人人都该懂的脑科学 9787557686642

为什么我们需要脑

如果脑简单到能让我们理解，我们的思维就会简单到不能理解脑。

莱尔·华特森（Lyall Watson）

对人类来说，思想和智慧一直都很重要，且被认为是人类存在的本质。笛卡尔曾在1641年写下“我思故我在”，然而直到近些年，我们才把脑看作思想、理性、情绪和存在之源。如今，脑与我们自身紧密地联系在一起，在许多国家，脑死亡才是一个人真正死亡的标志。

伟大的创世故事中，在有光之前，首先存在的是拥有智慧的头脑，因为宇宙的设计和创造需要足够的智慧。而在现代科学版本的故事中，我们相信智慧的头脑是后形成的事物之一，因为如此复杂的事物只有经过数百万年的进化才能产生。无论是哪种情况，智力（脑）都拥有特殊的地位。

脑是目前我们已知的复杂的存在，它是化学和电的能量所，以一种完美的定位方式向需要能量的部位传递信息。这个柔软的、呈灰色的、约1.35 千克重的器官，不仅是我们体验和操纵世界的部位，也是我们控制呼吸、体温、血压和激素的部位。其数以十亿计的神经元中，每一个都与成千上万的神经元相联系，这便是脑的本质。要让这些细胞完好地存活，不仅需要身体其他部位提供大量复杂的支持，还需要一个完整的生命保障系统。为了保护脑免受外界影响，它被包裹在膜中，被浸泡在减震液里，外部还覆盖着非常坚硬的骨骼外壳。

然而，对于回答“为什么我们需要脑”这个简单的问题，这些描述仍然不够。许多生物在没有脑的情况下也能生活得很好，甚至有些生物只是某种微不足道的神经纤维集合。在本书中，我们将尝试回答这个问题，同时解释脑是由什么组成的，这些组成部分是如何组合在一起的，脑是做什么的，以及脑是如何运作的。

现代医学将关于脑的问题分为两类：神经病理学问题和精神病学问题，这两类问题分别对应神经系统疾病和精神疾病。这些学科试图解释经验、行为、感觉、运动和言语中出现的失调现象，并将它们与神经系统相关区域的物理、化学或电信号的紊乱联系起来。我们的祖先对这样的联系并没有建立足够的认识。例如，他们认为癫痫是由恶魔控制所导致的，幻听可能是因为上帝在说话，等等。很多人始终坚信脑有另外一种能力：精神力量或超自然力量。对脑的这些方式进行思考很重要，我们部分与生俱来的天性使得我们尝试对周围的世界归类并赋予其意义。甚至，现代物理学也认识到，有意识的生命进行的简单观察能够影响亚原子世界的行为。事实上，这就是量子理论的基石。这也给我们带来了一个棘手的问题：意识。

什么是意识？意识是如何产生的？人在睡眠中有意识吗？人死了之后还有意识吗？这些问题困扰了人类数个世纪，我们将在本书进行讨论，并试图找到一个具有现代意义的答案。

富有想象力的脑把人类同其他动物区分开来。而一些研究表明，人类与它们也许并没有太多的不同。在本书中，我们想要表明，人脑很特别，也令人感到很不可思议。尽管我们对它已经有了深入的了解，但是依然有很多东西需要我们进一步探索。

首先，我们来回顾一下，看一看人们是如何认识到脑是一个重要器官的。

• 人类对脑的认识经历了怎样的发展？

为什么说神经系统的发展反映了人类进化的历程？

为什么说人的行为和反应倾向都是被预设好的？

为什么天生失明的人也能对事情做出恰当的表情？

为什么有人试图用量子物理学来解释意识？

为什么人在生病的时候更难以忍受疼痛？

为什么很多盲人能够以视力正常的人的速度工作？

为什么说语言是人类独有的技能？

为什么说边缘系统使人类从所有动物中脱颖而出？

……

• 我们的所有行为以及所思所想都是在脑的控制下产生的，脑就是理解人类行为的一把钥匙。从早期的颅相学用颅骨的隆起来评价他人，到如今的脑成像技术能够清楚地看到脑的各个部分；从还是一个胚胎时的渺小，到发展出脑复杂的世界；从意识、记忆、情绪、睡眠、运动、感觉等方面，到对永生的追求与推测，本书涵盖了有关脑科学的方方面面，用简单有趣的语言为你呈现了整个宏大的脑内宇宙。可以说，本书是一本绝佳的脑科学入门书。
• 本书是湛庐文化重磅推出的“新核心素养”系列图书之一。“新核心素养”系列致力于推广通识阅读，扩展读者知识广度，培养批判性思考的能力，涵盖哲学、心理学、法律、艺术、物理学、生物科技等诸多人文科学和自然科学领域的读本。

