大脑研究工作现状与大脑物理模拟问题 [复制链接]

第7版()
专栏：

大脑研究工作现状与大脑物理模拟问题 中国科学院心理研究所脑电生理组　　刘世熠
大脑控制和大脑科学
大脑呈灰色，由不同粗细的沟回构成。种族发展史上，鸟类大脑半球所占面积甚小，表面光滑。猴脑很有趣，最原始的一种美洲猴子大脑半球光滑而甚少沟回；但我国南方特产猕猴则表面沟回甚为精细。猩猩脑较人脑为大，表面沟回与人脑甚为相似。人类个体发展史上，大概胚胎五月前除原沟外大脑半球颇光滑，以后则逐渐形成沟回。成人脑表面颇多沟回。人脑面积估计约二千平方厘米，仅三分之一暴露在人脑表面，其他三分之二则都在沟中。用显微镜及切片染色法观察，可见大脑皮质由五个基本部分组成。结构及机能上最完善的新皮质约占全部大脑面积的90％。皮质神经元件包括有长轴突的锥体细胞及纺锤形细胞与短轴突的星形细胞等。短轴突的星形细胞对人脑的信息传递与接通机制有特殊意义。据研究只有在人脑中它们才大量增加，约占全部皮质细胞总数的一半。人脑皮质全部神经细胞的三分之二到四分之三都集中在皮质的上层，而其中绝大部分都是星形细胞。
人们对大脑的研究，最早是用刺激法及截除皮质法研究大脑皮质的定位作用。大脑控制系统的信息传递（譬如目视，耳听，鼻嗅，语言，书写等）在大脑皮质中各有不同的管辖区域。譬如视觉位在17，18，19三区，运动主要位在4，6二区等。十分有趣的是上述定位作用在演化中并非一成不变，而与动物或人类的生活方式密切有关。譬如猪多用鼻嗅物，因此鼻在猪脑皮质中的代表区最大。人用双手劳动，因此手在人脑中代表区特别大，五指中拇指的代表区又最大等。许多人相信人类第二信号系统及思惟等也一定可以在大脑中找到相对的代表区域，但可惜这个问题迄今尚未得到最后结论。巴甫洛夫曾经主张大脑额叶可能与第二信号系统特别有关，但最近有不少人以为意识与脑干和视丘的网状组织及皮质下的所谓“脑中央系统”有关。
脑化学研究这一门科学还十分年轻。几乎全部材料来自动物离体或活体研究，近年来用液体空气凝冻及同位素等方法已获得不少结果。大脑不同区域的化学成份及新陈代谢都各不相同。大脑皮质灰质含较多水溶性蛋白质，而白质则含有较多不溶性蛋白质剩余物。灰质各部分的血液循环虽然差异很大，但血液循环最差的灰质也较血液循环最好的白质多50％的微血管。大脑神经细胞对血液及氧气的供应十分敏感。据研究，只要缺氧或停止血液五分钟，则大脑皮质神经细胞便趋衰亡。此外，我们现在知道当大脑兴奋时，蛋白质、核酸与磷脂代谢增加，而在睡眠及抑制时则上述代谢降低。脑化学对大脑控制系统研究十分重要。因为当信息在大脑接通时，兴奋不仅由一个神经细胞传到另一个神经细胞，而且也传到供给神经细胞的毛细血管上。
自1786年意大利医生加尔凡尼发现了动物组织中的电现象后，生物电流的研究进展十分迅速。人体及大脑好像是一个特殊的发电站，它的每一个细胞都是一个小的发电站。但人体组织中的电变化在能量上是微不足道的。肌肉收缩时电的能量尚不及当时所产生的机械能及释放热能总量的十万分之一。直至目前为止，国内外脑电研究大部分集中在大脑交流电规律，大脑直流电研究很少，大脑交直流电综合规律则研究更少。
1863年谢切诺夫发表了著名的“脑的反射”一书，指出了最复杂的心理现象按其起源来说，实质上都是反射。巴甫洛夫条件反射研究更创造了关于大脑的高级神经活动学说。按照这个学说，大脑皮质的活动便是条件反射活动。大脑皮质实质上是一块从外部（视，听，嗅等）及内部（内脏，关节，肌腱等）感受器来的无数信号组成的宏伟的镶嵌式信号板。条件反射的建立与现代数字电子计算机的构造一样，必须具备输入（感觉器官），通路与反馈（神经）及输出（效应器官）全套装置。条件反射的基本规律，譬如兴奋与抑制，分析与综合，扩散与集中等规律已被研究得十分仔细。但大部分材料都来自条件刺激与非条件刺激间暂时联系的研究，至于与人类信息传递最密切有关的中性刺激间暂时联系研究及多级链锁暂时联系研究则很少。
研究大脑的方法与尖端科学技术
