学术--读书笔记：《大脑的一天》--意识从何而来？神经元集合

作者：[英]苏珊·格林菲尔德、 韩萌、 范穹宇

 

简介：

格林菲尔德认为，与意识密切相关的，既不是微观层面的突触集合，也不是宏观层面的某个脑区，而是中间尺度或曰介观尺度上的大脑活动。格林菲尔德使用了一个贯穿全书的比喻：清晨，你被闹钟叫醒，相当于把石头扔进水里产生的涟漪。石头能激起多大的涟漪，或者说，唤醒程度或意识程度，取决于石头有多大以及投掷石头的力度。投掷力度相当于闹钟铃声的大小，石头的大小相当于大脑中局部神经元固有连接的规模，涟漪相当于每一次神经元聚合的大小。

 

石头是怎样产生涟漪的？作者认为：有一批强有力的调节性化学物质播散在广大的脑区，它们使得周围细胞敏感于固有连接的神经元团队的不同反应，并参与进来造成涟漪的扩散。大脑中化学物质的改变会影响涟漪的扩散程度，例如酒精这种高度脂溶性物质会缩小神经元聚合，与之相应，醉汉的意识程度会降低。娱乐消遣性药物会促使大脑分泌多巴胺，而多巴胺会带来愉快的心情。多巴胺会缩小神经元聚合，与之相应，意识程度会降低，许多意识状态将转变为被动的、阙失自我意识的状态，仅仅对连续快速出现的刺激做出反应。

 

神经元集合:

• 与意识相应的神经机制是什么？通常的研究是关注大脑的空间和空间结构。 另一种研究将时间方面的研究作为推进的方向。区分“看见”和“没看见”某事件，关键临界点看上去是在270毫秒到500毫秒（千分之一秒） 之间。 尽管对某事件最早的反应早在25毫秒时就已经被记录在大脑中，但建立该事件的意识，270毫秒到500毫秒的时长是必不可少的。 另一种可能的解释是，关键的因素并非时间本身，而是那个将长时间框架创建一个恰当的窗口允许“重返”，“重返”是一种在特殊脑区之间进行 输入和输出的持续性反应。
• 以色列威茨曼研究所的阿米拉姆·格林瓦德（Amiram Grinvald）发明了 一种新的技术——电压敏感染料成像（voltage-sensitive dye imaging, VSDI）。 有了这种技术，我们能够识别一些用传统的、无创的脑成像技术无法探测到的现象。 顾名思义，VSDI能够让研究者 读出穿过细胞膜的电压，因此能够用来监测持续的神经元活动。由于染料是实实在在嵌入到细胞膜中 的，所以可以在小于1秒的瞬间内直接读出数据。运用这种技术，我们首次可以看到，介于细胞和突触的操作 
• 神经元集合”，作者给出的定义是：可变的、高度瞬态（亚秒级）的宏观尺度的脑细胞组（例如约1000 万或者更多），解剖学层面的脑区或系统无法定义或限定它。
• 整个大脑中活跃着如脉动一般大规模的振荡。用神经科学的术语来说，它们的出现是因为不同细胞具有不同的特性，因此神经元像一个个具有不同延迟程度的振荡器一样组合了起来。 如果一组神经元聚集了正确的特性，这种振荡便可以无限持续下去，为一次性刺激或事件产生的任何其他现象提供一种背景。 
• 大脑不是一栋固化僵硬的建筑。相反，我们更应该把它看作绵延起伏的大海，时而平静，时而碧波荡漾，时而 波涛汹涌，甚至惊涛骇浪。在所有这些神经元的振荡之上，叠加了一次性的刺激——大脑内部驱力或外 部感官刺激，它们将造成一次偶发的神经元集合。 
•  是石头的大小以及投掷的力度将最终决定涟漪的广度。 如果说投掷石 头的力度（闹钟的响度）由外部因素所决定，那石头的大小则取决于我们所研究的个体大脑的内部结 构。个体脑细胞固有枢纽的结构和连接 可能是决定下一个重要变量（对应于“石头大小”的神经系统）的关键。随着我们大脑的发展，这种连 接将被我们对外界世界的体验所塑造。任意时刻下意识的程度，也就是涟漪的范围，将取决于以下内容：其一，由外部驱动的原始感觉的激发（投掷的力度）；其二，由内部产生的个性化的意义（石头的大小），进一步反映在“固有”长程神经元连接的程度；其三，一般唤醒水平，即喷涌出的特定调节物质的有效性（水坑中水的黏度）。

