文匯報(bào)2019-8-18

曾經(jīng)有人提出過(guò)“水桶模型”,，認(rèn)為智力基因與后天環(huán)境就像兩根水管，同時(shí)向人類“大腦桶”里放“智商水”,，智商是兩者的綜合體現(xiàn),。 但腦科學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，先天基因應(yīng)該是水龍頭,，后天環(huán)境才是引出“智慧之水”的水管,，后天環(huán)境培養(yǎng)對(duì)于大腦智力的形成具有決定性作用。

你的聰明才智從何而來(lái),？

蒲慕明

    現(xiàn)代科學(xué)告訴我們,，人類的智商由基因和環(huán)境因素共同決定。然而,，先天遺傳和后天培養(yǎng)哪個(gè)更具決定性,？?jī)烧弑戎馗髡级嗌伲?/p>

    人類大腦具有強(qiáng)大可塑性。它是如何學(xué)習(xí)的,？神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)如何工作,？諸如意識(shí)的生物學(xué)基礎(chǔ)、記憶的儲(chǔ)存與恢復(fù),、人類的合作行為等問(wèn)題,，都是備受關(guān)注且未被解決的重大腦科學(xué)問(wèn)題。這需要我們對(duì)大腦進(jìn)行更深入的研究,。

       腦科學(xué)現(xiàn)在所處的發(fā)展階段,，相當(dāng)于20世紀(jì)初的物理學(xué)和化學(xué)。顯然,，在未來(lái)的生命科學(xué)發(fā)展中,，腦科學(xué)將是一個(gè)很重要的領(lǐng)域——不僅本世紀(jì)、甚至下個(gè)世紀(jì),，它依舊會(huì)是生命科學(xué)的前沿,。

       大腦中的信號(hào)

       電脈沖與化學(xué)分子的“接力跑”

       大腦與其他器官最顯著的差別在于細(xì)胞形態(tài)，神經(jīng)元之間通過(guò)脈沖電信號(hào)和化學(xué)分子的釋放來(lái)傳遞各類信息,，由此構(gòu)成一個(gè)龐大的通信網(wǎng)絡(luò),。

       大腦僅重1.5千克，卻是人體最重要的器官,，也可能是宇宙間最復(fù)雜的物體,。在腦組織外部，包裹著一層略顯丑陋的灰色皺褶,，這就是大腦皮層,。這些皺褶是人類所獨(dú)有的,，人類的智慧就藏在其中。

       大腦和其他器官有什么不同,？最明顯的一點(diǎn)可能就是細(xì)胞形態(tài)的不同,。大腦里面有兩類細(xì)胞，一類是神經(jīng)元細(xì)胞,，還有一類是膠質(zhì)細(xì)胞,。其中，神經(jīng)元細(xì)胞多達(dá)一千億個(gè),，大約相當(dāng)于銀河系中的恒星數(shù)量,。這些神經(jīng)元細(xì)胞有著很多非常特別的“觸手”，這些“觸手”被稱為突觸,，有的甚至長(zhǎng)達(dá)幾十厘米,。通過(guò)突觸，神經(jīng)元細(xì)胞之間可以相互連接,，通過(guò)脈沖電信號(hào)和化學(xué)分子的釋放來(lái)傳遞各類信息,，由此構(gòu)成一個(gè)龐大的通信網(wǎng)絡(luò)。

