Sunday, January 17, 2010

The Brain that Changes Itself

来自: 弱水三千

  首先,从这本书中学到了些关于人的神经系统的基本知识。我原有的关于人体神经系统的知识大概还都是中学时生理卫生课上学的。现在看来,中国的中学教育虽然内容过于繁重,但要不是有那时打下的各学科的基础,对很多人而言,以后还真少有机会接触那些领域的科学知识了。
  
  大脑的基本构造如此:cerebrum基本上就是大脑(大脑共分五部分,除cerebrum之外,另有脑干brain stem, 丘脑thalamus, 中脑mid brain, 和脊索spinal cord (还是大脑的一部分?)。Cerebral cortex是大脑皮质。Cerebrum是人体整个神经系统的最前端,分两个脑半球,每个半球又分为以下几个大区:
  
  frontal lobe,额叶,主管思维,其中又包括额前叶(prefrontal lobe);
  
  parietal lobe,顶叶,负责感知触觉、味觉及肢体运动;
  
  occipital lobe,枕叶,负责解读视觉信息;
  
  temporal lobe,颞叶,负责听觉、语言及记忆。颞叶中有海马状突起 (hippocampus),负责将短期记忆转化为长期记忆。Memento里头的男主角应该就是这个部位受损,因此无法将短期记忆转化成长期记忆,因而也就无法形成有效记忆,记住任何新的东西,但已经变成长期记忆的内容却不会受损。神经医学史上最著名的一个病例就是一个叫HM的病人,因为有羊癫疯,医生便将其两个hippocampi 都切除,之后他便无法记住任何新东西。
  
  除此之外,还有关于神经细胞的一点基本知识:神经细胞分三部分:细胞本体、树状突起(dendrites),和轴索(axon)。一个神经细胞的轴索与另一个神经细胞的树状突起相邻,但并不直接接触,而是其间有个叫触处(synapse)的空隙。当一个神经细胞的树状突起受到刺激时,其轴索可通过释放neurotransmitter,而将刺激通过触处传递给相邻的其他神经细胞的树状突起,从而如接力般,将信号在整个系统内传播。另外,neurotransmitter主要有两种,一个是dopamine (多巴宁,其作用是使人感到舒适、满足,是对人行为的奖赏), 一个叫acetylcholine(乙酰胆碱,使大脑更敏锐)。
  
  传统的关于大脑及人的神经系统的理论有两个核心观点。第一是 localization,及我们常听到的关于大脑不同部位负责不同功能的分区理论。正因为如此,大脑某个部位受损,便会导致某个功能的丧失。这一理论的建立又涉及到神经医学上另一个著名的病例,Paul Broca 研究的代号叫 Tan的病人(此君中风后便口不能言,只会发出tan tan tan的声音,故得此雅号)。他死后,Broca 把他的脑壳切开来一看,发现是左额叶受损,此后此区域便被称为Broca’s area,被认为专管支配口舌的运动而使人能够说话。(另有一个Wernicke’s area,被发现是负责理解语言。)传统的理论还认为,大脑中的额叶是负责运动(motor)功能,而其他的三个部分则负责感知(sensory)功能:顶叶管触觉与味觉、枕叶管视觉、颞叶管听觉(嗅觉在哪?)。各项功能在大脑皮层上的分布可以通过测量大脑在进行某个特定活动时脑皮层上电流的变化而画出个 “脑地图”来。而且还有个发现就是,身体上相邻之部位(比如说一个手上的五个指头),在大脑皮层上对应的功能区域也相邻。
  
  第二个核心观点是大脑的机械性,也就是说,大脑象一个精密的机器,比如说时钟,环环紧扣,各司其职。一切正常时,那是天衣无缝,巧夺天工,可要是一个零件出了问题,便必有一个功能受损,而且因为各个部位都各司其职,自然也就没有哪个候补队员能接替出了问题的部位。再加上神经细胞只会死,不能再生,所以,大脑没有可修复性。于是,Tan同志的左额叶一旦受损,便再无说话之能力了。
  