[英]阿马尔·阿尔查拉比（Ammar Al-Chalabi）

• 伦敦国王学院医院的神经学名誉顾问，伦敦国王学院精神病学研究所高级讲师。

[英]马丁·特纳（Martin R.Turner）

• 牛津大学约翰·拉德克利夫医院的神经学注册医师，牛津大学格林学院的临床导师。

[英]沙恩·德拉蒙特（R. Shane Delamont）

• 伦敦国王学院医院的神经学家专家顾问。

三位作者都有教授神经科学的丰富经验，而且他们的专业领域涵盖了当代脑科学研究的所有主要领域。

前言    简单有趣的脑科学之旅

引言    为什么我们需要脑

部分  初始脑

01   脑科学研究的历史进程

古希腊思想家对脑的认识及其遗产

颅相学：通过颅骨的隆起来评判他人

19 世纪的科学家，用实验探究脑的功能

02   脑的进化：脑是如何形成的 

脑，逐渐发展出复杂性

脑是如何进化出来的

猿猴VS. 人类：为什么人类能成为社会赢家

脑容量和脑力：为“大”而战

03  脑功能的基础：神经元 

细胞结构：人体就像一座巨大的水下工厂

神经间的交流：将所有信号转化为电信号

神经网络：自然形成的互联网

脑与计算机究竟有什么区别

第二部分  从一个细胞发展成脑

04  脑的发育：神经系统的生长

从卵发育成胚胎

原条：形成头和尾

脊索：定义神经系统的时刻

神经管：迈向思想的步

神经管的分割：塑造脑的形状

脑的成熟化

05  脑的解剖结构：理解这个宏伟的设计 

大脑皮质：当之无愧的智力中心

脑的偏侧化与裂脑人

边缘系统：让你能嗅到恐惧!

基底神经节：使运动正常进行的润滑剂

小脑：保持平衡与协调的关键

脑干：通往外部世界的桥梁

自主神经系统：身体的自动驾驶仪

06  脑的支撑结构：脑生存所需的物质 

颅骨：保护脑免受损伤的外壳

脑脊液：为细胞提供环境

脑膜：对脑额外的保护

血管：必不可少的能量供应系统

第三部分  像“成年人”一样使用脑

07  学习“做人”：行为和推理能力的发展 

怎样习得恰当的行为

如何理解他人和外部世界

进化心理学与本能：与生俱来的反应与行为倾向

心智的多面性：人类的推理本能

08  意识：人之存在的终极奥秘

意识是在哪里产生的

经验：意识的基本单元

我们为什么要有意识

量子物理学与意识

09  记忆：过去存在的意义 

记忆的类型

记忆的神经回路和储存地址

当你的记忆迷了路

我们为什么能记住各种事实

一颗聪明药丸：如何改善记忆能力

10   睡眠：脑的就寝时间 

睡眠的神经机制

在你睡着之后，脑中会发生什么

我们为什么要睡觉

睡眠剥夺会对人产生什么影响

睡眠障碍

11  运动系统：所有动作和行为的基础

      运动系统是如何工作的

      平衡器官：被忽视的运动感受器

12   感觉系统：感受自我与世界的途径

没有感官就没有感觉

疼痛：可以不喜欢它，但不能没有它

如何从源头阻断疼痛

13   视空间系统：看见光明与色彩 

失明与脑：视觉皮质从未停止工作

眼睛的结构和视觉通路

视觉皮质：解释图像的部分

盲视：能看到运动的物体，却看不到静止的物体

联觉：当数字或声音有了色彩

顶叶：感觉“整合者”

