心灵的宇宙：
我们的脑部如何运作？
世界上最复杂的东西是什么？这个问题不容易回答。然而，在自然科学的眼中，答案其实很清楚，那就是人类的脑！不可否认，从外观上来看，脑并不特别起眼。它重不过3磅，形状像个充了气的核桃，浓稠度可比一颗半熟的鸡蛋，但其中含藏的也许是全宇宙最复杂的机制。1000亿个神经细胞在脑里反复发出信号，产生多达500兆条连接。一个有名的比喻是，这个数字相当于亚马孙雨林区所有树叶的总和。
直到约120年前，脑的内部活动仍是个谜。当时那些曾对脑部进行论述或猜测的人，充其量只是拿着手电筒探照整个夜空。正因为如此，史上第一位指出脑部总体运作流程及其根本机制的人现今却几乎无人认识，才令我们惊讶。如果要客观推举出20世纪最重要的学者和思想家的话，就绝不能漏掉圣地亚哥·拉蒙·卡哈尔（Santiago Ramón y Cajal）。然而书店里竟然连一本关于他的德文传记都找不到。
卡哈尔于1852年出生于西班牙纳瓦拉省（Navarra）的阿拉贡（Petilla de Aragón），比尼采年轻8岁。在他童年时期，达尔文正在伦敦附近的道恩市（Down）撰写他的巨著《物种起源》。当时并没有人想到，卡哈尔自己后来也会和生物学结缘。他小时候立志成为画家。为了研究人的身体，年轻时的他还曾和父亲一起到废弃的墓园挖掘尸骨。卡哈尔的父亲在萨拉戈萨（Saragossa）一所医院的解剖部门担任外科医师。卡哈尔对骨骼的研究终于从绘画走向解剖学。伟大的达尔文曾经因为对解剖尸体感到恶心而中断学医，然而卡哈尔研究尸体时却充满狂热。他21岁便成为医生。由于特别醉心于尸体和骨骼，他决定从军。1874～1875年，他随着一支远征队来到古巴，在当地罹患疟疾与结核病。回国后他到了萨拉戈萨大学医学院担任助理医师，并于1877年取得马德里大学的博士学位。在瓦伦西亚大学教授“描述解剖学及解剖总论”期间，他逐步发现了脑的奥秘。为什么从来没有人深入研究人类的脑呢？在此之前，只有脑部区域基本解剖分布的研究而已。卡哈尔制订了一个挑战性很高的计划：他要了解脑的运作过程，并建立一个所谓“理性心理学”的新科学。他在显微镜下一点一滴观察人脑的细胞组织，并把所有看到的都描绘下来。1877年，他转任巴塞罗那大学组织和病理学教授，1892年再转到西班牙最大也最重要的学府马德里大学任教。此外，他还于1900年获得“国家卫生中心以及生物研究中心”主任一职。
我们可以在一张照片上看到卡哈尔坐在他在马德里的书房里，背后是堆积如山的藏书，蓄着蓬乱的胡子，右手支颐凝望着一副人体骨骼。在另外一张照片中，他身穿东方色彩的长罩衣，头戴马格里布的帽子，坐在他的实验室里，身体姿势和前一张照片差不多。他有一双深邃的深色眼睛。人们可能真的会以为他是个画家，而不会料到他其实是位科学家。上了年纪的他，脸上出现了明显阴沉的表情，看起来像是好莱坞电影里会出现的可疑坏蛋、一个与魔鬼打交道的科学家。事实上卡哈尔完全不是个阴沉的人，他的同侪都十分看重且喜爱他。他是个谦逊、慷慨、充满温暖幽默感而又泰然自若的人。
卡哈尔的研究对象仅止于死去的人和动物的脑。对活体脑部的研究在19世纪末尚未成熟。这当然是份十分艰巨的工作，因为在完全不能观察脑部活动过程的情形下，又该如何知道脑部是怎么运作的呢？不过卡哈尔还是完成了惊人之举。如果真要说他具有什么魔幻特质的话，那就是他将死亡的神经细胞“唤醒”的奇妙能力。他幻想自己是个讨人喜爱的钟楼怪人，因为他描述在显微镜下的脑部细胞运作过程，就好像亲眼见到它们工作一样。在他的文章和著作中可以读到他以活泼的笔调描写了一件生气勃勃的事：这些神经细胞能感觉、行动、希望和死亡。一个神经细胞以它所形成的纤维组织向四周“探索”着，“为的是找到另一个神经细胞”。卡哈尔就是以这样的方式描写脑的细微结构，为脑神经系统的现代研究奠定了基石。他在多年的研究生涯里一共写了270篇学术论文和18本书。这些著作使他成为有史以来最重要的脑研究学者，并于1906年荣获诺贝尔医学奖。