  而此书的主旨、其所介绍的神经科学方面的新发展,则正是对此传统理论的突破。其书名便是对这一新理论的概括:大脑可以改变自己、也可以修复自己。这首先是对分区理论的否定。这并不是说大脑在功能上不分工,分工是有的,但此分工,一不是不可逆、不可变的,二也不是人人一致的。比如说一个手指如果断了,其原来所对应的大脑皮层区域接受不到其信号了,但此区域并不是被闲置,而是会被利用起来处理其他(比如说相邻的两个手指)的信息。分区理论一突破,对大脑的机械性的认识也要随之而改变,取而代之的是把大脑看作一个有适应能力、能自我修复、能与生存环境互动的有机体。这一定程度上可以说是从西方文化中注重局部与分工的认识论向东方文化中注重整体与协调的认识论过渡。基于如此之认识,关于大脑功能便有以下之原则:
  
  一、用进废退,use it or lose it;因此,各种大脑功能之间存在着一种竞争关系,当一个功能不常用时,被闲置的细胞便会被用来做另一更常用之功能,从而强化后者而弱化前者。这也可以被进一步阐述为下面的路径依赖与第四条。
  
  二、路径依赖,即书中所谓之neurons that fire together wire together;
  
  三、活到老,学到老:人脑的plasticity从摇篮到坟墓都一直有,而且年纪大了更有必要通过脑力活动保持健康。要保持大脑的可塑性,重要的就是要学需要集中注意力、将精力全力以赴来从事的事情,比如说学外语。当注意力高度集中时,大脑内负责集中注意力和记住所经历的事情的nucleus basalis (下橄榄核)又被激活,dopamine 及acetylcholine 生产也被开动起来,而没有这几样东西的活跃,大脑的可塑性也就丧失。这一点解释了我为什么在过去这两三年中曾觉得,智力在下降,注意力难以集中,什么要动脑子的事情,做了不到十分钟,就不由自主地想找些轻松好玩的事情来分散一下注意力(比如说上个网什么的)。就是因为我长期没有高强度地集中注意力、学新东西,逐渐我的nucleus basalis 便在萎缩,而我也因此而变得更没有能力集中注意力、进行深入而持久的思考了。而最近一段时间以来,因为进行了象写作这些笔记这样、需要集中注意力、认真理解记忆的脑力活动,nucleus basalis又被激活,便又觉智力好象又恢复了一些。
  
  四、东边不亮西边亮:这是我的总结,有两层含意,一是指下面将要提到的sensory substitution,即以一种方式无法感知时(因失明而无法看到三维的世界),大脑可以学会用另一种方式感知(将听觉及触觉信号解读成三维的视觉信息);另一层含意是,如果大脑的某个区域没有做本该做的功能(比如因失明,而视觉感知区域没有视神经传来的信息可处理),那么它会被用来处理其他的信息(比如说听觉或触觉)以应对生活的需要。
  
  书中所举之种种例证,基本都是在说明大脑的可塑性─neuroplasticity─这一道理。第一章中讲的是一个因内耳前庭受损(就是因为吃多了庆大霉素gentamicin!我便对此物过敏,还好没被庸医所误),而完全失去平衡能力和感知肢体位置的能力的女子。此一类病人被称为 wobbler,患者无法站立、无法行走,总觉得自己在往下坠落,任何其他的事都难以注意,多以自杀告终。医生给她尝试了一个创新的治疗方法,就是在她舌头上安一个传感器,头上再带一个能感知头部在三维空间中位置变化的头盔。这样,头部的任何运动都被这个头盔传到舌头上含有多个微电极的传感器上,并被转化为对舌头不同位置的微电流的刺激,从而使大脑负责感知触觉的部分接受到这些信息,并依此而对身体(头部)的位置进行解读和判断。有了这一仪器的帮助,病人重新获得了平衡能力,而且在每次使用此仪器之后,都有一个残留效应,也就是在关闭仪器后,仅凭自身能力亦能保持平衡,而且残留效应的时间越来越长。也就是说,在病人的平衡系统被破坏之后,这一仪器使她的大脑学会了通过舌头上的触觉来感知和维持身体的平衡。大脑的这一功能被称作sensory reassignment 或 sensory substitution。
  
