如果说记忆是大脑皮质的整体功能,即一种动态回响,或者说成是脑整个组成部分的电流驻波图,而不是脑的个别部分的静态存储分布图,这样就能解释在脑的重要部分损伤后,记忆为什么还能残存的原因。但也有与此相反的论证。美国神经生理学家杰勒德(Ralph Gerard)在密执安大学作了如下试验:首先训练仓鼠学会走回路,然后将其放在冰箱内冷冻到冰点,一种诱导式的冬眠,要使温度降低到动物脑中一切可探测出的电流活动全部中断时为止。假如说,记忆的动态观点是正确的话,此试验应能成功地消除仓鼠跑迷津的一切记忆。事实相反,仓鼠记忆尚存。看来记忆是定位在脑的特定部位,脑在损伤后,记忆仍然存在,这一定是静位记忆痕迹在脑的不同部位多余储存的结果。
变形的身体模型图说明大脑皮质中有多少注意力集中到机体的各种不同部位,所展示的部位越大说明这部分越重要。图的左半部是大脑皮质展示的身体部位接收神经信息的感觉区;图的右半部是脑通向机体的神经冲动传递的对应图。图2是彭菲尔德的感觉区和运动区的大脑皮质机能定位图。从图中可见,脑的大部分区域都用于控制手指(特别是拇指)、口和<敏感詞>语言器官。正是这些器官,在人的生理学中才根据人的行为把人和动物加以区别开来。没有语言,我们的知识和文明不能发展;没有双手,我们的技术和业绩也永远不能建树。在某种意义上说,运动皮质图是对人的特点准确生动的描述。当前比这更有说服力的就是机能定位的论述。在一组精密的试验中,哈佛医学院的哈布尔(David Hubel)发现存在特殊脑细胞的网状结构。它们是水平位细胞、垂直位细胞和对角位细胞。这些细胞能有选择地对各个方位觉察到的影线进行应答,但每种细胞仅在觉察到的相应方位线上才能发生兴奋。至少,某些抽象思想的萌芽是由这些脑细胞引起的。
大脑皮质特定区域处理特殊的感性认识、感觉和运动功能。这些区域的存在意味着在脑重和智力间不需要有完整的相互关系。显然脑的有些部位要比<敏感詞>部位重要。根据现存的记录(公开发表的资料);脑最重的人是克伦威尔(Olive Cromwell)、特吉纳夫(Ivan Turgenev)和拜伦,这些人都是非常聪明的。艾伯特·爱因斯但虽很聪明,但他的脑量并不很大。弗朗斯(Anoctole France)比好多人都聪明伶俐,但他的脑仅是拜伦脑重的一半。刚生的婴儿其脑重/体重比率是相当高的(大约是12%)。人脑,尤其是大脑皮质在初生头三年——这个最快学习期内生长迅速。到六岁脑重就可达到成人量的90%。现代人平均脑重1375克左右(几乎有三磅重)。既然脑的密度同整个人体组织一样,大约等于水的密度(每立方厘米重1克),这样脑的容积就是1375立方厘米,不到一升半(一立方厘米体积大约有成年人肚脐那么大)。
不过现代女人的脑要比男人轻150克左右,如果把女人抚养孩子癖好考虑进去,就没有明显证据能说明男女之间还有总的智力差异,因为人的150克脑重肯定是无关紧要的。况且,不同人种的成年人脑重也不一样(一般来说,黄种人的脑要稍大于白种人)。既然证实了在相同的条件下智力不存在差异,所以相似的结论也就随之产生。拜伦脑重2200克,弗朗斯脑仅重1100克。脑体积上的差异表明,在一定范围内几百克的差额,对于脑的功能来说大概是无关紧要的。畸形小脑——天生过小的脑,这种成年人的认识能力大量丧失。典型畸形小脑者的脑重只有450克到900克重,正常的新生儿标准脑重为350克,1岁幼儿脑重大约是500克。当我们考查一个比一个小的脑重时,会很明显地得出如下结论:同正常的成人脑相比,如脑重过小其功能也一定会受到严重损害。
况且,在脑重(或者说脑体积)和人的智力之间存在着统计学对比关系,但这种关系不是一一相对的,不象拜伦——弗朗斯脑重相比看得一清二楚。固为我们无论如何不能通过测量某个人的脑体积大小,从而来判定此人的智力好坏。但是正如美国芝加哥大学进化论生物学家范.瓦伦(Leigh van Valen)所指出的那样,现有的资料已提供了脑体积和人智力间相当完整的平均对比关系。这是否意味着脑体积的大小在某种程度上将导致智力的高低呢?在脑体积和智力间没有相互影响的情况下,如果说如营养不良,尤其是在子宫内和婴儿期的营养不足将能引起脑体积过小,从而造成智力偏低又有什么不可以的呢?范.瓦伦指出,脑体积和智力间的对比关系,要远远胜过众所周知的受营养不足影响的身高或成人体重同智力间的对比关系。毫无疑问,营养不足可以降低智力。因此除这方面影响外,似乎应有一个范围,在此范围内体积绝对大的脑趋向产生较高的智力。
在考察新的智力区时发现,可对脑体积进行数量级估计,但不必要高度精确。这对勾画问题轮廓和指导今后的研究是有用的。在研究脑体积和智力间联系的问题时,想要统计每立方厘米脑功能的具体数字,这显然远远超越了现代科学的能力。但可不可以有一个粗略的大致的方法算出脑重和智力的关系呢?