环境对大脑神经元聚合的影响

• 环境丰富所带来的影响一直是神经科学家和心理学家关注的焦点。我们现在知道了，丰富的环境对多种生物，对各个年龄段的生物都有影响。令人难以置信的是，在经过四天的徒步旅行后，参与者的创造力和问题解决能力的分数比徒步旅行前所测的分数高出50%
• 用经过一定程度基因修饰的小鼠种系作为阿尔茨海默病的动物模型时发现，即使是短时间的丰富环境也可以拯救成年老鼠的记忆缺陷。 
• 丰富环境体验期有一个最短持续时间，而产生的结果所持续的时间可以超过体验期的时长，并且效果所持续的时长与最开始丰富环境持续的时长直接相关。
• 与环境的互动非常重要，因为这使得脑细胞更加努力地工作，只有这样脑细胞才会不断生长，就像锻炼肌肉一样
• 环境会导致包括神经元树突增加在内的结构上和化学上的强化改变。
• 在大脑发育期间，皮层的体积不断增加，这一过程在男孩约十岁到十一岁时停止，女孩八岁到九岁时停止。之后皮层体积的减少是突触进行“修剪”的结果。

音乐对大脑神经元聚合的影响

• 所有类型的音乐中都有 一个共同的要素，即“在某种水平上存在着规律性、周期性的时间。是否应该将音乐视为一种诱发特殊意识的刺激？音乐可能模拟了生物性奖励刺激，因为音乐可以在腹侧纹状体等区域激活相似的神经回路。
• 音乐被认为是为数不多的能减少该脑区活动的正性唤醒刺激之一。 因此，音乐产生的“愉悦”可能来自于一对相反的作用：一方面来自于奖励相关脑区和神经回路的正性唤醒，另一方面则同时来自于对与恐惧和其他负性情感相关的神经网络。随着每一个节拍，音乐提供了一种无威胁的期待感，随后则是一种可预料的、重复的体验。
• 愉悦和恐惧有着非常紧密的联系，而决定某种体验最终导致愉悦还是恐惧的差异在于，连续刺激在类型上的连续程度和可预测程度。音乐比其他任何令人感到愉悦的刺激都更能满足这些

 运动对大脑神经元聚合的影响

• 如在剧烈运动时重复的动作。在这种情况下，锻炼是非常剧烈的，并且伴有强烈的感官刺激，我们知道这会引发人体内生理性吗啡样物质（内啡肽）的释放，并导致广为人知的“慢跑者快感”现象。这些生理性鸦片类物质会对神经元活动产生一系列的抑制作用，并因此在神经元水平上减小神经元聚合

青少年和儿童的大脑神经元聚合

• 多巴胺和催产素这两种神经化学物质的混合会导致处在青春期的个体表现出寻求感官刺激和冒险。  多巴胺和催产素的过度分泌，再加上前额叶皮层活动不足的推动，使青少年更容易被锚定在此时此地，即一种超越认知和思考的游戏。整个场景被当下、即刻的感官推动力所主导。
• 儿童和精神分裂症患者都很容易被当下外部环境中发生的事件所驱使。所有父母都知道，当一个孩子正在为从婴儿车上掉下去的冰激凌哭泣时，如果家长让他们抬头看鸟群或一架飞过的飞机，他们立刻会转而露出微笑。
• 不活跃的前额叶皮层：儿童和精神分裂症患者，高体重指数（BMI）的人。他们如同精神分裂症患者或儿童一样，常常让当下的感觉战胜长远的游戏带来的兴奋、冲动以及纯粹的愉悦提高了大脑的多巴胺水平。这种快节奏、字面意义上的刺激将使小神经元模型更有可能成为数字原生代脑中意识的默认状态，而其程度之深，是之前的世代未曾经历过。