       目前,，科學(xué)家所了解到的大腦中信號(hào)傳遞的方式有兩種,，一是電脈沖，二是化學(xué)遞質(zhì)釋放,。

       神經(jīng)細(xì)胞中所傳導(dǎo)的電信號(hào)，并不像電線傳輸電能那樣,，靠電子流動(dòng)來(lái)傳導(dǎo),。大腦中的電波傳導(dǎo)是由跨過(guò)細(xì)胞膜的離子流動(dòng)產(chǎn)生的——陽(yáng)離子從外面流入細(xì)胞內(nèi)，造成了電位波動(dòng),。1毫秒,、100毫伏，就是神經(jīng)電信號(hào)的單元電脈沖強(qiáng)度,。這種波動(dòng)不斷向前推,，其推動(dòng)速度比電子流的速度慢很多，每秒鐘只有幾百米,。當(dāng)電信號(hào)到達(dá)兩個(gè)神經(jīng)元細(xì)胞的交接處時(shí),，電信號(hào)再次轉(zhuǎn)變成跨膜的離子流動(dòng)，釋放出化學(xué)分子,，去打開另一個(gè)細(xì)胞膜上的離子通道,。當(dāng)離子進(jìn)入下一個(gè)神經(jīng)元細(xì)胞后，化學(xué)信號(hào)又轉(zhuǎn)變成電信號(hào),，向下一環(huán)節(jié)傳導(dǎo),。

       這是一種非常好的信息整合機(jī)制,。不過(guò)，由于大腦內(nèi)神經(jīng)元數(shù)目眾多,，且每個(gè)神經(jīng)元的電路模式,、信號(hào)編碼模式、信息處理方式都不相同,，要真正理解大腦這個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng),，科學(xué)家還有很長(zhǎng)的路要走。

       大腦在思考

       猶如不間斷的絢麗煙花秀

       人類大腦中,，思考隨時(shí)在發(fā)生,。可當(dāng)人睡覺的時(shí)候,，哪些神經(jīng)元在工作,？它們做了些什么、怎么做的,？這些都還是未解之謎,。

       科學(xué)家通過(guò)觀察全透明的斑馬魚幼魚，清楚觀測(cè)到了斑馬魚腦細(xì)胞內(nèi)的信號(hào)發(fā)生,、傳遞的過(guò)程,。

       實(shí)驗(yàn)人員用對(duì)電活動(dòng)敏感的熒光蛋白標(biāo)記出斑馬魚幼魚的神經(jīng)元細(xì)胞，這樣就可以通過(guò)熒光發(fā)光的強(qiáng)弱,，來(lái)判斷神經(jīng)元電活動(dòng)的強(qiáng)弱,。當(dāng)研究人員用一個(gè)閃光進(jìn)行刺激，斑馬魚就會(huì)甩尾并企圖逃跑,。中國(guó)科學(xué)院神經(jīng)科學(xué)研究所杜久林研究員研究組發(fā)現(xiàn),，一個(gè)簡(jiǎn)單的閃光信號(hào)可以激發(fā)斑馬魚腦中上萬(wàn)個(gè)神經(jīng)元同時(shí)活動(dòng)——這些電信號(hào)同時(shí)工作所激發(fā)的熒光，就像是在大腦里上演了一場(chǎng)絢麗的“煙花秀”,。有意思的是,，就算沒有閃光信號(hào)，斑馬魚的神經(jīng)元電活動(dòng)也很豐富,。所以,，斑馬魚的腦組織其實(shí)一直在傳遞著各種信息。由此可以推想,，人類大腦中神經(jīng)元更是一刻不停地在工作,，思考隨時(shí)在發(fā)生。

       大腦在思考什么,？信息分析處理工作如何進(jìn)行,？神經(jīng)科學(xué)家希望從宏觀、介觀、微觀三個(gè)層面來(lái)層層推進(jìn),，深入了解,。

       了解腦的宏觀層面，科學(xué)家主要運(yùn)用核磁共振腦成像（MRI）和正電子斷層顯像（PET）等手段,，將研究視野深入到厘米或毫米尺度,。在這個(gè)尺度上，我們大致可以看到各個(gè)腦區(qū)整體的電活動(dòng),，以及大型神經(jīng)束在各腦區(qū)之間的走向,。

       在微米尺度上，通過(guò)光學(xué)顯微鏡成像,，科學(xué)家可以了解每一個(gè)神經(jīng)細(xì)胞如何跟其他神經(jīng)細(xì)胞進(jìn)行連接,、傳送信息，在執(zhí)行各種功能時(shí)又是怎樣活動(dòng)的,。這就是介觀層面的腦圖譜研究,，也是當(dāng)下神經(jīng)科學(xué)發(fā)展的關(guān)鍵點(diǎn)。它能幫助科學(xué)家理解大腦網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的形成與工作原理,。

