认识大脑 1 脑袋里的秘密

认识大脑英国皇家科学院2011年圣诞讲座
第一集脑袋里的秘密
欢迎来到英国皇家科学院2011年圣诞讲座。

认识大脑。

请允许我做一下自我介绍，我是布鲁斯·胡德。

作为科学家，我对大脑很感兴趣。

大脑到底是什么，随着年龄的增加，它又将发生什么变化?事实上，我不应该说“我是布鲁斯·胡德”，我应该说“这是布鲁斯·胡德”。

因为我的一言一行其实都是大脑的产物。

控制人们言行的器官并非心脏或肾脏，毫无疑问，他们也很重要，可即便我做了心脏或是肾脏移植手术，我依然会是从前的那个我，因为我们的一切脾性言行都由大脑决定。

在接下来的一系列讲座中，我们将围绕人脑这一主题，去探索它到底是什么，它如何运转，更重要的是，它如何与其他人的大脑打交道。

而在进入正题之前，我想向大家介绍一位嘉宾，或者说，是一位已经故去的嘉宾。

这是人脑的标本，来自遗体捐献。

有些人生前决定，死后要把自己的大脑捐献出来用于科学研究，这样科学家才能探究出这令人叹为观止的器官是如何工作的。

人脑极为神秘，异常复杂，我们对其了解只不过是冰山一角。

我把人脑标本带来，是为了提醒大家，我们究竟是谁，而我们将要探索的事物是多么令人敬畏。

无论今晚在场的，还是电视机前的观众，人人都有一颗大脑，每颗大脑都不容轻视，都独一无二，但它们的基本结构与功能都相差无几。

那么大脑究竟是如何工作的呢？为了更好的回答这些问题，我请到了另一位脑科学家，伦敦大学学院的文斯·沃尔什教授。

让我们用热烈的掌声欢迎文斯！
文斯，你带来的这台特殊仪器可以对人脑产生影响，我们一会儿就将看到它如何工作了。

但在此之前，我们先做个简单的实验。

你会不会那首名叫《咩咩叫的黑羊》的儿歌？应该会吧，把第一句念出来听听吧？
“咩咩叫的黑羊，你有没有羊毛？”
很好。

教授还记得小时候唱过的儿歌，真好。

你也可以选任何一首。

好，接下来我想请你重复一下这句儿歌。

但这一次，我将在你说话的同时，用这台仪器刺激你大脑的这一区域。

请开始说吧。

“咩咩叫的黑……”（文斯刚开口，就呜呜啦啦说不清楚了。

）大家不用担心。

你没有任何不适吧，文斯，没事吧？
“我没事。

”那就好。

这台仪器扰乱了文思的大脑活动。

它是一台经颅磁刺激仪。

它能够在短短一瞬之间释放出非常强劲的电磁脉冲。

那么，它为何会让文斯失语呢？下一个实验会为大家提供一条线索。

请大家看看这台老式的电视机，我的手上有一块磁铁，现在屏幕上的画面很正常，当我把磁铁靠近屏幕，请大家看看发生了什么变化。

电视画面因磁铁的干扰而被扭曲变形了。

这究竟是为什么呢？了不起的是，解开这个问题谜底的正是英国皇家科学院圣诞讲座的创始人迈克尔·法拉第。

法拉第在150年前发现并经常在这个剧场中向人们展示磁场与电场之间有着一种密切的联系。

电视屏幕上的画面，是由电子束产生的电信号形成的。

因此，当我将磁铁靠近屏幕，磁场就会引发电子束路径的变化，进而使得屏幕上的图像扭曲变形。

现在我们来整合归纳一下以上这些信息，磁场能够干扰电场。

我们也知道磁铁还造成了文斯的失语，而语言是大脑活动的产物，因此我们可以断定，我们说话的能力是由大脑中某种电流传导而来。

大体上就是这个原理吧，没错。

文斯，当我将磁铁靠近我的
脑袋，它却丝毫都没有对我的语言能力产生影响，这又是为什么呢？
“因为你脑袋边上形成的这一磁场是静止的磁场，即便你不断地移动着磁铁，这种移动也是极其缓慢的，要想制造出足以干扰脑细胞运动的电场，就需要一块飞速运动的磁铁，刚才大家听到的哒哒声，每一声就代表着万分之一毫秒，也就是说，要想在人脑中产生电流，磁场必须迅速地不断发生位移。

