意识形成原理的“珈利略实验”

钟振余(宁波大学)

[引言] 1590年，伽利略在比萨斜塔上做了“两个重量不同的铁球同时落地”的著名实验，从此推翻了亚里士多德认为“物体下落速度和重量成正比”的权威学说。实验之前，伽利略从逻辑推理的理论层面已为自由落体实验作出论证。如果重的铁球A比轻的铁球B下落速度快，那么，A和B串在一起下落时，A被B拖拉，应该减慢速度。但是，此时A和B串在一起成了更重的组合铁球C，C应该比A下落得更快。显然，这是自相矛盾的学说。因此，伽利略认为自由落体的速度与物体的重量无关。伽利略的推理在现代人看来极为合理，可在当时却难以被人接受，因为权威的亚里士多德学说自创立以来，历时1900多年无人敢于怀疑。事实上，对于权威的信赖和崇拜不会因时代的变迁而改变，即使在科学技术高度发达的今天同样如此。  

    时光跨越了四百多年，“亚里士多德”式的权威效应至今同样存在。这种权威就是学术话语权的制高点效应，在脑科学研究领域可以找到类同的迹象。

一、现状：意识的“网络化”传递加工模型和图像化研究方法成了当下的研究主流

      1、以2014年诺贝尔生理学或医学奖的“网格细胞理论”为标志，近二十年来，脑科学研究的主流学派基本就是围绕大脑皮层及其“网络化”信息传递、处理、加工的假设理论开展研究。这些理论假设不仅编写进神经科学的教科书，在当下大量的研究文献中也随处可见。尤其以现代功能磁共振成像技术fMRI 为平台展开的大脑活动研究及其研究成果，无不以神经信息的“网络化”传递加工为前提。之所以认定其为假设理论，原因在于fMRI技术获得的脑活动图像并非是神经元本身的信息变化，而是神经元周边静脉毛细血管血流动力学的变化图像。以血流动力学变化替代神经元的信息活动情况，相当于根据集成电路各部位的发热量，从而判断线路中的信息走向一样的推理逻辑。正如获奖者挪威神经学家莫泽夫妇（May-Britt Moser）在其研究论文中所采用的表述方式(In  sensory cortex, topographic maps are formed through precise wiring from the  level of sensory periphery that is maintained through relays in the thalamus and into the cortex.…Yet the sense of space is polymodal, making this sort of wiring scheme almost impossibly complex^[1].)。只要承认信息的网络化传递，至于如何传递可以不作解释。因为主流学派认为大脑内传递信息的线路布局难以想象的复杂，言下之意，可以用推理分析出结果：大脑嗅皮层内存在位置细胞、速度细胞…、等研究成果。

       2、“网络化”信息传递模型在国内教科书或专著中也可找到一脉相承的描述。如“皮肤感受器从外周感受器沿一定的途径经丘脑到皮质的上行传入路径，称为特异性的丘脑皮质投射^[2]”。这样的表述方式。在现有自然科学概念中几乎无法理解其含义所在。因为电信息传递仅有两种方式：有线传导和无线传播？“投射”是什么含义，无内涵可寻。当信息的传递方式都无法确定，皮肤感受器采集的信息是否就按此走向为路径？一句“特异性”能否将所有疑问抹去？

    3、“感觉皮质的一级区实现着对外界信息的初步分析和综合，…二级区主要负责整合的功能，…三级区是视觉、听觉、前庭觉、触觉和动觉的皮质部位的“重叠区”，它在实现各种分析器间的综合作用方面起着特殊的作用，这个区域受到损伤将引起复杂的同时性(空间)综合能力的破坏^[2]”。这样的观点几乎成了大脑信息处理、加工和传递的公式化理论，在相关的神经科学研究文献和教科书中均可找到类似的描述。至于这三级区域如何协调、如何工作恐怕再也找不到解释和依据了。

二、实验：切除端脑半球，验证意识现象的核心神经组织不在端脑

        1、实验目的

   以上述三个观点为依据，验证意识现象并非产生于皮层及大脑左右半球。

        2、实验过程及要求

   实验样本选择正常的人类活体大脑；实验时间跨度为50年以上，样本千个以上；实验操作人员为医术高超的神经外科医生；实验要求切除人类大脑的局部皮层、大面积皮层、直至整个大脑半球。（对于患者进行医疗手术，在理论研究上完全可类比为实验，后文以“实验”相称为方便说明问题，并非有意混淆伦理概念，特作说明）