  其实这一现象早就在残疾人身上被注意到。我以前就常为纸币上为盲人所设的小点所困惑,因为以我的触觉根本无法分辨出不同纸币上的点有何区别,甚至找不到点在何处。为什么盲人能触摸到呢?盲人不仅触觉比常人发达,听觉更如是。而其发达的听觉和触觉并非天生的,而是后天获得的。视觉正常的人,只要蒙上眼睛生活几天,便也会很快就获得更敏锐的听觉和触觉。为什么?就是因为原来负责解读视觉信息的脑皮层,因为失明而被闭置,而同样因为失明,通过触觉和听觉传来的信息大为增加,大脑需要有更多的资源来处理这些现在变成了对生活至关重要的信息。于是原来负责触觉和听觉部分的神经细胞便向视觉区域延展,占领那边空出来的地产,扩展自己的功能。这也就是为什么很多说唱艺人是盲人的原因:因为失明而失得他们的听觉记忆作为补偿而变得尤其发达。
  
  从构造上说,大脑皮层(cerebral cortex) 的各个领域并非只能完成某一特定之功能,因此人的各种感觉从根本上来说是可以互相转化的,也就是说,皮肤所感知的触觉信息可以由大脑皮层中解读视觉信息的部分来解读成视觉信息(三维的空间与物体及物体的运动);而人眼所感知的光的信息可以由大脑皮层中解读听觉信息的部分来解读,并转化为听觉,等等。因此,一部分大脑受损,其原来所担负的功能可以通过训练而转由大脑皮层其他部分来完成。比如说中风后肢体不遂的病人,通过锻炼失去控制的肢体,能使大脑恢复对那些肢体支配功能,从而重获运动能力。
  
  书的第二章讲述一个有先天性大脑缺陷的女人如何通过各种智能练习来重塑其大脑的思维能力。其所创办的Arrowsmith学校已成为在为有学习障碍的儿童提供特殊教育方面成为开拓者。其实,推而广之,每个人都有某种程度和形式的大脑功能障碍或不足,聪明如敝人者,亦不能如卡斯帕罗夫那样,同时下几十盘盲棋。所以,因为大脑有可塑性,每个人便都可以通过健脑运动来改善自己的智力。书中提到很让我庆幸之一点,即传统教育模式下所强调、但被现今之所谓素质型的新式教育所摒弃的一些功课,其实对智力的开发有莫大的好处。比如说,背诵诗文(最好还是外语)和练习书法。我也曾懊恼过,小时候花那么多时间,背了那么多古文唐诗还有政治教条,还练了那么些年的毛笔字,如今有何用呢?还不如学个吹箫唱曲什么的,要娱乐时还能应个景。其实,这都是开发智力的手段。背诵诗文锻炼了听觉记忆力,书法锻炼了手眼协调能力,两者还都强化了语言能力:对语言的记忆、对符号的理解。在美国就有证据显示,今日之美国人比起十九世纪林肯时代,在语言能力方面已明显下降,传统意义上的雄辩家,今天已踪影难寻,即使是以雄辩的政客也往往要依赖teleprompter 和powerpoint。
  
  第三章讲的是Michael Merzenich等人从事的一系列的推翻大脑localization的研究,其中好两个是得了诺贝尔奖的研究。其核心就在于说明了大脑皮层功能的分区是灵活可变的。说白了,大脑皮层就如空白的地皮,大概的规划本来是有的,这儿盖商场、那儿盖家属楼,但如果一幢房子倒了,要在原处盖上别的楼也是完全可以的。Merzenich等人的另一个重要发现是关于为什么身体相邻部位所对应的脑皮层区域也会相邻,原来,这是因为相邻部位也经常一起运动(比如说两个相邻的手指),其所传递的刺激信息先后到达大脑皮层时,因为要先后传递,从而使其所对应的神经细胞也形成在了相邻的皮层区域。
  