在所有一切可能的方法中，条件反射研究与脑电研究无疑是揭露大脑机制与规律的两个最有希望的武器。这两个武器在方法学上还存在着许多问题。条件反射传统方法是根据有机体效应器（譬如唾液）的反射性反应来判断大脑皮质神经细胞的活动的。这是一种客观的方法。同时，这种方法能够将条件反射与非条件反射所引起的效应器活动清楚划分，因此这无疑也是一种精确的方法。这种方法传统地沿用迄今，已有五十余年的历史。但可惜没有一个人曾经或将要因这个方法而研究出暂时联系在大脑中是经过那些神经细胞来具体接通的。现在有越来越多的人向往着用某些尖端科学技术直接观察暂时联系形成时大脑神经细胞活动的问题，有不少人作了这种努力，并且获得了一定的成绩。譬如有人结合脑电描记来研究条件反射，发现当条件反射形成时，大脑交流电波加快；当条件反射抑制时，大脑交流电波变慢。又有人发现当建立条件反射时，皮质下网状组织的电反应在时间上较大脑皮质为早等。但这些成绩的取得目前还是极其初步的。脑电研究一向被认为是最有前途的，但实际上自德国人贝格尔1924年第一次描记人类脑电以来，迄今进展不大。用生理盐水浸湿的纱布或棉花电极及墨水脑电波器所记录的大脑交流电波，实际上是由无数大脑神经细胞综合形成的混扰在一起的复杂电波，因此虽得结果而往往无法进行分析。目前世界各国都在设计或制造目的为提高现有脑电波记录器分析与综合能力的各种新式电子仪器。在庆祝建国十周年时，中国科学院心理研究所脑电生理组设计试制成功了一架阴极射线脑电波自动分析器。这架分析器一方面可以将人类或动物的大脑交流电波放大一百万至二百万倍自己进行描记，一方面又可将人类大脑的θ（每秒4至7次），?（每秒8至13次），β（每秒14至28次）及γ（每秒30至55次）等各种交流电波进行自动分析。这样便大大提高了揭露大脑机质与规律的能力。但无论脑电波分析器也好，脑电波求积器也好，脑电视机也好，目前国内外所已经取得的成绩也同样还是极其初步的。动物脑电研究，一方面因为被研究对象无任何限制性，一方面因为理装电极，显微电极等新技术的应用，最近十余年来进展很大。但也有一个缺点，便是“只见树木，不见森林”。最近国内外颇有人企图设计及制造各种脑专用数字或模拟电子计算机来补救这个缺点，但困难不小，真正的成就尚有待于将来。
截至目前为止，研究大脑机制与规律仿佛仅是神经生理学家与心理学家的工作，但控制论启示我们揭露像大脑那样复杂的“最高运动形式的物质组织”，必须与物理学家、电子学家、电子计算学家、化学家、数学家等联合起来共同进行工作。最近国内若干电子学、电子计算学及数学工作者都表示了对大脑研究工作的兴趣，这显然是一个重要的开始。我们必须发展并加强此种联系与合作，俾使大脑研究在我国多快好省地为生物科学、心理科学及技术科学服务。
大脑物理模拟问题
活体模拟对许多人说来是熟悉的。生理、病理及药理的传统方法之一便是活体模拟。但物理模拟对许多人说来，还是新鲜的。模拟是一种类比，一种近似。既然性质迥然不同的事物中可能找到量的与过程的共同性，则类比或近似便有一种认识上的价值。譬如节律是宇宙间广泛存在的一种现象。日出东方，日落西方；风吹叶动，机器的开动，心脏的跳动等都是一种节律。物理、化学、生物、心理等不同领域中节律的类比常常给科学研究工作者以启示。譬如类比大炮射击与心脏的射击，便有所谓“射击心动描记”的诞生；类比正弦波与大脑?波，便有可能将后者进行数学分析；研究机器的节律与人的节律，将对探讨疲劳机制十分有益；大脑“节律同化”则为研究外界刺激转变为心理现象最有希望的钥匙。另一方面，特别在最近十年中，有越来越多的人逐渐认识到动物与人类有机体的研究对技术科学的发展往往有很大的启发作用。用照相机来模拟眼睛，用传音器来模拟耳朵，已是老生常谈，但用硒半导体来模拟颜色视觉，则是最近的新事物。飞机与鸟类外形的相似，潜水艇与鱼类外形的相似，其实均非偶然，因为它们都必须分别服从空气动力学与水动力学的同一规律。人类发现电的科学，不过是十八世纪的事，但地中海及南美洲河中电鱼在远古时便已经知道怎样应用电了（电鱼首尾电位差可高达三、四百伏特）。无线电定位术的应用不过是近代科学的事，但黑夜能自由飞翔的蝙蝠在远古时便一直是操纵超声波定位术的老手。这样的例子不胜枚举。自从人类进入原子与控制论时代后，物理学家、电子学家及电子计算学家等对机器（电子计算机）与人脑的类比问题发生了愈来愈大的兴趣。但也有若干电子计算学家对人脑信息传递的速度及信息存储容量不感兴趣。当然人脑的信息传递与存储若仅用简单的二进位制来解释，的确也是一种误会。电子计算学家可以用整年或毕生的时间去深思新的程序设计与新的存储系统。但是，如果他们能早点从“电鱼”或“蝙蝠”中得到真正的启发，则也许可以进展更快些。正如最近苏联科学院院长涅斯米扬诺夫所说的，最简单的细胞是最复杂的化学实验室，揭露细胞的化学机制将推动整个化学工业的发展。