       有神經(jīng)科學(xué)家做了一項(xiàng)非常有趣的工作,，將一個(gè)神經(jīng)元細(xì)胞的所有突觸，完整地在全腦范圍中展示了出來(lái)——一個(gè)神經(jīng)元細(xì)胞如同一棵枝葉繁茂的樹,，其枝丫跨越了好幾個(gè)腦區(qū)?，F(xiàn)在神經(jīng)科學(xué)家已經(jīng)能完整地展示少數(shù)神經(jīng)元細(xì)胞的全腦神經(jīng)連接圖譜。

       而空間分辨率達(dá)到亞微米到納米尺度的微觀研究,，則需要電子顯微鏡的幫助,，現(xiàn)在的科研水平可以獲得這樣的影像，但所獲得的信息量太大,，還很難分析出有意思的規(guī)律,。

       上述所研究的還只是大腦的結(jié)構(gòu)圖譜。大腦神經(jīng)連接的電活動(dòng)狀態(tài),目前還只能在宏觀層面用核磁腦成像儀來(lái)觀測(cè),，不能解析各種神經(jīng)環(huán)路的活動(dòng)規(guī)律。當(dāng)人睡覺的時(shí)候,，也就是大腦處于靜息態(tài)時(shí),，哪些神經(jīng)元在工作？它們做了些什么,、怎么做的,？這些都還是未解之謎，也是神經(jīng)科學(xué)研究中的重大問(wèn)題,。

       大腦的可塑性

       賦予人類適應(yīng)環(huán)境更多可能性

       大腦皮層中,，掌管手掌、手指、臉部的腦區(qū)面積,，遠(yuǎn)大于主管腿部,、手部的面積。同樣主管左手手指感覺的腦功能區(qū),，弦樂手比非弦樂手的腦區(qū)面積要大,，學(xué)琴越早，相應(yīng)腦區(qū)面積也會(huì)更大一些,。

       得益于腦成像技術(shù),，科學(xué)家已經(jīng)可以從宏觀上大致了解大腦皮層的功能。比如,，我們可以讓受試者在機(jī)器里躺著,，給他看幾個(gè)字，如果其大腦后方有電活動(dòng),，即可推測(cè)大腦后方掌管視覺功能,；給受試者聽一段話，大腦出現(xiàn)電活動(dòng)的區(qū)域就是處理聽覺信息的地方,。

       通過(guò)這種方法,，科學(xué)家可以研究證實(shí)各種重要功能的關(guān)鍵腦區(qū)所在：大腦皮層的前上方腦區(qū)掌管運(yùn)動(dòng)、感覺,、嗅覺,；前方腦區(qū)管語(yǔ)言；腦區(qū)前額葉則掌管更高級(jí)的認(rèn)知功能,，包括抉擇,、計(jì)劃等。假如大腦皮層出現(xiàn)損傷,，比如中風(fēng),，受損腦區(qū)所對(duì)應(yīng)的功能就會(huì)受損，甚至喪失,。人體的各個(gè)部位就這樣在大腦中被統(tǒng)一管理,、調(diào)度起來(lái)。

       再細(xì)化深入下去,，會(huì)發(fā)現(xiàn)更有趣的現(xiàn)象,。比如，大腦運(yùn)動(dòng)皮層還可劃分成更多細(xì)分功能：上方是掌管腿部,、手部和手指運(yùn)動(dòng)的功能區(qū),，邊上則是掌管臉部、舌部活動(dòng)的功能區(qū),。而且,，主管手掌,、手指、臉部的腦區(qū)面積,，遠(yuǎn)大于主管腿部,、手部的腦區(qū)面積。要知道,，人類文明就是靠雙手創(chuàng)造的,，制造工具、狩獵,、采摘,、寫字等都需要雙手的精細(xì)配合。而人類社會(huì)的聯(lián)接與組成,，離不開個(gè)體之間的情緒交流和表達(dá),，而豐富的面部表情是主要手段之一。因此,，大腦就分配了更多區(qū)域給這些“重要部門”,。

