奎安资料：深入剖析中国历史文化的经典图书

本文关键词：神经科学，脑科学，神经元，生物电，视觉神经系统，视觉神经生物学，祖母细胞，祖母细胞假说，编码。

一、打开歌曲《传奇》的科学问号
说起中国香港女歌手王菲，可以说是无人不知、无人不晓。她在2010年央视春节联欢晚会演唱的《传奇》这首歌，也是家喻户晓、红遍大江南北。歌词很美：
只是因为在人群中多看了你一眼，
再也没能忘掉你的容颜，
梦想着偶然能有一天再相见，
从此我开始孤单思念。
想你时你在天边，
想你时你在眼前，
想你时你在脑海，
想你时你在心田。
宁愿相信我们前世有约，
今生的爱情故事不会再改变，
宁愿用这一生等你发现，
我一直在你身旁，
从未走远。

说实话，我是个不会唱歌、也不爱听歌的人，对歌星王菲更是不感兴趣。
不过，作为一名科普作家，每当我听到这首歌的时候，就有一种为它写一篇科普文章的冲动。
也许有人会说，这首歌是正宗的爱情歌曲，说破天也和科学扯不上关系。
你还别说，就凭歌词中“只是因为在人群中多看了你一眼，再也没能忘掉你容颜”这句话，就让我想起了曾经在神经科学研究领域掀起波澜的“祖母细胞假说”，想起了美国科学家在“祖母细胞”（Grandmother Cell）研究中的新发现。
下面就为你打开《传奇》的科学问号，从神经科学的视觉信息处理机制的角度，和你唠一唠“祖母细胞假说”是怎样解答：“在人群中多看他一眼，就再也忘不掉他的容颜？”这个问题的！

二、“祖母细胞假说”曾遭贬斥
话说俄罗斯有一个著名的神经外科医生，叫做阿卡赫·阿卡诺维奇（Akakhi Akakhievitch）。有一个古怪的病人，希望阿卡诺维奇帮他彻底忘掉他那专横讨厌的祖母。阿卡诺维奇答应了他的请求，打开病人的头颅，一个一个地剔除了数千个神经元（也就是“神经细胞”），这些神经元都与病人对他祖母的记忆有关。

术后，病人从麻醉中苏醒，奇迹出现了，病人失去了所有关于他祖母的记忆，不管是好的还是坏的记忆。阿卡诺维奇对手术的成功感到非常欣喜，高兴之余，他决定致力于下一项研究——找出那些与对祖母的记忆有关的神经元。
这个故事当然是虚构的。
1969年，波兰神经生物学家热罗姆·莱特文家（Jerome Lettvin）在麻省理工学院演讲时，讲述了这个故事，用来阐述他那个后来被业内人士戏称为“祖母细胞”（Grandmother Cell）的假说。

该假说认为：每个人的大脑中可能存在一些超级奇妙的神经元，单独一个这样的神经元，就能对一些复杂的目标(如人脸)有特异性反应，而不需依靠大量神经元相互协同工作。比如，有个细胞只在见到祖母的时候才会有强烈的放电，而另外的细胞却只对外婆有反应等等。


不过，莱特文后来既没有进一步证明，也没有放弃他的大胆假设，而50多年来，科学家对“祖母细胞”假说也一直有不同看法。
原因就在于，关于人的大脑如何识别人，一直是一个令人费解而又众说纷纭的问题。
统计表明，一面之缘就足以对一个陌生人有印象，区分一个只见过一面的人和从未谋面的人的准确度高达80%以上。
更神奇的是，每个人每天要见到很多人，人类如此小的脑袋，而识别力却出奇地惊人，实在是令人费解。


对此，科学家们有很多假说。
一种假说认为：
在看到一个画面时，大脑细胞网络会对画面中的不同内容分别处理，然后综合形成一个能够理解和记忆的图像。
例如，一个人看着一辆越来越近的公共汽车，车的影像首先进入眼睛，然后大脑中的专门处理影像的各种特征的神经元立刻对它进行处理。一些细胞被颜色激活，另一些则探查公共汽车的棱角、轮廓、景深、结构、阴暗对比等等。还有一些神经元专门负责运动的特征——上、下、前、后及运动的速度。公共汽车影像的各个独立的要素被传递到越来越高级的皮质区域，唤起有关记忆，最终它以某种方式在心目中形成一个完整的概念——一个为我们所熟悉的物体。