”
大家还想看文思的大脑再次受干扰吗？“想。

”好吧，文斯，抱歉了。

我们还得再来一次。

这次换个什么新花样呢？
“看看磁场对人体的运动控制功能有何影响吧？”
我能不能只干扰你右手的运动控制能力，这样可行吗？好的，我拿起了这块磁铁，充满电了吗？
“充好了，我先模几次我的鼻尖。

”我们来看看，当我把磁铁放在这里，你还能不能准确地摸到鼻尖。

是这片区域么？（当磁铁贴近左脑顶下部位时，文斯指鼻子的右手失去了控制能力。

）告诉大家，那到底是什么感觉？
“其实一点都不疼，不过我右手的肌肉完全失去了控制，我无法准确将我的右手随心所欲地伸到我想要去的地方。

这种感觉十分诡异。

”
我们做最后一个实验好吗？你可以拍几下手吗？我把磁铁放到这里，好了。

准备好了吗？请开始拍吧。

（当磁铁靠近文斯的脑袋，文斯再也无法控制两只手合拍在一起。

全场哄笑。

）我们把你折腾得够呛了，文斯。

麻烦你最后一件事，请你告诉大家，正如我们方才所见，经颅磁扰乱了人们正常的官能。

那吗经颅磁能不能起到什么好作用呢？
“可以。

我们用经颅磁创造了很多奇迹。

刚才的实验中，我们是用强磁场去干扰大脑活动，由此可以看出，磁场的确对人脑有影响。

但当我们用弱磁场去刺激大脑中特定的区域时，便可以治疗抑郁症之类的疾病，或者是在科学研究中对精神疾患以及中风患者的脑部进行建模。

经颅磁的用处是十分广泛的。

”
文斯，这真是令人啧啧称奇啊！请大家以热烈的掌声欢送文斯！
大家有没有意识到，我们刚刚证明了大脑其实是一个电力系统，这很酷吧。

磁场不仅能够干扰大脑的正常运转，也可以为我们所用，让我们一解大脑的工作原理。

为此，我们需要一块磁性极强的磁铁。

我们还真找到了一块这样的大磁铁，但没能把它运到伦敦来，他现在在切尔滕纳姆，我们可以通过视频进行观看。

这段视频是事先录制好的。

“大家好，我是塔莉亚·格瑟博士。

一会我将进入核磁共振扫描仪，大家就能知道我在想些什么了。

这位是伊恩·莱布，他将帮助我们完成这个实验。

”
“欢迎来到切尔滕纳姆影像处理中心。

这个中心是由库伯特吁请基金赞助，可以进行正电子放射成像和核磁共振成像。

而今天我们将对你的大脑进行核磁共振扫描，看看它是如何工作的。

首先我们来认识一下扫描仪吧。

你以前做过核磁共振扫描吗？”
“没有。

我们进去看看吧？”
“这是一扇厚重的金属门，因为装有扫描仪的房间的四壁必须都由金属构成。

这就是核磁共振扫描仪了。

你的头部将进入扫描仪，扫描仪会产生非常强的磁场，这样一来，才能扫描出你的大脑活动。

”
卡伦将向我们演示扫描仪中的磁场有多强。

他拿来了一个…
“我在绳子末端栓上了一个扳手，（她刚接近扫描仪进口，磁场就把扳手吸引过去。

）”
“大家可以想见，磁场有多强。

”
哇，伊恩，听得见吗？
“听得见，晚上好！”
我们刚刚见识过你的大磁铁了，磁力超级强大，到底有多强？“
“是地磁的3万倍。

”
听起来非常危险啊。

那为什么进入扫描以后，为什么不会对人脑造成影响呢？
“因为这个磁场是固定的，它不会动，没有移动。

所以进入其中用来成像是安全的。

所以跟经颅磁刺激器不同。

”
“这是静止的磁场，对吗？”
这是静止的磁场，所以是安全的。

好，塔莉亚，听得见吗？
“听见了，布鲁斯，你好啊！”可不能带任何有磁性的东西进去。

你手里拿了什么小物件吗？
“拿了，我拿着个胡桃。

”