       更有意思的是，大腦是具有可塑性的,。同樣是手,，腦功能成像顯示，在主管左手手指感覺的腦功能區(qū)中,，弦樂手比非弦樂手的腦區(qū)面積要大,，而且學(xué)琴時(shí)間越早，相應(yīng)腦區(qū)面積也會(huì)更大一些,?？梢韵胂螅F(xiàn)在孩子們掌管拇指的腦區(qū)一定比其父輩,、祖輩的相應(yīng)腦區(qū)面積要大,，因?yàn)槭謾C(jī)的使用也會(huì)塑造腦區(qū)。

       大腦的記憶形成

       “神奇剪刀”修剪樹突棘

       人類幼兒期是大腦開發(fā)非常關(guān)鍵的階段,，一旦錯(cuò)過(guò)就無(wú)法彌補(bǔ),。關(guān)鍵期之后，人類大腦的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)只有非常有限的“修剪”和“增生”,，不會(huì)再有大規(guī)模的生長(zhǎng),。

       很多人都有這樣的經(jīng)歷：聽到祖母的聲音、看到祖母織的毛衣,，甚至聞到祖母的味道，都會(huì)想起祖母,，并且記憶中與祖母有關(guān)的信息會(huì)被快速提取出來(lái),。

       加拿大心理學(xué)家赫伯曾提出過(guò)一個(gè)觀點(diǎn)：如果兩個(gè)神經(jīng)元之間進(jìn)行同步的電活動(dòng)可造成突觸加強(qiáng)或穩(wěn)固，而不同步電活動(dòng)可造成突觸削弱或消失，那么人類的記憶就可能通過(guò)各種活動(dòng)得到改變,。

       上世紀(jì)七八十年代,，科學(xué)實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證明了這一點(diǎn)。

       原來(lái),，連接各個(gè)神經(jīng)元的“信使”——突觸和樹突棘,，還有自己的 “小心思”：當(dāng)某兩個(gè)“信使”來(lái)往密切時(shí)，它們之間的聯(lián)系就會(huì)加強(qiáng),，突觸甚至?xí)淖冏约旱慕Y(jié)構(gòu),，長(zhǎng)出新的樹突棘或者把原有的樹突棘變大，以此來(lái)提升二者之間信息流動(dòng)的效率,；反之,，那些不常聯(lián)絡(luò)的樹突棘則會(huì)被“修剪”掉。長(zhǎng)此以往,，就形成了突觸的“長(zhǎng)期強(qiáng)化”和“長(zhǎng)期弱化”現(xiàn)象,。

       所以，在祖母記憶的形成過(guò)程中,，祖母的面孔,、祖母唱的歌、祖母說(shuō)的故事等信息被不同的神經(jīng)元儲(chǔ)藏在了視覺,、聽覺等各個(gè)腦區(qū)的大群突觸之中,。哪怕這些神經(jīng)元相隔距離很遠(yuǎn)，也可以通過(guò)同步放電,，在腦中形成環(huán)路連接,。每當(dāng)我們回憶祖母時(shí)，它們就會(huì)啟動(dòng)已被“長(zhǎng)期強(qiáng)化”的聯(lián)接,，引起整個(gè)相關(guān)神經(jīng)元集群的集體大行動(dòng),，有關(guān)祖母的記憶就這樣被提取出來(lái)了。

       通過(guò)進(jìn)一步研究,，科學(xué)家發(fā)現(xiàn),，人類大腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的形成，是在出生后的幾年內(nèi)完成的,。這與猴子等靈長(zhǎng)類動(dòng)物不同,，猴子往往一出生就自帶已成型的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。人類的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)不僅發(fā)育延遲,，還伴隨著對(duì)突觸和樹突棘的“修剪”和“增生”,。整個(gè)“修剪”過(guò)程伴隨著人的成長(zhǎng)，到青春期時(shí)達(dá)到穩(wěn)定態(tài),，形成各不相同的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),。由于基因異常,，網(wǎng)絡(luò)在發(fā)育過(guò)程中如果“修剪”不夠會(huì)導(dǎo)致自閉癥，“修剪”過(guò)分則會(huì)造成精神分裂癥,。