14   语言、听觉和音乐：理解声音的意义

语言：符号的世界

听觉皮质：脑中处理语言的区域

听觉：从一只毛茸茸的“蜗牛”开始

音乐和脑：外部世界的音乐在内部奏起交响乐

15   情绪和边缘系统：人之所以为人的重要原因 

边缘系统的进化：使人类从所有动物中脱颖而出

情绪神经回路中的结构

颞叶癫痫：情绪无处不在

16   脑研究技术的发展：发现并诊断各种疾病

神经生理学测试：电刺激与反应

诱发电位：一边刺激，一边记录

脑电图：对脑电波的研究

电击疗法：在效果与道德之间寻求平衡

瓦达试验：麻醉脑的一半

脑成像：在空间和时间的维度上探究脑

17   衰老与死亡：长生不老的科学密码

脑死亡后，人会进入什么样的状态

修复脑：如何实现高质量的长寿

是什么阻止我们长生不死

仿生学：解决寿命问题的可能性方案

结语

附录  脑部及神经系统的相关数据

参考资料

致谢

译者后记

• 人类对脑的认识经历了怎样的发展？

为什么说神经系统的发展反映了人类进化的历程？

为什么说人的行为和反应倾向都是被预设好的？

为什么天生失明的人也能对事情做出恰当的表情？

为什么有人试图用量子物理学来解释意识？

为什么人在生病的时候更难以忍受疼痛？

为什么很多盲人能够以视力正常的人的速度工作？

为什么说语言是人类独有的技能？

为什么说边缘系统使人类从所有动物中脱颖而出？

……

• 我们的所有行为以及所思所想都是在脑的控制下产生的，脑就是理解人类行为的一把钥匙。从早期的颅相学用颅骨的隆起来评价他人，到如今的脑成像技术能够清楚地看到脑的各个部分；从还是一个胚胎时的渺小，到发展出脑复杂的世界；从意识、记忆、情绪、睡眠、运动、感觉等方面，到对永生的追求与推测，本书涵盖了有关脑科学的方方面面，用简单有趣的语言为你呈现了整个宏大的脑内宇宙。可以说，本书是一本绝佳的脑科学入门书。


• 本书是湛庐文化重磅推出的“新核心素养”系列图书之一。“新核心素养”系列致力于推广通识阅读，扩展读者知识广度，培养批判性思考的能力，涵盖哲学、心理学、法律、艺术、物理学、生物科技等诸多人文科学和自然科学领域的读本。

[英]阿马尔·阿尔查拉比（Ammar Al-Chalabi）

• 伦敦国王学院医院的神经学名誉顾问，伦敦国王学院精神病学研究所高级讲师。

[英]马丁·特纳（Martin R.Turner）

• 牛津大学约翰·拉德克利夫医院的神经学注册医师，牛津大学格林学院的临床导师。

[英]沙恩·德拉蒙特（R. Shane Delamont）

• 伦敦国王学院医院的神经学家专家顾问。

三位作者都有教授神经科学的丰富经验，而且他们的专业领域涵盖了当代脑科学研究的所有主要领域。

脑科学研究的历史进程

脑没有活动的部分：它不像心脏、肺或肠道那样能跳动、膨胀或收缩；也无法像肾脏能制造尿液、肝脏能分泌胆汁、脾能产生淋巴液那样产生任何物质；与皮肤或者骨骼也不同，脑没有显而易见的作用。但是，我们现在认为脑负责思想、情绪和自由意志。我们是怎样得出这种结论的？关于这一点，人们以前的看法又是怎样的？要回答这些问题，我们必须回溯历史，然后一步步从推理到结论，再到当下。进行这项任务之前，有三点注意事项。

，尽管关于思想和情绪的观点可以追溯到早有记录的文明，但我们对这些早期观点的认识建立在考古证据的基础之上，因此十分零碎。第二，医学研究史主要倚重来自西方的历史文献，所以我们不可避免地主要介绍这方面的观点。第三，在过去，人们对待动物和人体实验的态度与现在非常不同，因而书中描述的一些实验可能会让人感到不悦，甚至在今天几乎不可能被允许开展，特此说明。

