大脑传

我们的感觉和身体活动的指令来自何方，情绪、意识、学习与记忆等认知活动的居所又在哪里？自有文字记载起，人类对这些问题就从未停止过好奇。漫漫几千年来，我们对这些问题的认识从朴素、粗浅的心灵中心观，走到了精细、深入的脑中心观。脑，这个“已知宇宙中复杂的物体”，吸引了人类历史上很多聪颖的头脑去破解它的秘密。
在认识脑工作机制的过程中，人类一直在使用各种隐喻，这些隐喻无一不受技术、时代以及人类当时对脑认知水平的限制，在完成自己的历史使命后会被新的隐喻所取代。在《大脑传》中，作者马修·科布以脑的隐喻为切入点，介绍了人类脑的认识史上一个又一个里程碑，以及那些做出伟大发现的科学家。从心智源自心脏的观点到把脑视作机器的机械观，从电与神经活动的关系到神经系统的神经元学说，从神经信号如何表征信息到脑功能的局域化定位与分散式分布之争，从把脑看作一成不变的电路到把脑视作一个具有可塑性的网络，作者历数了人类对脑认识的曲折演进历程，讲述了脑科学研究对计算机、人工智能等领域的诞生和发展产生的深远影响，勾勒出了一部群星闪耀、波澜壮阔的科学史诗。

马修·科布（Matthew Cobb），著名科学作家、神经科学家、英国曼彻斯特大学动物学教授，因向公众普及遗传学的杰出贡献于2021年被英国遗传学会授予霍尔丹奖。
科布此前出版过多部科学史题材的作品。其中讲述17世纪的科学家探索性、生命和机体生长的作品《卵子与精子的竞赛》获伦敦动物学会年度图书奖。
除《大脑传》外，新思即将推出他讲述科学家破解遗传密码的作品《生命的伟大秘密》，该书不仅入围英国皇家学会科普图书奖决选名单，还被世界著名生命科学期刊《细胞》杂志推荐为“遗传学和分子生物学相关专业研究生都应该读的科学史”。 

导读暨推荐序
绪 论
部分  过 去
第1章 心：史前时代至17世纪
第2章 力：17世纪至18世纪
第3章 电：18世纪至19世纪
第4章 功能：19世纪
第5章 进化：19世纪
第6章 抑制：19世纪
第7章 神经元：19至20世纪
第8章 机器：1900至1930年
第9章 控制：1930至1950年
第二部分  现 在
第10章 记忆：1950年至今
第11章 环路：1950年至今
第12章 计算机：1950年至今
第13章 化学：1950年至今
第14章 定位：1950年至今
第15章 意识：1950年至今
第三部分  未 来
致 谢
注 释

我们的感觉和身体活动的指令来自何方，情绪、意识、学习与记忆等认知活动的居所又在哪里？自有文字记载起，人类对这些问题就从未停止过好奇。漫漫几千年来，我们对这些问题的认识从朴素、粗浅的心灵中心观，走到了精细、深入的脑中心观。脑，这个“已知宇宙中复杂的物体”，吸引了人类历史上很多聪颖的头脑去破解它的秘密。
在认识脑工作机制的过程中，人类一直在使用各种隐喻，这些隐喻无一不受技术、时代以及人类当时对脑认知水平的限制，在完成自己的历史使命后会被新的隐喻所取代。在《大脑传》中，作者马修·科布以脑的隐喻为切入点，介绍了人类脑的认识史上一个又一个里程碑，以及那些做出伟大发现的科学家。从心智源自心脏的观点到把脑视作机器的机械观，从电与神经活动的关系到神经系统的神经元学说，从神经信号如何表征信息到脑功能的局域化定位与分散式分布之争，从把脑看作一成不变的电路到把脑视作一个具有可塑性的网络，作者历数了人类对脑认识的曲折演进历程，讲述了脑科学研究对计算机、人工智能等领域的诞生和发展产生的深远影响，勾勒出了一部群星闪耀、波澜壮阔的科学史诗。

马修·科布（Matthew Cobb），著名科学作家、神经科学家、英国曼彻斯特大学动物学教授，因向公众普及遗传学的杰出贡献于2021年被英国遗传学会授予霍尔丹奖。
科布此前出版过多部科学史题材的作品。其中讲述17世纪的科学家探索性、生命和机体生长的作品《卵子与精子的竞赛》获伦敦动物学会年度图书奖。
除《大脑传》外，新思即将推出他讲述科学家破解遗传密码的作品《生命的伟大秘密》，该书不仅入围英国皇家学会科普图书奖决选名单，还被世界著名生命科学期刊《细胞》杂志推荐为“遗传学和分子生物学相关专业研究生都应该读的科学史”。 