       因此,，幼兒期是人類大腦開發(fā)非常關(guān)鍵的階段。不同腦區(qū)和功能神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的形成有不同的關(guān)鍵期,，一旦錯(cuò)過(guò)就無(wú)法彌補(bǔ)——關(guān)鍵期之后,，人類大腦的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)只有非常有限的“修剪”和“增生”，不會(huì)再有大規(guī)模的生長(zhǎng)了,。

       比如,，人類視覺系統(tǒng)的形成關(guān)鍵期為三歲前，語(yǔ)言系統(tǒng)的關(guān)鍵期則在六七歲前,。如果孩子在幼兒時(shí)期患有白內(nèi)障而沒有及時(shí)就醫(yī),，那么三歲之后，孩子哪怕治好了白內(nèi)障,，也將因大腦視覺系統(tǒng)已形成錯(cuò)誤的網(wǎng)絡(luò)而患有永久性弱視,。

       又比如，如果孩子到了六七歲還不學(xué)會(huì)說(shuō)話,，恐怕一輩子也不會(huì)說(shuō)話了——因?yàn)檎乒芎⒆诱Z(yǔ)言的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)沒能在關(guān)鍵期內(nèi)建立起來(lái),。

       成年腦的可塑性遠(yuǎn)小于幼年期。成年后,，大規(guī)模的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)連接變化基本只會(huì)在創(chuàng)傷或病態(tài)時(shí)才會(huì)出現(xiàn),。

       現(xiàn)在，我們?cè)賮?lái)看“是什么決定智商”,，你是否有了更深刻的認(rèn)識(shí),？

       我們認(rèn)為，基因和環(huán)境之間是互為表里的關(guān)系,。

       “水桶理論”應(yīng)該這樣表述：基因是水龍頭,，后天環(huán)境才是引出智商之水的水管——水龍頭不開，水管里不會(huì)有水,；沒有水管,，水也無(wú)法引入水桶。如果用建筑來(lái)打比方,，基因是建筑的基本材料,，環(huán)境則是建筑設(shè)計(jì)師——除非有致病的基因，每個(gè)人擁有的材料基本上沒什么差別,，可由于設(shè)計(jì)師不同,，最后蓋出來(lái)的房子就會(huì)千差萬(wàn)別。

       （作者系中國(guó)科學(xué)院院士,、中科院腦智卓越創(chuàng)新中心主任,本文根據(jù)作者在2019年上海松江腦科學(xué)科普夏令營(yíng)上的講演內(nèi)容整理）

延伸閱讀

兩位諾獎(jiǎng)得主的較勁

      人類第一次看清神經(jīng)元細(xì)胞的模樣,，源自一個(gè)意外,。     

     由于神經(jīng)元細(xì)胞很小，而且密集地?cái)D在一起,，顏色又很均勻，所以如不經(jīng)過(guò)特殊染色處理,，很難在顯微鏡下看清,。

       1872年，意大利神經(jīng)解剖學(xué)家高爾基首創(chuàng)了“高爾基染色法”,。一次,，他偶然把一塊腦組織浸到了硝酸銀溶液里，過(guò)了好幾個(gè)星期他才想起這件事,。當(dāng)他再用顯微鏡觀察這塊腦組織時(shí),，第一次清楚地看到神經(jīng)元復(fù)雜而精巧的結(jié)構(gòu)——腦組織上出現(xiàn)了非常復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)圖紋，還有許多黑色的斑點(diǎn)散布其中,。

       1887年,，西班牙神經(jīng)科學(xué)家卡哈爾看到了高爾基對(duì)腦組織染色的圖片，不禁深深為之著迷,。他改進(jìn)了高爾基染色法,，并開創(chuàng)性地提出“神經(jīng)元學(xué)說(shuō)”。該學(xué)說(shuō)認(rèn)為,，大腦由腦細(xì)胞構(gòu)成,，神經(jīng)元是神經(jīng)活動(dòng)的基本單位，神經(jīng)元之間雖然不直接接觸,，但它們之間會(huì)傳遞信號(hào),。在現(xiàn)代腦成像技術(shù)誕生之前，卡哈爾就繪制了許多精確的,、呈現(xiàn)出美麗復(fù)雜性的神經(jīng)元與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)圖,。