卡哈尔的研究之所以如此重要，乃是因为脑神经细胞的外观与一般身体的细胞全然不同。它们奇特、不规则且带有许多细小突起的外形，是以前的科学界完全无法捉摸的。卡哈尔将这些细胞绘成非常精确的图像，它们是一些有奇特蜘蛛网结构的细致素描，而大部分的图看起来都像是小局部的海藻。虽然没有一个重要且至今仍通用的概念是由他亲自命名的，但是从未有人像他一样把脑部神经系统的元素描写得如此详尽。他描绘并解释了神经细胞、神经元，以及神经元两端长短不一的纤维——轴突。轴突的分枝——树突（Dendrit），首次清楚呈现在世人眼前。至于树突末端神经细胞的信息交流处，他则以与他成就相当的英国同事查尔斯·斯科特·谢灵顿（Charles Scott Sherrington）所用的突触（Synapse）来命名。透过无比精密的研究，卡哈尔可说是发现了脑神经细胞的“字母”。但是相应的脑部语法或其神经元所使用的语言，以及他所谓神经元转换电路的工作等，都是他必须借助想象力另外构思出来的。
卡哈尔的许多推测都在后来被证实为正确无误。其中最重要的，就是神经流在通过脑部和背脊时总是只能以单一方向流动。一个神经细胞可经由突触与另一个神经细胞进行信息交流。但是这些神经线路都是单行道，而每个信息流的方向也总是不可逆转的。当然，卡哈尔无法用死亡的脑来展示突触如何传递信息，因为这些脑部已没有任何静电或化学的活动。但是他知道确实有信号传递发生。德国生理学家奥托·勒维（Otto Loewi）于1921年首次证实神经脉冲如何借由化学的传导物质从一个突触转移到另一个。不过卡哈尔却无缘亲眼见到。
卡哈尔于1934年去世，享年82岁。在他去世后的30年间，当欧洲、美国和澳大利亚的科学家都在研究脑中电子化学信号传导的基本机制时，其他人则致力于对个别的脑部区域作更进一步的解释。脑部中何者负责什么工作？原因又是什么？这当中尤以美国人保罗·迈克尔莱恩（Paul MacLean）于20世纪40年代提出的模型特别著名。他将人类脑部作了清楚的划分。由于人类是从较低等的动物形态演进而来，因此迈克尔莱恩将人的不同脑部区域划归演进的不同阶段。根据他的理论，脑部其实是由“三个脑”组成的。第一个是“物种发展的古代爬虫类脑”，主要由脑干和间脑组成。爬虫类脑是脑部“最低等”的形态，里面有与生俱来的本能，后天学习力低，对所有社会行为均不适用。第二个是“早期哺乳类脑”，相当于边缘系统。在这里面不仅有本能和情感，迈克尔莱恩认为更是自然界第一次尝试发展出意识和记忆的所在。第三个是“进阶哺乳类脑”，相当于脑部新皮质，为理智、理解力和逻辑思考的所在地。进阶哺乳类脑的运作与较原始的脑部区域互不相干。由于迈克尔莱恩认为这三个脑的划分是非常严格而清楚的，因此在边缘系统与新皮质之间应该只有极少的联结，而感觉与理智也应该是被严格分在不同的脑中才对。这也似乎是我们很难用理智来控制感情的原因。
迈克尔莱恩对于脑部的整理工作在当时很受欢迎，而这些理论也不难理解。如同两千年来哲学家区分动物的本能、高尚的情感和人类聪明的理性，迈克尔莱恩也理所当然地将脑部分成三部分。只不过，迈克尔莱恩这个至今在许多教科书里仍可读到的理论其实是错误的：脑部里并没有三个各自独立工作的脑！而“这三个脑是从爬虫类演进到人类的过程中逐一形成”的这个单纯想法也不正确，因为即使是爬虫类也已经具备了和人类相似的边缘系统，而它们也同样拥有类似哺乳动物所具备的“端脑”，只是相对而言比较简单罢了。最重要的是，脑干、间脑、小脑和脑部各部分之间的联结其实是非常密切的，它们并不像迈克尔莱恩所主张的只是简单地叠在一起而已。它们之间紧密而复杂的联结具有重要的意义，因为只有这个联结才能解释我们本能、感觉、意图、思想等真正运作的方式。