第11章 环路：1950年至今
1958年初，美国布朗大学的两名研究人员正在研究猫的大脑皮层细胞是如何对视觉刺激做出反应的。两人都只有三十多岁，一个人来自瑞典，一个人来自加拿大。麻醉后的猫躺在操作台上，两人用一根电极记录猫的单个脑细胞。他们用粘贴了金属片的显微镜玻片形成明亮背景中的暗点，并以此向猫的视网膜上投射各种形状的光束。但他们一无所获。被记录的细胞表现出的电活动十分微弱，转化成了实验室扬声器里依稀可闻的噼啪声。据两人后来回忆：

突然，就在我们把一张玻片插入眼底镜时，那个细胞仿佛突然活了过来，像机枪一样发放神经冲动。过了一会儿我们才发现，细胞放电跟那个小暗点没有关系，而是对我们插入玻片时玻片边缘投射出的移动的阴影有反应。我们又花了更长的时间来摸索，发现仅当这条模糊的线条沿特定方向缓慢划过时，才能记录到那个细胞的反应。即使方向从朝向偏转几度，记录到的反应也会弱很多，而当方向垂直于朝向时则完全记录不到反应。这个细胞完全无视我们的白点和黑点。

这个细胞能被一种非常独特的刺激——一条移动的竖线激活，它对静止或者水平移动的线条毫无兴趣。大卫·休伯尔（David Hubel）和托斯坦·维泽尔（Torsten Wiesel）的这项完全意外的发现将会改变我们对脑处理感觉刺激的方式的理解，并揭示单个皮层细胞对环境信息的表征有时可以复杂到多么惊人的程度。
休伯尔和维泽尔在随后几年的研究中发现，有些脑细胞响应的是视觉刺激的朝向，而有些细胞则响应的是某种特定形式的运动。他们用电极在猫脑中进行了深入的探索，发现视觉皮层可以分为多个功能柱（column）和功能层（layer），每一个功能柱对应于一个特定的感受目标（线、点等等），每一个功能层对应于这个目标的一个特定朝向。这些基本的表征信息会被传递给脑中的下一级细胞，在那里整合到一起，以更复杂的方式表征视觉世界。
休伯尔和维泽尔的科学发现与许多此前的发现一致。剑桥大学的生理学家霍拉斯·巴洛（Horace Barlow）是计算俱乐部的成员，也是查尔斯·达尔文的曾外孙。他在1953年的研究表明，蛙的视网膜细胞可以划分为不同的组，每个组对应于蛙的视野的一小部分。每个组的环路能让蛙看到约一只苍蝇大小的小点。大体上，蛙视网膜上的这一个个环路连接在一起，使这个系统能够探测一只移动的昆虫。在一只苍蝇的影像掠过一组细胞的感受野时，这些细胞就会发放电信号，在苍蝇的影像移出感受野后，细胞就会停止放电。尽管从某些意义上看巴洛的发现与休伯尔和维泽尔的发现有一定类似性，但两者有一个本质上的差别——巴洛的工作针对的是外周神经系统而不是脑。
也有更直接一些的先驱性工作。洛伦特·德诺在1938年指出，视觉皮层的神经解剖结构似乎是以功能柱的形式组织的，这些功能柱由从脑表面向深处延伸的一团团细胞组成，细胞团间彼此相连。但当时没有人想过这样的柱状结构在提示什么样的脑功能。就在休伯尔和维泽尔开展他们实验的前一年，弗农·蒙卡斯尔（Vernon Mountcastle）发现，在猫的大脑皮层中，响应来自身体某一区域同类型刺激（比如触摸）的细胞呈竖直方向排列，而响应该区域不同类型感觉刺激的细胞则在皮层的同一层呈水平排列。这与彭菲尔德的小人模型十分相似。不久后，麦卡洛克和皮茨，以及皮茨的两位朋友——杰瑞·莱特文和智利控制论学者、神经生理学家温贝托·马图拉那（Humberto Maturana）报告了蛙的脑内也存在相似的细胞群。相似的研究结果随后在许多其他脊椎动物的研究中也纷纷涌现，这表明这种组织方式是脊椎动物视觉系统组织的一种普遍原则。
这种高度的定位化特性提示，脑首先识别的是环境中的基本元素（比如线条、运动的物体等等），然后通过某种方式将这些元素组合在一起，形成一幅可辨认的整体图像。尽管脑可以被清晰地划分成负责各项感觉模块（嗅觉、听觉等等）的区域，但研究发现在这些区域中，也存在不同感觉信息相当程度的整合：猫脑的视觉区可以整合听觉信号，小鼠的听觉皮层也能对视觉信号进行分析。不同感觉模块之间的这种整合极有可能与重要刺激的精准识别有关，比如沙沙声与捕食者或猎物的运动的关联性。
20世纪60年代晚期至70年代早期，对猫脑的研究表明，许多这类结构的建立是以相应的经验为基础的。剑桥大学生理学家科林·布莱克莫尔（Colin Blakemore）和其他科学家的实验研究发现，如果把猫从小就养在仅有竖直方向条带的环境中，猫就不能辨认出任何水平方向的条带，因为其脑中本应该响应水平线条信息的细胞并不会放电。这会产生现实的行为后果——布莱克莫尔说，成长于仅有水平方向条带环境的猫咪会无视沿着竖直方向移动的棍子。它们是真的无法看见竖直方向的世界：“尽管这些猫咪会对房间进行活跃的——随着它们越长越大，甚至是狂热的——视觉探索，它们还是经常会在四处转悠时撞上桌腿。”
不仅如此，如果这些猫咪持续生活在仅有水平方向条带的环境中，它们此后将永远无法对竖直线条产生完整的反应。这是因为在一个被称为关键期（critical period）的阶段，它们的脑没有接收到必要的刺激信号。人类中也存在类似的情况。长久以来的证据显示，在先天性盲的成人患者被治愈后，他们必须从头学习识别面孔，甚至学习识别三角形这样的简单形状。很多这类患者终都无法习得正常水平的识别能力，因为他们已经错过了相应的关键期。
脑视觉处理系统组织方式的发现强化了脑可以进行神经计算的观点，但发育的影响表明，脑并不是完全预先设定好的。在一定程度内，脑的结构是经验的产物，也是动物对环境探索的结果。吉姆，脑是计算机，但不是如我们所知的那种计算机。