而另一种假说认为：
大脑可能只需要相对较少的细胞就可以识别所看到的画面，大脑也许可以通过一些单个的不同神经元而非庞大的神经元网络，来分别识别不同的物体。这种假说是前面我们刚刚提到的、由神经生物学家热罗姆·莱特文家（Jerome Lettvin）1969年提出的“祖母细胞假说”。

在讨论“祖母细胞假说”时，通常是出现一片讨伐声。
人脑细胞有限，而能认识并识别的人和物品却看起来是无穷的，这有限的细胞怎么能表示这无穷的世界呢？
我们对每种知觉，都有一个单一的神经元，这似乎根本不可能。如果去掉某人的祖母细胞，他就认不出祖母了吗？
哪怕一个很小的事故或者大脑特定区域的血液供给稍少一些，便会轻易地杀死某一特定细胞，人就可能认不出我们两个祖母中的其中一个！
因而，“祖母细胞假说”曾经被众人贬得一钱不值！


三、美国科学家有了惊人的发现
“看见”对于人类而言，是一件很简单自然的事，我们无时无刻不在通过眼睛从所处的环境中获取信息，信息经过处理来指导自己的行动。
那么，大脑是如何存储一个特定概念的？
是通过为数不多的神经元（例如几千个，甚至更少的神经元）来存储，还是动用大量神经元（数以亿计的神经元）分布式地存储在整个大脑中？
神经科学家在这个问题上一直争论不休。


信号传导中的神经元，闪耀如同星辰大海
不过，这种争论也带来了好处，让科学家对记忆和有意识思维有了新的理解。
有趣的是，在此过程中，好莱坞还帮了一点忙。
2005年6月23日，英国《自然》（Nature,vol.435,no.7045，Page:1102-1107）杂志，发表了美国加州理工学院的罗德里戈.奎安.奎瑞加（Rodrigo Quian Quiroa）和他的团队的研究论文《人类大脑中单一神经元不变的视觉表征》。奎罗教授认为，他们找到了对于每张脸来说大脑所对应的单一神经元。

这一发现表明：人的脑细胞并非如以前认为的那样，必须多个脑神经元在一起才能进行复杂的认知活动；事实上单个的脑神经元也会对熟悉的图像作出反应。
这个研究小组对８位癫痫患者进行了研究，这些患者都在接受治疗，其大脑中暂时植入了监控大脑细胞活动的仪器。


人类颞中叶区单神经元电生理记录举例

人类单神经元电生理记录
研究中，科学家以每秒一张的速度，用笔记本电脑向每位患者展示了近两千张名人、动物、物件、标志性建筑的图片。同时，科学家对患者大脑颞叶的细胞活动进行了记录。记录结果表明，患者颞叶的神经元有选择地对不同物体或人物图像作出反应。



当看一个人的脸时，会有一大群祖母细胞去识别这些对象的各种特征，最后再把这些特征汇总在一起进行识别。
例如：
有位癫痫患者大脑中的一个神经元，只在看到美国前总统克林顿时活跃起来，而通常情况只是出于休眠状态。

美国总统克林顿
另一位癫痫患者在整个看图过程中，一个神经元对情景喜剧《老友记》（Friends）中女主角雷切尔（Racheal）的扮演者珍妮弗·安尼斯顿（JenniferAniston）产生过7次快速反应。无论是她的正面照、侧面照，或者是和别人的合影，这个细胞都会激动地放电。相反，看不到珍妮弗·安尼斯顿的时候就会一直沉默着，不再有什么活动。


美剧《老友记》（Friends）中女主角雷切尔（Racheal）的扮演者珍妮弗·安尼斯顿（JenniferAniston）
这并非是一个特例，另外一个病人的大脑中也有一个明星专用神经元，这次主角换成了哈莉·贝瑞（Halle Berry，1985年的“全美青少年小姐”、1986年的“俄亥俄小姐”和“美国小姐”）。不但贝瑞的照片能够引发这位病人的一个神经元活动，而且有关贝瑞的漫画、宣传画，甚至是贝瑞名字的拼写都能产生这种作用。