  第四章讨论的是一个很有趣的问题:性取向与情爱的形成在大脑中的生理过程及与大脑的关系。大脑可塑性的一个很好的展示,就是人的性取向可以通过有计划地刺激,而发展成千奇百怪的样子。我一直觉得西方和日本有些实在令人无法理解且让人作呕的性取向、性爱好。我本来以为是文化的原因,但现在看来,更主要的还是大脑的可塑性使然。只要有一个色情工业对其受众加以培养,无需多少时日,中国人也会如日本人一样变态。同样,人类的在感情上的取向也是可塑、可变的。今日之男女一直受爱情小说之教育,便以为男女之爱是天经地义、亘古不变,其实现代意义上的男女爱情也是现代的产物,以前的男女之间的感情、以及人们对其之态度,与今日并不相同。如我在他处所论,这一点在中国尤其如此。
  
  此章中讨论到对pornography上瘾的问题。所有上瘾的行为,从吸毒到网游,说到底都是在进行这一行为时,大脑释放多巴宁,使人感到愉悦,同时也觉得能量骤增、兴奋。这就是为什么在跑步比赛结束后,获胜者兴奋得上窜下跳,精力充沛,还能批着国旗绕场一周,而失败者因为没有多巴宁的释放,顿时委地不起、口吐白沫、四肢冰凉……因为上瘾的行为能触发多巴宁的释放,而其释放又在强化这一行为所涉及到的神经联系,久而久之,这一系列的神经联系形成了固定的线路,大脑就如同定了型,这一行为也就成了瘾。从神经生理上来看,恋爱其实也是一个上瘾的行为,得之则欲仙,失之则欲死,皆因多巴宁在作遂。而此类之上瘾之行为或物质,久用之后,大脑都会对其产生抵抗性(tolerance),也就是说,需要有越来越大的剂量才能触发大脑释放多巴宁,而获得愉悦的效果。这一点在男女关系中亦可发现:相爱之人久处之后也会产生对对方的抵抗性,于是任如何亲近也得不到初恋时的那种激动。多巴宁是要喜新厌旧的,要把熟悉的东西变出新花样来,兴奋感才能重新回来,所以才有小别胜新婚。
  
  说到此处,还从书中知道,大脑中有两套产生愉悦的神经机制。一是基于多巴宁的,产生的兴奋感,提升人的兴奋度。当人对美食美色产生欲望时,获得的是这种感受。而另一种则是基于endorphins(内啡肽)的,产生的是满足感,而且还能让人不觉得疼痛,是当人得到了美食美色时的感受。
  
  此章中还论及性虐待(sadism & masochism) 倾向的形成。一般来说,将身体的受虐与性快感联系起来的人,都在年幼时经受过长期的病痛的折磨,这种无可逃避、无法战胜、又难以忍受的病痛使得他们只好用一个办法来与之共存:精神胜利法,也就是通过白日梦式的想像,将病痛转化为性快感,而当自己从病痛中获得性快感时,才终于觉得战胜了这个病痛(pain was made pleasurable)。当然,其后果就是,在这一人体发育的关键时期所确立下来的这种肉体的痛苦与性快感之间的联系,使得其成年之后成为了 masochists。书中所举的一个自称为supermasochist 的Bob Flanagan的故事颇是触目惊心。Masochists 并不是感觉不到疼痛,恰恰相反,他们需要的就是疼痛的感觉,因为唯如此才能使其获得性的愉悦。大脑的可塑性竟如是。
  
  书的第五章讲中风造成大脑损伤后,因为大脑的可塑性,如何可以恢复大脑功能。其中最有趣的是Edward Taub 的故事。Taub是这个领域的开创者,他通过在猴子身上做实验而发明的constraint-induced therapy,为中风后的恢复提供了有效的手段。这一治疗手段的核心就是强制病人使用因中风而无法使用的肢体部分。人之所以中风后会有比如说一只手不能动,是因为原来指挥它的大脑部分受损,人体在尝试原来的神经联系,却屡次无功而返之后,便“学会”了不再使用那一肢体部位 (learned nonuse)。而其实,因为大脑的可塑性,只要强制使用这一肢体部位,大脑会开发出新的皮层区域来指挥其行动,从而恢复肢体功能。
  