过去百年来脑部学者对我们脑部所做的推测中，许多都没有通过时间的考验。事实上，法国生理学家佛洛昂（Jean Pierre Marie Flourens）（后来成为达尔文的坚决反对者）早在19世纪20年代就已断定脑部的运作方式并非各自为政。他将实验动物（主要是鸡和鸽子）的各个脑中部分一个一个地取下，以便观察哪些功能因而丧失。他很惊讶地发现，结果并非个别的能力减弱，而是许多能力突然同时变差，约莫如同斯坦利·库布里克（Stanley Kubrick）的电影《2001太空漫游》（Odyssee2001）中那台名叫赫尔（HAL）的计算机，虽然每关掉一个电源按钮它都变得较为缓慢而笨重，但智力却并未因此而明显降低。佛洛昂发现，关于脑部区域的传统看法是错误的。也就是说，它们并非各自只负责如计算、说话、思考或记忆等特定的功能。不过他却得到另一个极端的结论，认为脑中所有区域都共同负责所有的功能。因此，介于佛洛昂和卡哈尔之间的世代，则着眼于根据基本功能去寻找脑部的区域和中心，并加以分类。有志之士纷纷绘制脑部地图。最震撼的发现要数法国解剖学家保罗·布罗卡（Paul Broca）和德国神经医学家卡尔·韦尼克（Carl Wernicke），他们不约而同地找到了一个人类的语言中心：于1861年发现负责发声的“布罗卡区”和于1874年发现负责语言理解的“韦尼克区”。
今天，脑部被分为脑干、间脑、小脑和大脑四个部分。脑干位于头部中央的最底部，由中脑、脑桥和末脑（骨髓的延伸）组成。脑干连接感官印象，调节我们的心跳、呼吸、新陈代谢等自动机能及眨眼、吞咽、咳嗽等反射动作。间脑位于脑干上方，是一个较小的区域。其组成部分有丘脑上部、下视丘、底丘脑和上视丘。间脑扮演的角色主要是个中间站和情绪鉴定者，能察觉感官印象并继续传达至大脑。间脑是一个布满神经和激素的敏感系统，控制着我们的睡眠、苏醒、痛觉、体温调节以及本能，例如性行为。小脑主要影响我们的行动能力及运动学习能力。小脑在其他脊椎动物身上比在人类身上要显著得多，尤其是鱼类，其运动过程在某方面看来比人类身上的要求更高。人类的小脑还有其他方面的任务，包括认知功能、语言、社会行为和记忆等，不过这些任务都是在无意识下进行的。大脑位于其他三个区域的上方。人类的大脑比其他脑部区域的体积总和还大三倍以上。大脑还可划分成好几个区域，而这些区域又可分成“较简单的”感应区和“较高等的”联合区。人类所有精神智力方面的高等工作都非常（但不止于）仰赖“联合皮质区”的作用。
我们脑部的工作成效视我们生活的经历而定，这一点康德早就知道了。他在主要著作《纯粹理性批判》的导言中便开宗明义地写道：“我们一切的知识都始于经验，这是毋庸置疑的。因为若不是透过一些对象的话，那会是什么激起我们的认知能力呢？这些对象触动我们的感官，有的自己引发想法，有的刺激我们的理解力，让我们去比较、联想或区分这些对象。未经处理的感官印象便是如此被处理成对于对象的认知，也就是所谓的经验。”我们的注意力能决定我们的感觉和思想，而反之我们的感觉和思想也决定我们的注意力。人类总是一次只能处理一件事，就算有时候每件事的间隔非常短，所谓的“多重任务处理”（Multi Tasking）也并不表示能同时专注于不同事物，只不过是能快速来回切换而已。在这种情况下，我们注意力的有效范围经常受限。其原因不只是我们的生物性知觉能力，还有我们的容纳和处理能力。毋庸置疑的是，人类仅仅使用脑部神经细胞的极小部分，但想要扩大这个极小部分却也绝对是困难的。由于我们的注意力只足够大脑进行有限的活动，因此对一项活动的专注必定会牺牲掉另外一项。我那四岁的儿子奥斯卡对于动物有极大兴趣，能毫无困难地列举恐龙的名称和分辨海狮与海豹，却仍然无法轻松地自己穿件T恤。因此，限制我们学习能力的并不是我们神经细胞的数量，而是我们注意力范围的大小。