机器是人类手的延续。近代机器不但是人类手的延续，并且还是脑的延续。因为机器不但代替了人类体力与生理的功能，还可以代替人类脑力与心理的功能。机器能否代替人体部分器官的问题，仿佛已经没有什么争论。1928年凡·德·浦耳等便用真空管、电阻、电容等制成了人类的电子心脏。此外如铁肺、电子声带、铁神经、塑料肌肉和人工假手装置等，也已试制成功。由于近代科学技术的一日千里，人类已经被迫承认若干人工器官的性能可能较人体自然器官为佳。譬如用玻璃丝制成的人工肾脏的滤过速度较天然肾为快，因为滤过速度与肾小球表面面积成正比。天然肾表面面积约共二万立方厘米，而人工肾则可高出一倍或更多。机器能否代替人类大脑则是一个十分复杂与争论很多的问题。它不仅是一个涉及技术科学、生物科学及心理科学问题，而且是一个哲学问题。若干神经生理与心理学工作者认为大脑或心理的物理模拟会走向机械主义的死胡同，若干技术科学工作者则认为不断发展的电子计算机可能有一天要全部代替人脑的功能。看来专业思想是美德，但狭窄的专业思想则容易造成偏见。当然我们不认为十八世纪拉·梅特里的“人体不是别的，就是一架钟表”的看法是正确的，但另一方面我们也不能对近代机器确实已能代替人脑若干生理心理机能的客观事实视若无睹。近代数字或模拟电子计算机能解微分方程，积分方程，代替会计员及图书馆卡片分类员工作，翻译，下棋等已是很多人都知道的事。此外，有所谓能模拟有机体与外界保持平衡的“原状平衡器”（爱西贝），能模拟条件反射的铁“老鼠”（申农）与“铁乌龟”（华尔特葛莱）等。苏联列宁格勒涅瓦大街上最近装了一架会“思考”的信号灯，它能眼观四方，完全根据来往车辆及行人具体情况指挥交通。去年在伦敦的某次国际性学术会议上，一位“电子作曲家”表演了据说并不比真正作曲家为差的作曲能力。我们承认近代电子计算机确能代替部分人类脑力与心理的功能，我们也承认在速度与容量方面它们甚至可能较人脑更加优越，但归根到底，机器与人脑间是有本质的差异的。最好电子计算机的程序设计也是由人脑的思惟活动预先确定的，它无法因机器内外环境的交互影响，既考虑过去又瞻望未来而随机应变其程序设计。
大脑物理模拟研究目前还处在初创时期，但可以确信前途十分宽广。大脑物理模拟研究的目的并不是为了消灭机器与人脑间质的差异或将二者等同，而是为了使人类更好地从繁重而简单的脑力劳动中解放出来，集中精力从事更高级的创造性思惟活动。此外，大脑物理模拟研究将使我们有可能严格检验既已揭露的大脑生理与心理规律。我们反对那种“物质或意识将逐渐消失，最后只剩下一个公式”的谬论。但是，我们相信当人类逐渐能用数学公式来表示大脑网络结构及其活动的时候，人类对大脑的认识便一定更加精确与完善。在我国应联合神经生理学、心理学、电子学、电子计算学及数学等各方面人材，大力开展大脑物理模拟研究。因为这是我们所处的这个时代对我们提出的最严重课题之一。这个问题的怎样解决在不久的将来将直接影响人类生活的每一个方面。
现阶段的大脑物理模拟研究与大脑活体模拟研究工作，应该特别注意下述三方面的问题：一、研究像整个梯子一样的大脑控制系统机制。譬如大脑皮质与皮质下网状组织机制便是一例。二、大脑的信息传递决不仅是“数字”的，而往往同时既是“数字”的，又是“模拟”的。譬如神经冲动的传导是“数字”的，但血液、内分泌或电紧张的影响则是“模拟”的。三、必须研究大脑存储与程序设计的各种不同模式及每个新的动作能修正一下程序设计的机制。譬如人类要完成千百万种不同的记忆与思惟活动，便必须要有最复杂的大脑程序设计。这些程序设计各有不同的模式，决非简单的“二进位制”所能解释的。