  Taub 有两个极有趣的实验。他先是将猴子一支手臂的传入神经切断(deafferentation,不影响从大脑向手臂传出指令的motor nerves),然后却将另一支好手用石膏固定,使猴子不得不使用传入神经被切断的手臂,结果发现猴子很快恢复了受损手臂的运动。接下来,他又切断另一批猴子们一支手臂上的传入神经,但这次不是把好手固定住,而是将受损的手固定住,这样猴子根本没有机会知道那支手臂的神经被切断且不能运动。过了三个月的恢复期之后,他把石膏打开,结果发现,猴子们因为没有机会“学会”不去使用受伤的手臂,它们同样也很快就恢复了受伤手臂的运动功能。但Taub一生的不幸就出在他的那些猴子身上,因为这些猴子,因为他又碰巧撞上了PETA这个邪恶的组织,Taub 被弄得冤案缠身,一度身败名裂,成了当时最为人所痛恨的科学家。
  
  这里要讲讲因打倒Taub 而一战成名的PETA (people for the ethical treatment of animals)。PETA由DC的两个年轻人于80年代初成立,其所谓的对动物的热爱其实是偏执与狭隘。它反对养宠物,认为这是奴役动物;反对以任何形式把动物用在任何目的的试验之中;反对食用牛奶、蜂蜜等,认为那是对动物的剥削。PETA今日已成将动物保护主义极端化和异化的首恶。而确立其地位的第一战就是其创始人之一的Alex Pacheco 打入Taub 实验室内部,然后以不正当手段将Taub 的17只猴子“营救”出来,并诬陷Taub 虐待猴子。因此一事,Taub 失去了工作,NIH决定再不给他任何研究基金,没有哪个学校敢雇他,而他则不得不花了之后六年的功夫打官司,总算一点点澄清事实、恢复了自己的名誉。而那些猴子却在PETA的手上饱受折磨,被关在铁笼里长途运输,然后象烫手的山芋一样被不同的机构踢来踢去,谁也不敢管,最后只能被安乐死。
  
  第六章讲obsessive compulsive disorder,无甚可提之处。第七章讲痛觉。很多人在被截肢后,会仍然感觉到截肢的存在,且往往会感到疼痛,而且这是根本无法治愈的疼痛─肢体都不在了,从何治起? 知道大脑的可塑性、有了Taub在猴子身上做的那些试验后,现在人们才发现,这都是大脑皮层中对应所截肢体那块区域产生的问题。首先,如前所说,当这一块区域不再能接收到从所截肢体传来的刺激后,它会被相邻区域里的神经细胞占领,用来处理其他肢体部位传来的刺激,而在人的感觉上却觉得,仿佛还是被截的肢体传来的感觉。其次,被截肢者如果在截肢以前,该肢体有过一段时间的病痛和无法行动,这种病痛被记录在大脑所对应的皮层区域里,而截肢之后,大脑与此肢体再无法勾通,原来留存的感觉便再也不能被更新,大脑里记录下的疼痛与僵死的感觉便挥之不去了。US San Diego 的Ramachandran 想出了一个奇特的办法来治疗这种幽灵般的疼痛。他用一面镜子,使患者同时看到尚存的一支手臂和其镜像(恰好能替代被截之手臂,但如果是双臂被截就没办法了),然后看着两支手臂的运动来迷惑患者的大脑,让它以为又可以与被截之手臂沟通了,并因此而改写封存在大脑中的关于这支手臂的疼痛与僵死的记忆。
  
  这里还提到一个与我所知的完全不同的对人的痛觉的理解。我的理解还是传统上的认为痛觉是由客观的、外在决定的,然后由身体各处的神经传递到大脑然后才感知到的。而现在新的理论认为,在痛觉向大脑的传递过程中有多个的阀门,大脑可以有选择地关闭或打开这些阀门,而决定痛觉是不是被感知到。
  