因为女人的脑重小已成体系,况且女人的体重也比男人轻,正是由于这个原因,男女间脑重差异引起了人们的研究兴趣。既然受控机体较轻,脑重相应小些又有什么不可以的呢?这就暗示出,计算脑重/体重比率是一种比单纯测量绝对脑重较好的测定智力方法。
图3所示为各种动物的脑重和体重。鱼和爬虫类同鸟类以及哺乳类有着显著的区别。就脑重/体重比率而言,哺乳动物的脑重一贯是较高的。哺乳动物的脑要比在体积上与其类似的现代爬虫动物的脑,重十到一百倍。哺乳动物和恐龙的差异就更引人注目了。这种差异虽然大得惊人,但却是完全成规则体系的。人属于哺乳动物纲,因此可能对哺乳动物和爬虫动物的相应智力存有某些偏见。但哺乳动物的智力同爬虫动物相比,确实是较高的,在这一点上证据确凿,并且是令人信服的。这里也提到了引起人们兴趣的例外,有一种和小型驼鸟相似的白垩纪晚期恐龙,称之似驼龙。由于它的脑重/体重比率大大超出了爬虫类,所以只好将其归入地区图表里,否则它是介于大型鸟类和低等哺乳动物之间的一种生物。进一步探究这种生物是非常有趣的。加拿大国立博物馆古生物部主任拉塞尔(Dale Russell)已对这种动物作了更详尽的考察和研究。在图3中也可看出包括人这个生物分类的灵长目动物已同<敏感詞>哺乳类截然区分开了。但还缺少系统性,灵长目动物平均脑重要比相同体重的非灵长目哺乳动物大2~20倍。
如果要详尽研究这一图表以便把一些特殊的动物区分出图4所展示的机体中,就体重而论,脑重最大的动物是智人,占第二位的是海豚①。另外,从其行为上也可证实,至少人和海豚是地球上智力最强的机体,我不认为这种观点是沙文主义的。就连亚里士多德也意识到了脑重/体重比率的重要性。洛杉矶加利福尼亚大学神经精神病学家杰里森是当代这一观点的主要代表者,杰里森也曾指出,在这个相互关系中总有一些例外,例如欧洲微小的鼩鼱,其脑重与体重比是0.1克比4.7克,这是人的范围内的较大比率。我们知道即使脑的功能再简单,仅是一些辅助性功能也必须有最低限度的脑重。但是我们还不能预料这种脑重和体重的相互关系是否也适用于最小的动物。
①按脑重/体重比率这一判断标准,鲨鱼是鱼类中最灵敏的。此点与鱼类生态学环境是相符合的。因为捕食者必须比草食者浮游动物聪明。在脑重/体重比率增长上,以及脑的三个主要组成部分的协调中枢的发育上,鲨鱼的进化与陆上高级脊椎动物的进展是并驾齐驱的。
海豚的近亲,成熟的巨头鲸的脑重几乎达9000克,是人平均脑量的6.5倍,这在脑的总重中也是少见的,但其脑重/体重的比率就小得可怜了。然而身躯庞大的恐龙的脑重又只是巨头鲸的百分之一。鲸鱼要这么大的脑做什么?是否巨头鲸还有思想、见解、艺术、科学和传说呢?如果不考虑行为,只考虑脑重和体重比率,井以此作为判定各种动物相对智力的标准,往往是较为准确的,这正是物理学家所说的那种颇受欢迎的第一近似值。如果说不是人祖,至少是人的旁系亲属——南方古猿也具有对其体重来说体积较大的脑。这一史料可供未来参考。和同种的成年者相比,头颅较大的婴儿和小动物,对人们有着一种莫名其妙的吸引力,我不知道此种兴趣是否来源于我们对脑重/体重比率重要性的下意识的了解。