药物对大脑的影响

• 酒精是一种高度脂溶性的物质，可以轻松地穿透细胞间紧密的连接（血脑屏障），在大脑中，酒精所起的作用与γ-氨基丁酸（GABA）相同。 GABA将会引发带负电荷的氯离子流入神经元内，相应地使得细胞内的负电位更强（超极化），这意味着细胞更难产生动作电位——它们受到了抑制。因此，GABA能大幅度地减小神经元集合可能也就没什么好奇怪的了。
• 阿扑吗啡，一种作为脑内多巴胺替代物的药物，有着降低小鼠大脑皮层切片中神经元集合大小和持续时间的明确作用。
• 能产生意识剥夺作用的麻醉剂同样也会减小神经元集合，而麻醉产生意识剥夺是分阶段进行的，其中一个阶段通常被归类为躁狂。
• 无论是由哪种化学物质激发产生，对于纯粹愉悦的美妙体验似乎最终都会一致地与高度情感化、低认知水平的小型神经元集合对应
• 降低去甲肾上腺素有效性的药物利血平对高血压患者起到治疗作用。但它有一项危害很大的副作用：利血平（消耗体内胺类物质）会让那些本来平静的患者变得抑郁，甚至产生自杀的念头。
• 像异丙嗪这类提高胺类物质有效性的药物会使人兴奋，那么显然，情绪与胺类物质通过某种方式产生关联。因此，抑郁的胺理论认为，决定情绪（情感）的一个关键因素是大脑中胺类物质的功能水平。如果有效性水平高，那将会产生随之而来的情绪；如果其有效性水平异常低，在现象学上的必然结果就是临床抑郁
• 最终的神经元集合，而没有其他事情可以与之抗衡：转变越缓慢，神经元集合的覆盖范围会变得越广阔。最重要的是，如果抑郁的焦点是持久的、反复出现的，那么会形成更多的神经连接，而焦点的那块石头会变得越来越大，同时神经元集合覆盖的范围也会变得更加广阔。临床抑郁和异常巨大的神经元集合有关
• 如果抑郁与异常大的神经元集合有关，这将会帮助我们理解那个长久以来的谜——电痉挛休克疗法（ECT）为何有用。从而促进新的网络和不同的网络得以建立。这是一种强制的可塑性：通过击碎那些大的、原始的、一直存在的石头，使新的、常规大小的石头更容易。
• 如果锂的核心作用是阻碍神经元活动的基本机制，那么或许锂的疗效就在于，阻断了神经元集合太过容易地一个接一个形成这一过程。这种巨大的转变可能标志着儿童、精神分裂症患者以及双相情感障碍患者在躁狂阶段的精神状态。总之，锂类药物通过运用化学刹车的手段起到了稳定神经元集合产生的作用
• 但一个恼人的问题是，这种化学刹车只适用于躁狂，锂类药物对于双相情感障碍患者的抑郁阶段并不起效，对于标准的抑郁症也无效。为什么会这样？关键的线索在于：事实证明，只要在负性情绪控制患者之前给药，那锂药对抑郁也有用。
• 一种可能性是，锂的关键作用在于将神经活动稳定在基线标准附近。因此，这对于神经元集合本来就很稳定的正常人没有任何效果，而在抑郁症患者身上，其神经元集合早已变得非常巨大且持续了很久，因此锂对于这种已经建立的神经元集合同样没有作用。与之相对，当神经元集合正在建立（如躁狂）或是正在扩展（如抑郁阶段的开始）时，也就是当神经元正在进行传导（即活动提高）时，也许是锂药发挥作用最关键、最有效的时期。
• 精神分裂症和躁狂症的另一个相似之处是对疼痛的敏感性，这与抑郁症的临床表现完全相反。精神分裂症患者 和躁狂症患者有着较高的痛觉阈限（即他们更少感受到疼痛），但抑郁症患者却对疼痛十分敏感
• 吗啡对生理性鸦片（内啡肽）靶受体起阻断作用，在大脑中起抑制作用，从而使神经元集合变小。 最后，大脑状态以小神经元集合为主的精神分裂症患者都有很高的疼痛阈值。 （感想：神经元集合异常大：抑郁，对疼痛敏感。神经元集合小：儿童，精神分裂症患者以及双相情感障碍患者在躁狂阶段的精神状态，肥胖，游戏等快节奏刺激将使小神经元模型，疼痛不敏感，但儿童对疼很敏感）