    3、实验完成情况

    近几年来，国内神经外科的实验：“大脑半球切除术至今已有80多年的临床资料积累，传统的大脑半球切除术即解剖性大脑半球切除术是指切除患侧整个大脑半球包括额叶、顶叶、颞叶和枕叶，保留或部分切除基底神经节和丘脑的一种术式，适用于一侧大脑半球弥漫性损害伴药物难治性癫痫的患者，可获得术后60％～ 90％以上患者无发作的疗效^[3]”。对于某些大脑疾病必须整体切除左半或右半球的患者，手术之后，康复情况可根据患者手术时的年龄不同，康复情况也有差异。“患儿2～3岁实施大脑半球切除术，出现术后神经功能障碍的风险最小，…而术后患儿行为学和认知发育都有明显改善^[3]。”

（注：引自文献[3]插图）

上世纪40年代前后国外的实验：加拿大神经外科学家潘菲尔德(Penfield, 1891—1976)在对癫痫患者大脑手术之前，为了准确切除病变神经区域，在开颅后的大脑皮层表面采用电刺激的方式与患者沟通，根据患者反馈信息进行过许多研究，由电刺激引起的患者表述的内容或情景非常丰富^[4]。根据大脑皮层局部切除的位置不同，患者康复后，有的病人局部肌体组织瘫痪，有的失去了视、闻、嗅、味、触等某一人体功能，如语言表达丧失等。

大脑皮层或半球切除，在医疗实践中已非常普遍，近年来，手术过程中病人全程处在清醒状态，因为，只有当病人完全清醒时，医生通过电刺激皮层神经，才能获得病人的信息反馈，找出病变区域。

    三、结论：实验状况分析

    1、当整个半球切除后，半球中神经元都没有了，病人仍然意识正常。只能说明皮层及端脑并非是意识活动的核心区域。目前主流研究者还坚持认为大脑半球是信息加工、处理、传递的意识活动核心。提出所谓的速度细胞、位置细胞依据何在？用毫米级别的fMRI 技术图片推理出微米级别的神经元活动规律及其电信息变化的内涵，这就是“学术话语权的制高点效应”。

    2、还有一种观点认为，大脑左右半球具有等效的意识加工功能。据此，切除半球手术的医生也认为“患侧的功能已转移到健侧”。那么，1982年被授予诺贝尔生理学或医学奖的“左右脑分工理论”又如何成立呢？斯佩里将连接左右脑的胼胝体切断后，提出左右承担不同的功能。上述实验如采用“神经元模块化功能分工”模型^[5-7]解释。大脑的左右半球只是一个记忆储存神经元群。按目前神经学科52区的大脑划分方法，每一区域储存一类信息，不同的外部感知信息储存在不同的区域。同一记忆事件下不同类别的信息通过神经元突触进行关联，联接左右大脑半球的胼胝体确保了全脑所有区域储存的信息均有可能关联为一个记忆事件。胼胝体起到了类同于现代通讯中的光缆功能。30多年前，斯佩里的裂脑实验，只是切断了“光缆”，使原有记忆无法关联，产生了裂脑人现象；而新增的记忆储存只能在单边脑半球内完成关联。正常的人类大脑活动，随着学习和记忆事件的不断增加。左右半球内神经元被用于储存信息的比例越来越高，信息关联的复杂性也不断增加，且处在动态的变化之中。“记忆是可塑的、突触也是可塑的”，这是目前被确认的脑科学研究成果。关于端脑储存记忆的属性和特点将在后续文章进一步讨论。

         3、皮肤感受器从大脑外周感知获得的信息，其传递流程并非目前主流研究者所谓的“投射”走向，而应符合“神经元模块化功能分工模型”的信息流程走向^[5-7]，即，信息传递既存在有线传导，也存在无线传播。脑干和丘脑等部位的网状结构神经元群是意识感知的核心，而非“中断站”。神经学科主流学派假设的信息经丘脑“中继站”后“投射”到皮层的观点，有违于物理学基础理论。颅内神经元群各功能模块之间的信息传递是无线方式，大脑中绝不可能存在信息传导的线路一说^[1]。

   参考文献：

      [1]  DavidC Rowland and May-Britt Moser. From cortical modules to memories. Neurobiology 2014（24):22–27

[2]  唐孝威等主编,脑科学导论[M],杭州,浙江大学出版社,2006.10:23,119.

[3] 陈旭,胡航,程立冬等,功能性大脑半球切除术治疗儿童半球病变致难治性癫痫24例,实用医学杂志2014(6):857-860

      [4]狄海波, 人类大脑神经高级功能: 临床实验性研究[M],上海,上海教育出版社, 2010.8。

      [5]钟振余,意识的物理学原理和记忆的生物学机制[J],宁波大学学报理工版,2015(1):118-124.

      [6]钟振余,揭开意识活动的神秘面纱,科学网博。http://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=space&uid=1724380&do=blog&view=me&from=space&page=1

      [7] 钟振余,意识进化起始于神经元的模块化功能,科学网博文。http://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=space&uid=1724380&do=blog&view=me&from=space&page=1