拿着个胡桃，塔莉亚，把这个胡桃带进扫描仪中，别告诉我们你放在哪只手。

因为我们等一下要练习“读心术”，稍后我们再来更多地了解你。

更准确地说，是更多的读懂你的大脑。

而现在，我们能不能给塔莉亚和伊恩教授来点热烈掌声。

大脑都是通过电子信号工作，所有的大脑都非常相似。

同时在很多方面区别很明显。

看看这些动物的大脑，猜猜这些大脑各属于什么动物。

这里是一枚一英镑的硬币，用来对比各个大脑的大小。

你们认为这是什么动物的？能大声说吗？—蜘蛛？不是蜘蛛，有别的答案么？老鼠？谁说的。

举手。

回答正确，这是老鼠的大脑。

这是什么动物的大脑呢？刚刚有人说大老鼠吗？的确是大老鼠的大脑。

这个呢？这是小鸡的大脑，信不信？这是小鸡的大脑。

这边这个呢？乌龟的，不对不对，是猫的大脑。

这边呢？是狗的。

最后的这个，是什么动物的？马，谁说的？如果你回答是马，请举手。

我们来仔细想想马，这是种体型很大的动物，对吧？通常一匹马的体型比人类大3倍。

但是对比看看，马和人的大脑体积，我拿过来给你们看看，虽然马的体型比人类大得多，大脑的体积却比人类的小。

这表明体型大小与大脑体积大小不成比例。

事实上想想人类的普遍身型，我们大脑的体积比我们想像要大7倍。

谁想拿着人的大脑？非常多啊！很抱歉，不能让你们拿着大脑，但我这边刚好有个合成塑料的，非常精确的大脑模型。

形状大小一样，重量也一样，你们想拿着人类的大脑吗？好张开你的手。

你首先注意到什么？
“非常重。

”相当的重，对吗？大概1.5磅。

可以互相传阅，应该说是1.5千克。

还有别的吗，你们注意到别的地方了吗？来，我来告诉你。

能把我的大脑还给我吗？谢谢！
就像你们看到的，大脑分成了两半，每一半称为脑半球。

脑半球一个有趣的方面是它控制着身体的相反一面，还记得么，我们刚才用经颅磁刺激器刺激文思的大脑，当我们刺激他左边的大脑时影响的是他的右手。

我们目前还不知道大脑如此安排的原因，这还是个谜。

实际上，如果没有因反方向大脑损伤而引起的行为改变，你根本就注意不到这个情况。

另一个对我来说，令人着迷的方面，是大脑上的这些褶皱。

所有的人类的大脑都有类似的褶皱。

但是我们来看看，老鼠或大老鼠的大脑，非常平滑。

人类大脑的这些褶皱特征非常显著。

为什吗会这样呢？未得到答案，我们必须将其放大。

看清楚大脑的组成部分中一种叫做神经元的成分。

这是神经元的图像，正如你们所见，它看起来像是来自外太空的奇怪的外星生物，数量很多。

一般大脑中有大约1000亿个神经元，我们称之为触角的部分是树突。

神经元彼此之间正是通过发送电子脉冲互相交流的。

神经元之间通常有一个非常粗的连结纤维，叫做神经突，正是它发送信息，与其它神经元连接起来。

事实证明正是神经元和他们之间的连接与我们认为的智力和智慧，息息相关。

神经元并没有分布在整个大脑中，它们只是集中分布在大脑外层，这一层只有3到4毫米厚的区域，我们称其为大脑皮层。

皮层这个词来源于拉丁文的树皮，正是这层包含所有连接的大脑外层让我们变得聪明、思维灵活。

所以重要的不是大脑的体积，而是大脑皮层外部
的表层和表层面积决定了我们的智力。

如果我们取出大脑将其压平，表面积会变成这么大。

你能帮我拿一下吗？好，这就是我们的大脑皮层，展开后的面积大小，面积很大，怎样将其装入正常大小的头颅呢？大自然的解决方式如下：折起来。

大自然为这个工程问题给出了答案。