• 麻醉药的共同点在于它们都会在大脑运作的中等尺度上减小神经元集合的大小，从而发挥其关键作用。这意味着，当麻醉剂发挥作用时，可能会出现一个有趣且违反人们直觉的悖论。如果麻醉剂起效缓慢（因为它会减弱你产生小神经元集合的能力），那就意味着在失去意识之前，你会体验到一种欣快感，是充满情感色彩的小神经元集合状态所持有的。当然，这种观点有些奇怪，但它似乎是正确的。从前，在麻醉剂还没有像现在这么有效之前，那些将要接受手术的患者会经历躁狂儿童、躁狂症患者、吸毒的人以及精神分裂症患者都体验着强烈的感觉
• 根据这些线索，我们可以进行以下合乎逻辑的假设：第一，神经元集合范围越广阔，原始情绪就越少；反之亦然，儿童神经元集合较小是因为石头较小，而痴呆患者神经元是因为涟漪很难扩散。第二，情绪因此必然是意识最基本的形式。我们只要想一下狗摇尾巴，或是婴儿咯咯地笑，就会发现第二个假设没什么好惊讶
• 越多参与智力活动和社会活动，就越不容易产生认知损害，这并不奇怪，它证明了“用进废退”的魔咒。一种精神活跃的生活方式可以通过增加脑细胞间突触的密度保护个体免于精神衰退，从而提高来自完整神经元的信号传导的效率。
• 如果你无法获得个性化神经元连接的制衡，如果你周围的物体和人都不再具有意义，那么逐渐地，你将只能从表面上看待这个世界。你又回到了婴儿时那种“轰鸣、嘈杂的混乱世界”中。有时，当你在度假地的宾馆中醒来时，在你的“心智”（你对世界的个性化认知）开始工作之前，你需要花更长的时间来意识到你在哪里，以及你为什么会在这里。
• 安理申通过提高神经递质乙酰胆碱的可用性发挥作用，乙酰胆碱是促进神经元集合形成的重要神经递质中的一种。安理申在配体和受体（螺母螺栓）的水平上阻断了一种通常破坏乙酰胆碱的酶，由于分泌乙酰胆碱的细胞消失了，该神经递质的分泌量也逐渐减少。因此，安理申通过延长这一珍贵的化学物质发挥作用的时间，来对抗其分泌量减少这一状况。但令人遗憾的是，这意味着其作用仅仅是暂时的，因为药物无法触及问题的核心。在理想的状况下，药物一开始便可以阻止释放乙酰胆碱的细胞
• 阿尔茨海默病经常并发另一种以退行性病变为主的疾病——帕金森病。 尽管阿尔茨海默病是一种认知损害，而帕金森病是一种运动功能障碍，尽管两种疾病都是某一类神经元死亡所产生的直接结果，但首先，在特征性且持续性的细胞死亡循环背后，两种疾病可能有着某种基本的、单一的共同机制。在阿尔茨海默病和帕金森病中都出现细胞消亡的中枢细胞，最初来自胚胎中一个特殊的部分，因此它们与其他所有的脑细胞相比，在本质上有着某些不同的特征。用这些特性解释为什么中枢细胞主要以及特别容易受到神经退行性病变的侵袭，这一思路很有吸引力。结果表明，中枢细胞本身就保持了从发展到成长再到成熟的机制。阿尔茨海默病和帕金森病背后的这些过程，可能因此成为一种被异常激活了的的发展形式。
• 儿童神经元集合较小是因为石头较小，而痴呆患者神经元是因为涟漪很难扩散。 然而，随着石头本身的削减，随着贯穿大脑的神经网络中局部连接的拆除，神经元集合最终变得越来越小。因此，如果我们可以用某种方式让石头变大，那么神经元集合可能依然可以维持较大的状态，以此来弥补涟漪的影响。必须存在某种通用的系统交互接口，使外围器官和身体过程与大脑保持密切的往来通信。
• 幸运的是确实存在完美的媒介——肽分子。肽与蛋白质是由相同的成分（氨基酸）组成的，但与蛋白质的大小不同，肽可以非常非常小。该术语本身来源于希腊语的“消化”，因为很早之前人们就认为这些化合物与肠道相关，虽然我们也即将看到，它们也可以成为大脑中强有力的神经递质。事实上，肠道与大脑似乎处于密切的对话中，长期以来，人们在使用“发自肺腑的感觉”（gut feelings，直译为“肠子的感觉”）这个短语的过程中，不知不觉地认识到了这一点。 在这种情况下，肠内细胞分泌的肽发挥着激素的作用。肽激素不仅会相应地影响所在区域的消化，还对周围神经和在脊髓里的神经产生作用。因此，它们会对支撑和情绪的大脑反应过程产生重要影响，广泛的大脑区域参与了这种脑——肠道