无论如何，我们今天已经大致知道注意力如何形成，以及我们在认知时会产生哪些神经化学方面的现象。今天我们之所以能够认识大脑的种种运作过程，并确认个别脑部区域的功能，必须归功于许多脑部研究测量仪器进步的技术。卡哈尔还来得及看到德国精神病学医师汉斯·博格（Hans Berger）于1929年发明的“脑电波测量法”。透过这项发明，脑部学者终于能够测出脑中流动的电流电压。到了20世纪50年代，电极改良了，利用敏锐的微电极可以观察到单一神经元的活动。接下来就是对磁场的探索。如同所有的电流一般，脑中的电流也会形成一个磁场。精密的磁场感应器从60年代以来就测量着这些磁场并计算脑中的电源。“脑磁波测量法”正是用这个方式指出脑部此刻特别活跃的所在。70年代和80年代又出现了其他方法来测量甫于脑中发现的神经化学作用。从90年代开始，脑部研究终于拥有了美丽的脑部彩图。今天，所谓的“成像处理”，如“X光电脑断层成像”和“核磁共振成像”等让我们能清楚窥见脑内的运作。从前只能显示静电和化学作用的地方，现在可利用新的方法测量脑中的充血状况并提供高解析度的照片。也因此科学界才能首次尝试去研究“边缘系统”，也就是我们情绪与感觉的根源。
不少脑部研究学者对这些新的可能性感到无比兴奋，进而相信他们的研究早晚会让哲学甚至心理学等领域关门大吉。对此，西雅图华盛顿大学的脑部学者威廉·卡尔文（William Calvin）便以“大楼管理员的梦想”做了一个很恰当的比喻。卡尔文认为，管理员对于其身处的阴暗地下室感到不舒服，因此他很想向上一跃，最好直接跃上明亮的屋顶阁楼。而想从脑内的细胞和蛋白质轻松跃进哲学领域的那些脑部学者们也差不多就是这样。然而“蛋白质”和“意义”这两个概念之间的鸿沟太大了，就算脑部研究领域知道自己在揭开脑部中心和脑部功能方面已有所进步，但产生精神、意义和理解力的机制却依然成谜。目前我们未知的部分仍然比已知的多得多。而我们对大脑的认识越深，就越感觉到大脑的复杂。
其实，最大的谜在于“意识”的个人组成，也就是我们非常主观的体验。为什么有些事物会带给我们特定的感受？这依然是我们最大的秘密。个人的感觉和爱好是无法用一般神经化学的知识来解释的。无论是测量仪器或心理咨询，都不能探究并且呈现这些体验的性质。当路易斯·阿姆斯特朗（Louis Armstrong）有一次被问到什么是爵士乐时，他的回答十分贴切：“要是你还得问的话，那么你永远也不会懂的！”主观的经验状态总是外人无法进入的，即使对脑部研究领域来说亦是如此。因为核磁共振成像虽然可以显示在播放爵士乐时脑部某些特定的情绪中心会产生较高的供血量，但它既不能显示爵士乐带给我的感觉，也无法解释为什么我会有这样的感觉。
尽管如此，脑部研究的科学仍然是我们认知以及自我认知的基础，其原因是显而易见的。相对于哲学，今日的脑部研究提供了更多刺激而有趣的动力。问题只在于，我们是否能够在完全不借助哲学的情况下处理这些问题。毕竟对脑部的研究是一种十分奇特的冒险，因为严格来说，人类的脑部正试着探索人类的脑部，也就是一个系统在试着了解自己。脑部同时扮演着研究主体和研究客体两个角色，这形成了一个棘手的状况。而脑部学者们难道不也和两千年以来以思考的方式了解自己的思考的哲学家一样吗？虽然他们所采用的是另一种方法！长久以来，研究人类精神的主要方法，都是以思考的方式探索自己，并尽可能地观察自己的思考行为；而把这个方法发挥得最淋漓尽致的一刻，就是在距今约400年前的一个值得纪念的冬夜里……
