体的其他器官进行集中管理，从而使人们面对环境变化做出迅速而协调的反应。这种定义完全正确。比如，当我们看到食物或仅仅想到快到午饭时间时，在我们进食之前，我们的口腔开始分泌唾液，胃就已经开始分泌消化液了（迅速反应）。如果我们在午夜走在大街上看见一个黑影，我们就会心跳加速，肌肉紧绷，时刻准备逃跑（协调反应：肌肉紧绷便于逃跑，心率加快为肌肉提供氧气和能量）。

除此之外，大脑还有一个广泛意义上的作用，即帮助我们为了最基本的生存来适应环境的变化。学习、创造力、情绪和共情能力都是我们对环境的适应及生存策略，这些都来源于大脑活动。然而，在密林中的小村落出生长大和在大城市出生长大是两码事。生活在相对安静和舒适的环境中与生活在充斥着暴力的环境中也不同（无论是家庭、社会还是军事冲突引起的暴力）。

不同情况下的生存策略是不同的。虽然并不绝对，但它们确实存在些许差别。大脑通过改变脑细胞间的神经联系使其本身适应环境，从而使我们的行为适应各种环境。说回来，大脑的奥秘还是在于它的“可塑性”。