古希腊思想家对脑的认识及其遗产

永远不要相信任何能够独立思考的东西，除非你看清了它把头脑藏在什么地方。

——《哈利·波特与密室》

关于“脑是所有器官中基本的器官”这一简单的观点，现在听起来可能相当浅显，但这一看似浅显的设想，是建立在过去200 年所获知识的基础之上的。在希腊哲学家之前，心脏被广泛认为是智力所在。古埃及学者希罗多德（Herodotus）在写木乃伊化（mummification）时记录到，当时人们在为心脏、肺、肝脏、胃和肠等器官做准备工作时异常谨慎，脑则被草草地从颅骨中挖出来。古埃及人把进出心脏的大量可观察到的连接作为心脏重要性的证据，同理，脑似乎就没有多么重要了。然而，也是在同一时期，有关脑的真实功能的篇文献的观点被古希腊人记录了下来。

这一时期，三位重要的哲学家主导着有关思想和情绪的观点，其中只有两位认为脑很重要。“医学之父”希波克拉底（Hippocrates）在《论圣病》（On the Sacred Disease）一书中写道：

人们应该知道，快乐、愉悦、欢笑、嘲笑，以及悲哀、痛苦、悲伤和眼泪……都是从人脑中产生的，而且只能从脑中产生。它同样也会让我们发疯或者神志不清，让我们无论昼夜都会感到恐惧与害怕，并让我们失眠、犯不该犯的错误、心不在焉、漫无目的地焦虑，以及产生一些违反习惯的行为。

希波克拉底还指出了脑回路的一个基本特性：一侧脑受损会导致对侧的身体缺陷。

哲学家柏拉图提出“生命原则”（vital principle）存在于脑中，它与脊髓共同负责控制“生命力”（vital force）。我们不妨引用他作品中的一段话：“复制一个圆球，将它比作宇宙，他们（上帝）将两个神圣的东西（眼睛）放在这个圆球中——如今我们称之为头，头是人体神圣的部分并控制着其他所有的部分。”

然而，亚里士多德认为，脑的功能是“冷却心脏”，不过，他也曾认为脑这一“冷却装置”可能与智力有关。他的“心脏中心说”是基于自己的观察，他发现在胚胎中，心脏是个发育的器官，且温度更高。于是认为这是器官参与生命过程的直接测量标准。他还注意到，鸡在头被砍掉后还能四处奔跑，这进一步证明，行动需要的是心脏，而不是脑。

多年来，一大批古希腊医学家逐渐将我们引向了“脑中心”的观点上。起初，斯特拉图（Strato）将柏拉图对“生命原则”初的定位限定到了两眉之间的额部。后来，色诺克拉底（Xenocrates）则将定位限定在头顶。随后，赫罗菲拉斯（Herophilus）对人体进行了全面的解剖，意识到脑（尤其是脑的基部）是神经系统的中枢，他甚至注意到了负责感觉的神经与负责运动的神经之间的差异。此外，他还发现了脑内的液体腔，即脑室，这为后来关于脑功能的“脑室定位学说”奠定了基础。

后，内科医生埃拉西斯特拉图斯（Erasistratus）提出，与其他动物相比，人类的智力高可能是由于人脑中拥有更多的褶皱。然而，尽管更多“脑中心”的观点已经开始发展，但亚里士多德关于脑只是一个美化的“空调机”的观点则一直持续到中世纪。

从公元3 世纪开始，一位解剖学家主导了所有的思想，他就是希腊医生兼哲学家盖仑（Galen）。在当时，所有医学院都会将他提出的解剖学概念教授给学生。他提出的“精神生理学”的概念描述了一种被称为“灵魂”（pneuma）的生命力，它与血液混合，传播到脑，然后被赋予“动物精神”。这种“动物精神”会控制脑、神经和思维。“动物精神”被存储在脑室中，通过空心的神经传递来产生运动和感觉。公元4 世纪的神学家、主教尼梅修斯（Nemesius）在他关于人的本质的著作中进一步阐述了这种观点，并提出了所谓的“脑室定位学说”：想象、智力和记忆的关键要素都位于脑室。

一千多年之后的1543 年，文艺复兴时期的解剖学家安德烈·维萨里（Andreas Vesalius）在解剖人体尸体的基础上，撰写了一份详尽的解剖学图册。这份图册挑战了盖仑的观点，并从此彻底改变了西方教授解剖学的方式。这份图册被称为《人体构造》（De Humanis Corpora Fabrica），描述了人脑的5 个脑室。

维萨里还把三种灵魂赋予人类，并认为脑包含“主要灵魂，即动物精神总和，其功能无疑是精神层面的”。他也是个发现脑灰质和白质之间