时间等主观性的来源

• 与自身释放递质不同，肽在不同的条件下选择性地从不同的子空间中排出，并且在一定的条件下从神经元中释放出来，其释放条件是细胞必须更加活跃且活跃更长时间。因为大脑中成百上千个肽在释放量上会有所差别（定量因素）， 同时，基于它们自身具备不同的化学特性（定性因素），大脑有了任其所用的强大附加工具。现在我们可以将一个单一的 数字 参数，动作电位的“全或无”发射率，巧妙地转换成一个 模拟 参数，其中只有当活跃度以较高的速率持续一段时间时，额外的肽递质才会释放。释放的肽量，连同其本身的定性特征，将会反映出某个具体的神经元在某个确切的位置以及相当长一段时间内被激活的程度。因此，也许自然界把两种类型的神经递质分子分配给一个神经元并不是一种浪费。
  小脑——大脑后部菜花状的结构，脑的“自动驾驶仪”，能够按照时间锁定顺序协调感觉输入和运动输出。接下来还有“基底神经节”，它是起到内部驱动运动作用的关键脑回路，同样，它也具有高度的时间敏感性。另一个可能参与时间感知的脑区是顶叶皮层，这是一个复杂的脑区，在该区中，感觉和运动步调一致。通过脑成像、脑电图以及神经心理学研究，神经科学家们早已发现，顶叶皮层的损伤会导致人们在空间作业和时间辨别上出现问题。用伊戈尔曼的话说，时间的推移可以“在不断变化的神经元网络活动模式中编码”。他认为，随着时间的推移，任何神经元网络的成长（比如通过增强突触）将有效地“编码”这个时间段本身。但是，这种情况只会把重点从外部客观事件转移到大脑中发生的客观事件上，而时间知觉的主观性是如何产生的问题仍未得到解答。
• 各个与高估时间流逝有关的因素之间有明显的重叠：唤醒、情绪、刺激物和多动症，所有这些因素都与多巴胺系统的过度活动有关。 反过来，多巴胺过量会导致前额叶皮层的抑制， 我们已经看到，这时会出现一种类似于儿童状态的现象，而有时前额叶皮层更有可能与外界发生更有力的互动，进而导致更直接的信息处理

两种重要的大脑通信：容积和间隙

• 容积传递已经被公认为一种神经通信的替代形式，其重要性等同于“联网”的经典突触传递理论。间隙连接”，不涉及任何神经化学物质，而是通过“即细胞间的直接接触，在现有的传播过程中实现。在神经元网络中，神经活动的快速振动（200赫兹）不是通过突触而是通过这些间隙连接实现的。 54 因此，如果我们目前观察到的神经元集合的持续性活动背后，是这些快速振动在发生作用，那么，尽管它们达到最大强度需要更长时间，但一旦启动，神经元活动的范围将远超过突触信号所能传递的范围。这种扩大了的神经活动便会与各类神经元集合设置的规模相同。如此一来，神经元集合便可以提供充分符合意识运作时空要求的神经关联。因为与小范围的神经回路不同，这样的神经元集合不太受时间和空间的约束
• 也许这正是关键所在：如果在单一神经元集合局部中的300毫秒处观察到20%的时间衰减，其本身就标志着大范围、持续性、整体性的神经关联的触发，而这种关联与意识的产生。神经元集合可能相当于一次整体性的大脑活动，也就是一个意识
• “流形”能将大范围、广泛分布的神经元组织联合起来，发生于几百毫秒的时间窗中，换句话说，处于某种神经“时空流形”。“流形”是一个数学概念，它将时间和空间结合在同一个连续体中。如果将时间列为第四个维度，那么最终对任何一个神经元的元集合进行描述，都很可能成为理论物理学家而不是神经学家的工作。毕竟，涉及时空在单一流形中实现结合的问题，物理学家们已经发展出一套基本原则，并能用统一的方式描述大至超星系、小至亚原子层面上的各种物质问题。