到现在为止,论述的资料表明,哺乳动物是从二亿年前的爬虫动物进化来的。这种进化总是伴有脑体积和智力上相应明显的增长,同样表明,人是几百万年前的灵长目动物进化来的,这一进化也是以脑的更加惊人的增长为特征的。人脑(除似乎与认识功能无关的小脑外)含有大约100亿称之为神经元的开关元件(小脑位于脑后部,在大脑皮层之下,另含有100亿神经元)。神经元或神经细胞能产生出电流。意大利解剖学家高尔瓦尼(Luigi Galvani)正是通过和利用这个办法来发现电的。他发现电流冲动一传导到青蛙的下肢,下肢就必然发生抽动。因此动物的运动(活动)从最深的意义来讲是由电引起的。这种观点虽普遍能为人们接受,但这顶多不过是部分真理。沿神经纤维传导的电冲动通过神经化学的中介物,引起了这种肢体关节运动。而这种电冲动是在大脑里产生的。不过要追溯现代的电学和电力与电子工业的起源,可看成是来源于十八世纪的电刺激青蛙抽动实验。
事情发生在高尔瓦尼后的几十年,有一组从事文学创作的英国人,因险恶严酷的气候被困搁在阿尔卑斯山中,他们争先恐后地编写极端恐怖小说。他们当中的谢利(Mary Wollstoneeraft Shelley)编著了一部现代闻名的小说《弗兰肯斯坦医师的畸胎》。据说这个畸胎就是用强电流救活的。从那时起恐怖凄凉的哥特式小说和恐怖电影的主要情节都围绕电气设备来进行构思,其基本思想就是高尔瓦尼的观点。这些想法虽然都是虚构的,但这种思想却逐渐巧妙地潜入许多西方语言,如我写此书所用的语言——英语。尽管已有证据表明,某些特殊记忆和<敏感詞>感性认识活动可能存储在脑的特殊分子内,如在核糖核酸和小分子蛋白质内,但大部分神经生物学者认为,神经元是脑功能活动的有效组成成分。脑的每个神经元大部含有10个精神胶质细胞(来自希腊字“glue”——胶),它们为神经元结构的支架提供了保证。人脑中每个神经元有1000~10000个突触,即同邻近神经元毗连的神经键[许多脊髓神经元似乎有10000个左右神经突触,那种所谓的小脑浦肯野氏细胞(存于小脑皮层的中层内——译注)所含的突触数目可能还要多,脑皮质中的神经元键数大概小于10000个]。假如每个神经元突触都能应答是或否这样的基本问题,象电子计算机的开关元件那样,这个是或否答案的最大值即信息位大约可达1010x103=1013。10万亿位(假如每个神经元我们用了10000个突触,那就是100万亿位,1014位)。某些此类突触也一定含蕴着同在<敏感詞>突触中所含有的相同信息量。某些突触与运动原(指肌肉、运动神经或中枢——译注)和<敏感詞>非感性认识的活动有关。某些突触可能仅仅是一种等候新的信息振颤通过的空间缓冲剂。
在每个人头脑中如仅有一个应答极度迟钝的突触,那我们就能有两种精神状态。如果我们有两个突触,那么就有22=4种精神状态。如有3个突触,那就是23=8种精神状态。人脑的特点就在于有10万亿(1013)突触。这样,人脑的不同状态数是之的1013幂,也就是2自乘到1013次。这是个难以想象的惊人数字。这个数大大超过整个宇宙中基本粒子(电子和质子)的总数,基本粒子的总数远远小于之自乘到1000次。正因为这种巨量的脑功能的不同构型,两个人,甚至是一对完全一模一样的孪生子,也不会完全相象。这种大量的不同构型也能解释人们的某些不可预料性,这也是有时我们为自己所做的一切感到惊讶的根源。确实面对这些数字,人们渴望知道人的行为还有没有规律性。这个问题答案应是:所有脑状态并非已经全部都搞清楚了。在人类历史中,可能还有大量的神经构型从未被人探究过,甚至从未一瞥过。从这个观点来看,每个人都各不相同,而所谓个人生命的神圣就是一种似是而非的伦理学的后果。