如果不这样折起来，我们的头部会有目前的一倍大，这可不好看。

母亲们生一个正常大小头颅的孩子，就已经够痛苦的了，可不能再大了。

好，现在我们看一下其它动物，看看这些小家伙。

看起来非常古怪，对吧？有人知道是什么吗？水母，回答正确。

这是澳大利亚鲸脂水母，可以看到它们在水池中游动。

水母的大脑有什么特别之处呢？谁来回答？透明的，回答得很好。

还有吗？什么？根本没有大脑，太棒了！问题很难，他们的确有中央神经系统，但它们其实没有通常意义上的大脑。

为什么水母没有大脑，而其他动物有呢？人类一开始为什么长出大脑？谁想来回答？说吧。

否则我们就活不了了，很好，还有呢？什么，记忆？这些答案都很好，但对于一切有脑动物来说，其根本原因是，我们通过大脑来认识并改造世界。

水母能四处游走，却不知自己身处何方，因为他们只是随着潮汐涌动而游走。

有脑动物则是用大脑去认识改造世界，去觅食，求配偶、躲天敌，并时刻注意自己所处状况，计划下一步该怎么走。

所以大脑的用途是弄清并预测下一步要做什么。

现在思考一下，一种动物，或是像人类一样的高级动物，真可谓是一座由多个部门组成的复杂的移动工厂。

有不同的加工装置，回收中心，机动引擎，而这一切都需要协调运作。

否则，我们就会分崩离析。

所以大脑的确是所有行为的总操控室。

其中有些行为是自动的，例如：呼吸速率和心跳控制，被大脑皮层以下的脑干控制，是不需要强烈意识控制的。

还有一些你已经学会的动作，做之前根本不需要再想一下，甚至包括行走。

你可以去计划自己的目的地，但怎样来协调行走的动作，压根用不着想，自然而然就走起来了，这是由底部的小脑控制的。

所以不论是自动或受意识驱使的行为，重点是他们都需要靠某一系统来协调，这就是大脑皮层的作用，就在这顶部。

所以全身的感应，通过中枢神经组织涌向大脑。

而来自神经末梢的感应则组成周围神经系统。

那神经冲动的速度又有多快呢？现在，我们做一个小实验。

测量神经冲动通过一条手臂的长度，速度会有多快。

我们需要一些志愿者。

实际上我们需要E排的所有同学来配合。

E排同学请起立，掌声鼓励！你叫什么名字，小伙子？
“我叫欧玛。

”站在那头的是谁呢？蒂姆，你好。

好啦，欧玛，接下来，我会用右手紧握你的左肩，你再用右手紧抓下一个左肩，类推过去，大家以此形成一段链条。

就是这样，知道了么？大家都抓好了吗？好了吧？欧玛，我现在要做的是轻轻地捏你的肩膀，所有的人都要轻轻地嗷，当你感觉到肩膀被捏了，别抢先嗷。

你再去捏下一位的肩膀。

这一神经冲动就能在整个E排传递。

懂了吗？站在最外面的蒂姆，如果你感觉到肩膀被捏了，你就叫停。

因为我们会记录这一神经冲动通过整条E排的时间，来估测这个速度。

明白了么？那就开始。

好的，还不错，耗时3.1秒。

再来试试能不能更快一些。

那，准备好再来一次吗？好的，这一次不到3秒。

非常好，经过练习，大家反应更快了。

现在我们不捏肩膀了，我们手牵手，这次你们会更快，对吧？当你感觉左手被捏时，就去捏右边同学的手，同样，蒂姆，到你了就叫停。

准备好了吗？4秒。

比之前慢了差不多整整1秒。

为什么神经冲动会在经过全过程时耗费更多的时间呢？仔细想想，我们在第一次试验中，神经冲动只经过了一条手臂，可是当我们手牵手时，它需要通过一条手臂，外加下一位同学的一条手臂的长度，一条手臂大概有1米长，对吧?再加15条手臂就是另外的15米了。