  第八章讲大脑的空想的作用。大脑在想象时,就在影响、改变神经细胞之间的联系,因而改变大脑皮层的物理结构。所以,即便是一种肢体的动作,比如说写书法、弹钢琴、打高尔夫球,只要通过反复在头脑中练习、反复想像这一过程,使大脑在神经联系上为这一动作打下基础,便也会有助于熟练这一动作。其他智力活动,比如下棋、算数更是如此,越练越灵。所以,卡斯帕罗夫也不是一生下来就能下几十盘盲棋(当然,太笨了也不行),而是因为反复的练习,才使得他处理这个思维过程的能力越来越强。对于大脑而言,实际上做一个动作与仅仅是想象一个动作,在生理过程上并没有太大的差别。
  
  第九章以大脑的可塑性来解释心理分析为什么能有用。内容比较繁复,此处不详述。要点在于,人的经历(尤其是童年时的经历)都会在大脑中留下痕迹,在一组神经细胞之间建立联系。因为时间久远,或因为自己有意识的压制(比如说对于痛苦的回忆),这些痕迹和联系被隐藏到无意识中,在意识层面往往不能再回忆起其存在,人便以为已经忘记那些经历了。然而这些痕迹与联系仍然存在,而且往往会被不经意地触发,比如说看到某人某事,因而触动某种情感。而心理分析所做的,就是通过谈话、催眠、析梦等方法来找到无意识中被掩埋的这些神经联系和神经过程,把它们放到有意识层面来、放到台面上,唯如此才能改写这些过程 (弗洛伊德所谓的retranscribe),重新建立新的过程。
  
  第十章讲老年时大脑的可塑性。第十一章讲了一个生下来只有右半脑的女孩的例子,正因为大脑有可塑性,她的半个脑子也能学会应对很多原本以为只有左半脑才能做的事情,虽然不无缺陷。更有趣的是,因为左半脑主司逻辑思考、抽象概念及语言,它对右半脑的更直觉的功能其实是有压制的,好似弗洛伊德所说的自我对本我的控制。而一旦如警察般的左半脑没有了,或被抑制了,右半脑的天才反倒发挥得更出色。这个小女孩就有过目不忘的记忆力,尤其是对具体的形象。前两天晚上看House的第三季,其中有一集就是讲一个男生,小时候出了个车祸,结果突然间反倒成了个钢琴的天才,但生活却不能自理了,无法理解语言中的逻辑。这就是左半脑受伤,但右半脑却得了自由。另外,有人发明了一种学习绘画的方法,就是通过压制左半脑,而使右半脑得以更好地发挥。想来这大概也是西方的诸多画家、音乐家都有些疯癫(最典型如凡高),乃因为右脑太发达,而左脑弱势,不会控制自己、行事无逻辑。所以疯癫与天才一线之差矣。
  
  书的附录中讨论了文化如何塑造人的大脑及基于大脑的思维、认知与情感过程。知道了大脑的可塑性之后,这是个很自然的推论了。因为从小使用大脑的方式就不同,不同文化中成长的人在大脑的生理结构上也不一样,从而决定了在思维方式上也有根本的不同。这更证明我所认为的,非我族类,其心必异。这方面有些有趣的例子,比如说书中说到的缅甸的sea gypsies,这个族群的人几乎在海上渡过一生,于是,世代以来,他们已经具备了一些看来是超人的本领,比如说潜水到二三十米的深海找寻食物或珍珠,在水中将心跳减速以停留常人两倍以上的时间。更有甚者,他们能在水下不用眼镜而不受水对光线折射的影响,看清楚物体。而他们之所以能做到这一点,竟是通过在黑暗的水下,不是如常人一般放大曈孔,而是将曈孔缩小百分之二十。
  
  于此书中所获教益甚多,简单地说有如此两条最紧要:一、多用脑,尤其是要多学新东西;二、扬善抑恶,善习与恶习总在竞争大脑里的地盘,此消彼长,再加上大脑使用上的路径依赖,使得任何一次恶习的发生都有严重的后果。

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