       1906年，兩人因在腦科學(xué)方面的巨大貢獻(xiàn)同時(shí)分享了諾貝爾醫(yī)學(xué)或生理學(xué)獎(jiǎng),。有意思的是,，在斯德哥爾摩的頒獎(jiǎng)儀式上，高爾基譴責(zé)了卡哈爾的神經(jīng)元學(xué)說(shuō),，認(rèn)為“那是錯(cuò)誤的”,，緊接著說(shuō)道“我是第一個(gè)”。隨后,，卡哈爾非常巧妙地應(yīng)對(duì)了這個(gè)尷尬局面,，大方地稱贊高爾基是“染色方法的創(chuàng)始人”，而他利用這種方法取得了“自己最杰出的發(fā)現(xiàn)”,。

       新圖靈測(cè)試提出新挑戰(zhàn)

       除了健康,，腦科學(xué)研究的另一個(gè)重要應(yīng)用即是腦機(jī)智能技術(shù)及類腦研究,。未來(lái)，該領(lǐng)域一個(gè)重要發(fā)展方向是腦機(jī)接口和腦機(jī)融合,。

       盡管現(xiàn)在的機(jī)器學(xué)習(xí)方法,，尤其是深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算模型，已經(jīng)發(fā)展得相當(dāng)好,，但與人腦相比,，其智能程度還相差很遠(yuǎn)。如果未來(lái)能研發(fā)出真正的類人腦的智能器件,，它將具有更強(qiáng)的通用智能,、更低的能耗、更高的效率,。

       上世紀(jì)四十年代,，數(shù)學(xué)家圖靈曾提出過(guò)這樣一個(gè)設(shè)想：在看不到對(duì)方的情況下，讓人類用戶分別與一臺(tái)機(jī)器和一個(gè)人對(duì)話,，并在對(duì)話過(guò)程中分辨出對(duì)方是機(jī)器還是人,。如果無(wú)法分辨，就認(rèn)為機(jī)器具有人的智能,。

       在這個(gè)測(cè)試中,，機(jī)器對(duì)于語(yǔ)義的理解是關(guān)鍵。多年來(lái),，人們一直希望研制出能夠通過(guò)圖靈測(cè)試的機(jī)器,。小冰是微軟（亞洲）互聯(lián)網(wǎng)工程院在中國(guó)推出的人工智能聊天機(jī)器人。它可以通過(guò)深度學(xué)習(xí),，不斷增強(qiáng)與人對(duì)話的回應(yīng)能力,。盡管“學(xué)習(xí)”多年，但人們還是很容易知道它不是真的人,，而只是一臺(tái)機(jī)器,。

       今天，要真正研發(fā)出好的類腦智能,，必須依靠新的圖靈測(cè)試,。除了語(yǔ)言能力之外，測(cè)試指標(biāo)還應(yīng)包括對(duì)各種信息的感知能力與處理能力,。具體來(lái)說(shuō),，可以讓一個(gè)機(jī)器人和一個(gè)人各自操作一只機(jī)械手一起玩游戲，同時(shí)要求他們彼此間就動(dòng)作情況進(jìn)行對(duì)話并合作,，以完成游戲的目標(biāo),。這種測(cè)試比跟一臺(tái)計(jì)算機(jī)對(duì)話復(fù)雜多了。此外，團(tuán)隊(duì)合作也應(yīng)是測(cè)試內(nèi)容,，可以讓機(jī)器人與一群人合作進(jìn)行某些活動(dòng),，比如進(jìn)行球賽、一起開會(huì)等,，從而檢測(cè)機(jī)器人參與者是否能被人類辨別出來(lái),。

       隨著科技的進(jìn)步，也許在未來(lái)二三十年內(nèi),，就可能出現(xiàn)能夠通過(guò)新圖靈測(cè)試,、具有通用人工智能的類腦人工智能。