总共只花了1秒不到的时间。

所以是大概每秒10到15米。

这种神经冲动的正常速度差不多就是这样。

掌声感谢一下E排的同学吧！
刚才我们估量了手臂中神经冲动的速度，正常速度差不多是这样，比人们想象中的
要慢得多。

因为当人们想到神经冲动时，总会认为这一定和电流一样快，因为觉得它就像电脉冲。

但事实上，电流速度比神经冲动要快300万倍，所以我们曾通过类似实验尝试着估量大脑的工作状况，但你能准确测量出神经活动吗？出乎意料的是，真的可以。

如果你是这方面的专家，知道该怎么做，正好又有一条极纤细的电线，所以，下面热烈欢迎来自纽卡斯尔的两位专家，克莱尔·莱恩博士和皮特·西蒙斯博士。

克莱尔，你们是和一些有趣的伙伴一起来的，对不对？
“我们带了一盒子的蝗虫坐火车来的。

”这样，他们还是活的吗？
“是的，它们都在草堆上享受大餐呢。

盒子里大概有6只蝗虫，体型大小不一。

”那他是被轻轻地翻过来了，对吧？
“对。

被放在小小橡皮泥床上。

它其实是只母的。

”是只母的啊。

“她躺在橡皮泥床上，我们用橡皮泥圈把蝗虫固定了，皮特正在将一根细丝放进它的胸腔，的确，这根线和针灸用的差不多，非常纤细，细如发丝。

”所以这对蝗虫本身无任何伤害吗？
“毫发无损。

”真神奇。

不打扰正在装置的皮特，因为这是极其精细的步骤。

我先来普及一些蝗虫的知识。

这种蝗虫是体积比较大的蚱蜢，它有比较简单的神经系统，避免其跳跃时撞上其他物体。

做这个实验的原因，是因为数目的增加，它们就变成了蝗虫群，会成群地飞行，几乎有数百万只蝗虫，在飞行过程中却不会彼此相撞。

蝗虫群确实灾害，因为当它们落在一片庄稼上时，它们会在几分钟内将作物一扫而光。

所以它们是害虫。

但同时它们又有益于人类，因为我们可以测量其大脑的活动，又不伤害它们。

像这样就可以开始试验了，对吧？
“对，我们会观察它神经系统内特定的神经细胞，使用这台仪器记录神经细胞产生的电脉冲。

实际上，之后产生的响声来自蝗虫神经系统的某个神经细胞。

它是一种非常重要的神经细胞，这类神经细胞是蝗虫躯体中最大的细胞之一，它向下连接翅膀，还能使翅膀停止运行，蝗虫就能向下俯冲，避开天敌，或者调整飞行方向，绕开蝗虫群中的其他成员。

”皮特，准备好了吗？
“准备好了。

她应该也准备好了。

”说实话，我分不出雌雄。

不过我觉得雌性体积要大一些，对吗？
“没错。

”好，那我们要录下哪一块视觉区域呢？这只蝗虫的哪一边？
“我们会记录蝗虫右边的神经元活动。

即对它左眼的视觉区域内事物的反应。

”
好了，全场保持安静，仔细听，你们会听到神经细胞的活动。

听到了吗？意识到了吗，这是蝗虫的脑波声，我们知道声音来自那边，因为如果我从另一边接近…不会有任何反应。

其实，她应该对我非常关注，对吗？太有趣了，我们能用这个试试吗？这是模仿另一只大蝗虫，跟一大群一起飞过来，太棒了。

那么告诉我，克莱尔，你们能利用这些研究做些什么呢？在人类身上有什么应用吗？
“蝗虫有非常棒的神经回路，我们模仿建立了一套可以放在传感器内，预防车辆碰撞事故的装置。