哈莉·贝瑞（Halle Berry）
还有患者一看到动画片《辛普森一家》或“披头士”乐队成员的形象，其大脑中的某个细胞就“兴奋不已”。

披头士乐队

所有这些细胞都位于大脑中的颞中叶，那是一个与记忆相关的区域。
类似的例子还有很多。通过直接记录单个神经元的放电情况，就可以实现这类观察研究。

一个神经元编码一个人的脸
另外一些更常用的技术，例如大脑功能成像技术，可以观察受试者在执行一个特定任务时整个脑区的活动情况。大脑功能成像可以追踪大脑中兴奋区域（通常包含几百万个神经元）的整体能耗情况，但是无法分辨一小群神经元的活动，更不用说单个神经元了。为了记录单个神经元发出的电脉冲，需要在大脑中植入比头发还细的微电极。这种技术不像大脑功能成像那样常用，只有在特殊的治疗过程中，才会将微电极植入病人大脑中。

四、隐藏在“祖母细胞假说”背后的乌云
寻找“祖母细胞”的努力，在神经科学领域一刻也没有停息。
尽管早在 1969 年，这种神经元就被热罗姆·莱特文家（Jerome Lettvin）命名为“祖母细胞”。在近半个世纪的科学研究中，学者们不停地声称自己发现了各式各样的“祖母细胞”，有人找到了“比尔 · 克林顿的神经元”，有人发现了“哈莉 · 贝瑞的神经元”、“詹妮弗 · 安妮斯顿的神经元”等，不一而足。

然而，目前人们还无法确定是否存在“祖母细胞”。一个最简单的疑惑就是：世界上千奇百怪的事物太多，如果每一个物体都有一个专有细胞，我们的大脑中又有多少专有细胞可以把它们完全记住呢？
美国加州理工学院的罗德里戈.奎安.奎瑞加（Rodrigo Quian Quiroa）和他的团队的这些研究成果，不仅没有拨开云雾看清天，而且更是把还没成形的认知神经的理论框架搅得更加迷茫。
不过，他们的研究至少可以告诉我们，人类大脑是将抽象概念放在少数细胞中存储的，并不是将它们四处传送。

视觉感知及记忆编码
大脑识别物体的时候可能用到比以前想象要少得多的细胞，而如何选择可用的细胞？细胞又是怎么被利用起来的？这些貌似“祖母细胞”的神经元，是否还对别的物体有认知能力呢？还有待于进一步的实验和探索。

该研究的高级研究人员、加州大学洛杉矶分校的伊特扎克·弗里德（I.Fried）博士表示，该发现不意味着特定大脑细胞只会对一个人或一个物体有反应，因为他们只用相对有限的照片对参与者进行了测试。
大脑在结构上是一个由神经突触联结而成的神经元网络，包含了百亿级的神经元和百万亿级的神经突触连接。大脑在功能上极具多样性，我们所有的智能活动，如注意力、学习、记忆、沟通，情感和决策等，都依赖于大脑神经细胞有组织的活动和功能。
时至今日，人类对大脑的核心功能，如意识的产生，情绪和情感，记忆和创造能力等依然知之不多。人类的大脑只有大概1400克左右的重量，但却构成了这个世界上最为复杂、精密的机器。

祖母细胞假说虽然很科幻、引人入胜，但假说本身有缺陷。并且，在面部识别领域，祖母细胞无法解释面部识别细胞的性质。因此，大多数科学家对祖母细胞假说仍然持怀疑态度。
作为一个科学假说，祖母细胞这个词在20世纪70年代迅速传播，在随后的几十年里周期性地复活。最初被否定，而几个初步的实验结果又让这个假说有了一些合理性。
是什么培养了对祖母细胞可能存在的吸引力？
它们的魅力在于它们的隐喻潜力。

当然，隐喻在科学推理中有着悠久的传统。
想想道尔顿的原子“台球模型”或卢瑟福的原子“太阳系模型”。这些构成了强有力的图像，将当前的经验证据置于理论的保护伞下。
与此相似，祖母细胞的概念将早期神经科学中几个突出的研究假设作为一个新兴领域。这些假设可以归入这样一个问题，即在最初的感觉处理之后，信息如何在中枢处理的后期得到整合。
虽然祖母细胞假说从未成功过，但是这个假说也没有简单地消亡。
一些神经科学家认为，现在不急于放弃“祖母细胞”这个概念，也不急于将“祖母细胞假说”上升为理论，让子弹再飞一会，时间是最好的裁判。
（全文终）

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备注：
1、本文的参考文献，仅列出作者本人在科技期刊公开发表的与本文相关的文献。
2、以上列出的参考文献的全文，可以在国内外多家文献数据库浏览或下载。

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