近年来已清楚地知道,在脑里有微型电路,在这个微型电路中,神经元能够应答是或否问题的范围,比电子计算机开关元件还要广泛得多。这种微型电路虽然异常微小(其典型的尺寸大约是万分之一厘米),但却能敏捷地处理数据,它们能对兴奋一般神经元所必需的大约百分之一伏电压发生应答,因此,这种应答是比较精细敏锐的。此种微型电路有点符合我们平时对动物复杂性的看法,这种复杂性的绝对和相对界限达到了最大值。近来在人的胚胎学中,对微型电路的研究也取得了进展。微型电路的存在表明了,智力可能不仅是高度的脑重/体重比率的结果,同时也是大量的脑开关元件功能特化的结果。微型电路使脑可能存有的状态数比我们以前计算的还要多,这样也就大大增强了每个人脑的惊人的独立性。
我们可以通过各种不同途径——内省地探讨人脑信息量问题。试想一下童年时的视觉记忆,详尽考察你的视力情况。想象它是由象报纸传真照片那样一群细点组成的,而且每个圆点都有一定的颜色和亮度。现在你要问,如表征每个圆点的颜色和亮度需要多少信息位?构成这幅可以回忆起来的图象需要多少圆点?在你头脑的视力内,要回忆起所有的图象细节需多长时间?在这一内省中,在任何时刻你都会把焦点集中在很小的图象部分。你的视界是有限的,当你投入所有这些数字时,你就能讲出大脑所处理的信息速率(比特/秒)。当我做此种计算时,我就说出我的大脑处理的峰值速率大约是5000比特/秒①。
①在一个水平面上水平地构成一个180度的角。观察月亮的径向视角是0.5度。我想要能看到月亮上的细节,在径向上要分成12个象点。这样我的视力就可大约解决0.5/12=0.04度。比这再小的任何东西我就看不见了。我头脑中的观察力以及我真正的视力的瞬时视界似乎每一边都有2度,困此在任何指定时刻,我所能见到方块图象包括有(2/0.04)2=2500象点,与传真照片的圆点相对应。为了表征所有可能存在的灰影和此种园点的颜色,每个象点需要大约20比特。这样要描画出我所见的小图象就需2500x20即50000比特左右,画出这个图象所花时间大约为10秒钟,这样我处理速率的感觉数据大概不大于50000/10=5000比特/秒。为对照起见,我们看看“海盗”着陆器的照像机。它的析象清晰度是0.04度,每个象点仅需6比特来表征亮度,并通过500比特/秒速率的无线电波直接传送到地球上。脑神经元产生大约25瓦特的功率,这个功率仅能勉强打开一个小白炽灯。这样“海盗”登陆器要传送无线电通讯和完成<敏感詞>活动就需要有大约50瓦的总功率。
这种最常见的视力回忆都集中在形成图象边缘和由明到暗轮廓鲜明的变化上,而不是在中等亮度的轮廓上。例如青蛙注视东西时,总对亮度梯度有很大的偏向。大量的证据表明,相当常见的详细记忆是在内部,而不是在形状的边缘上。可能最引人注目的事例就是人的空间图象立体结构实验。用一只眼回忆图象,另一只眼观看着图。汇集这一立体图象需要10000象点的记忆。
我醒着时,从不进行视觉图象回忆,也从不连续不断地对人或物进行紧张而细腻的端详。也许我一生中有百分之几的时间是从事那种工作的。我的<敏感詞>信息通道——听觉、触觉、嗅觉和味觉的传送速率是很低的。我推断我的头脑处理的平均数据速率大约是5000/50=100比特/秒。假如我的回忆是完美无缺的话,在我过了60岁以后,我在视觉和<敏感詞>方面的记忆总计会达到2x1011,即2000亿比特。这个数字要比突触即神经键的数目小,但不是小得很多(固为除了回忆外,脑还要做更多的工作)。这也表明神经元确实是脑功能活动的主要开关元件。