我们希望在未来，这套基于蝗虫神经的系统可以帮助驾驶员们规避事故。

”
所以蝗虫可以帮助人们避免连环相撞事故。

“我们希望最终可以成功。

我觉得这很有用。

”
我们可以把蝗虫放了吗？证实一下他的确没事。

能给蝗虫一个特写，展示一下吗？我们不能放手。

因为只要找到机会它就会逃跑。

现在大家看到了，她很好。

把它放回他的朋友那里，让它们退场吧。

请掌声感谢蝗虫以及皮特和克莱尔！感谢你们过来。

刚才的展示非常精彩。

但类似的实验可以在人身上做吗？我们之前挑选了一位志愿者。

比利，他现在不能说话，因为他身上接了脑电波装置，我们不会在他大脑里贴电极，但可以在外部做记录。

因为实验证明，如果大脑神经细胞同时运转形成的电流，足以能
用微小电极探测到。

平时科学家做实验时会在受试者头上接满电极，但今晚的展示，我们只检测比利的后脑部分，那里是他的视觉中枢，就是人类视觉皮层所在地。

刚才我们都看到了，蝗虫看到我接近时的反应，这次我们反过来，让人来看蝗虫，来看看人会有什么反应。

我们在这里看到图像已经出现，这就是比利大脑视觉中枢的反应，这样就可以了，谢谢凯特。

如你们所见，在蝗虫出现的时候，图像会有反应，蝗虫的图片进入他的眼睛，将这些视觉冲动通过视觉神经送入脑后的视觉处理区，形成反射。

这是蝗虫的图片初次出现时的图形（曲线显示出倒U字高峰），这是之后几次的脑电波（曲线下降，低平），说明他如何对图像进行加工的。

比利，结果说明你确实有大脑，非常感谢！也请大家把掌声送给凯特和比利！
动物都在相同的环境中活动并相互影响，就像蝗虫和人类，但他们的大脑却差别极大。

他们的感受也大不相同，我们自身的经历也常常与想象中不尽相同。

我们还来说视觉，我们大都认为视觉是丰富而细致的，事实上大家都认为其效果和相机的一样，但真是这样么？我们来做个试验。

乔，过来一下好吗？乔的肩上有个摄像机，
他在拍摄。

你们可以在上面的屏幕上看到拍
摄的效果。

内容丰富，细节清晰，这是我们
认为的视觉效果。

但事实上，人的视觉完全
不是这样，我们通过技术研究发现，人们只
能看到视觉中心部分的内容，这部分大概是
——伸直手臂后看到拇指的大小。

那么我们
能让摄像机模拟视觉效果吗？现在大家看到
图像边缘都模糊掉了。

只有中间部分是清晰
和细致的。

这就奇怪了，因为你看到的画面
不是如此，对吗？你看到的是充实丰满。

知
道为什么吗？我来演示给大家看。

我靠近一点，视觉看来细致的原因是我会转动眼球，我非常快速地转动他们，大概每秒钟4到5下吧，这个动作叫做扫视，这就是大脑建立复合图像的方法。

你对世界进行采样，再将信息存储起来，大脑记住了它们。

正是因此，世界看来如此丰满生动。

但还有个问题，如果摄像机像人眼一样转动，就会产生变形，我们来试一下。

乔，你能像动眼球一样转动摄像机吗？我们来看看效果（图像一片模糊）。

哪里出了问题？有答案吗？你来，动得太快了，图像很不稳对吗？非常模糊。

如果正常视觉是这样，大家都会晕的。

所以大脑有个很聪明的小把戏，每次你转动眼球时，它会把视觉信息屏蔽，这样就看不到这些模糊的图像了。

那吗乔，你能模仿一下吗？每次转动摄像机时都关掉信号传输，好的，事实上大脑屏蔽了几乎所有的视觉信息，转动眼球时你什么都看不到，我们知道这是真的，我来证明这一点。

我需要一个志愿者。

我们来看该选谁呢？有人愿意吗，那位同学，你叫什么？艾米，好。

你能这样拿着镜子吗？乔什，来拍摄一下艾米，很好。

现在，艾米。

看你的左眼，然后看你的右眼，来回交替看，能看到自己的眼睛动吗，不能。

有人能看到她的眼睛动吗？“能。

”艾米你的眼睛确实动了，要我证明给你看吗？抬头看那里（荧屏），准备好了，看来你很惊讶，但别担心，你很正常。

人都无法看到自己的眼珠动。

请把掌声送给艾米！
你们可以在家自己试，刷牙的时候，可以看着镜子，盯住左眼，然后转而看右眼。

试试能否看到自己的眼睛动。

你肯定看不到，因为不论怎么试，大脑都不会让你看见。

其实，如果加上所有清醒时转动眼球的瞬间，人每天大概有两个小时是瞎着的，但没有。