这是我一生中出版界出版的所有关于脑的图书里好的那一本（没有之一）。
——理查德·C. 阿特金森
美国五院院士（会士）
加州大学系统荣休校长
美国科学促进会前主席
美国国家科学基金会前主席

对人类探索脑如何发挥作用的浩瀚历史做了精湛的考察，其范围之广、程度之细、见识之深令人叹服。
——迈克尔·加扎尼加
美国科学院院士
美国医学院院士
美国文理科学院院士
加州大学圣塔芭芭拉分校教授

思想深邃、发人深省，真希望我能写出一本这样的书。在很长的一段时间里我都会一直思考这本书中的内容，其中一些将是未来脑研究的起点。
——玛丽娜·皮乔托
耶鲁大学教授
美国医学院院士
美国科学促进会会士
《神经科学杂志》总编

这是一本学术性和奇妙性兼具的有趣指南，介绍了推动人类对脑认识的科学进展，以及取得这些进展的非凡人物。
——克里斯·弗里斯
伦敦大学学院教授
英国皇家学会会士
英国国家学术院院士
美国科学促进会会士

一部智识的力作，出色地展示了历史方法往往是解释科学难题的方式。
——亨利·马什
神经外科医师
英国皇家外科学院院士

这是一部有趣而又引人思考的科普著作。它用有创意的手法描述了人类对大脑认识的历史，不仅展示了人类是如何一步一步理解自己的大脑是如何工作的，还启发了我们未来该如何做脑研究。作者不仅知识渊博，而且对大脑的工作机制有着自己独到的见解，并常常迸发出一些闪光的思想。
——鲁白
神经科学家、清华大学药学院教授

一本精彩绝伦的科普书，描绘了西方科学界认识大脑的历程。作为一个演化了五亿多年的器官，脑的复杂程度超乎想象，就像一个内在的小宇宙。对脑的探索与对宇宙的探索一样震撼人心。人类素有用已知“隐喻”未知的习惯，“脑是机器”就是一个例子。在历经液压动力、发条装置、电报网络、电话交换机和当前的计算机后，这个“机器”隐喻已近强弩之末，下一步该向何处去？这本书教诲我们，科学中重要的五个字是“我们不知道”。由未知生发出的想象力、创造力和实证能力，在我看来，正是人类大脑的卓绝之处。
——马凌
复旦大学新闻学院教授
博士生导师、书评人

一部雄心勃勃的思想史。
——《自然》杂志

科布的博学和引人入胜的写作风格带我们踏上了一段迷人的旅程。
——《科学》杂志

如果你对神经科学一无所知，并且希望快速了解这门科学，不妨试试这本精彩的书。
——《科学美国人》杂志