美国心理学家罗森茨韦克(Mark Rosenzweig)和他的伯克利加利福尼亚大学同事们,做了一系列学习期间脑变化的实验研究。这一实验是卓有成效的。他们训养了两种不同种群的试验鼠,一种放在单调重复贫乏无味的环境中,另一种则生存在生气勃勃丰富多样的环境中。后一种群的试验鼠的大脑皮质厚度和脑重上都表现出惊人的增长,同时在脑的化学结构上也伴有变化。成年鼠和幼鼠都有这种增长,这种试验说明生理变化与智力的经验是同时发生的,并表明可塑性是受形态结构控制的。既然较大较厚的大脑皮质可以使未来的学习更轻松容易些,从而就能推断出丰富多采的环境对儿童的重要性。
这意味着,学习新事物同形成新突触或激活濒死的老突触是一致的。伊利诺斯大学美国神经解剖学家格里诺(Willian Greenough)同他的合作者已得到这一结论的证据。他们发现,在实验室里,经几周学习训练后,在鼠的大脑皮质中增加和发展了那种形成突触的新神经分枝。另一群鼠虽经相同处理,但未经类似训练,就显露不出这种神经解剖上的新奇变化,要构成新的突触就需合成蛋白质和核糖核酸分子。大量的证据表明,这些分子都是于学习期间在大脑里生成的。许多科学家认为,学习就含蕴在脑的蛋白质或核糖核酸内,看来可能性更大的是,新的信息贮存在由蛋白质和DNA依次构成的神经元中。
存储在脑里的信息密度有多大?现代使用的计算机的典型信息密度大约是每立方厘米一百万比特。电子计算机的总信息量除以计算机的体积所得的数值,正象我们估计的那样,在比1000立方厘米多一点的大脑里约含1013比特,人脑的信息量可达1013/103=1010,即大约为100亿比特/立方厘米。所以尽管计算机体积较大,但脑的存贮信息密度要比计算机大一万倍。换句话说,电子计算机要处理人脑这么多信息量,在体积上就得比人脑大一万倍。
现代电子计算机可以处理的信息率为1016~1017比特/秒。人脑同计算机的峰值速率相比就要慢100亿倍。尽管脑的总信息量是如此小,处理速率又是这样低,但人脑要比最好的电子计算机完成的工作还要多,而且还卓有成效。可想而知,脑的“组装”和“配线”就需要格外精细了。
动物的脑神经元数并没有象脑体积本身那样成倍增长,这方面增长很慢,正如我们所估量的那样,人脑体积如不把小脑计算在内大约是1375立方厘米,在这么大体积的人脑内有100亿神经元并含有大约1013(10万亿)比特。在美国马里兰州贝塞斯达镇附近的国立精神保健研究所实验室里,我还保存着一个家兔的脑。它的体积大约是30立方厘米,中等萝卜那么大,相当于几亿神经元和几千亿比特,这么大的脑就能控制用力咀嚼莴苣、抽动鼻子以及成年兔的调情等动作。
既然象哺乳类、爬虫类或两栖类这样的生物分类包括有脑量大小截然不同的各种各样动物,因此我们不可能确切地估量出每类有代表性的动物脑神经元数,但是我们可以估计出图1中所提出的平均值,这些粗略的估计表明人脑的信息位要比家兔大100倍左右。我不晓得这是否就意味着人要比家兔聪明100倍。我不能确定这是否是一种令人啼笑皆非的论点(当然更无法理解100只家兔和一个人一样聪明的说法了)。
目前我们可以通过进化时间来比较贮存在机体的遗传物质和脑内信息量的逐步增长情况。图1中两条曲线交叉处的时间是在几亿年前,当时脑的信息量只有几十亿比特。石炭纪时,在水汽濛濛的丛林里,世界上首次出现了一种脑内信息大于基因信息的生物体,这就是早期爬虫。假如我们在一个已采用了先进技术的时代里见到它,决不会认为它是异常聪明的。但是在生命史上,它的脑是一个象征性的转折点。随着哺乳动物的出现以及象人类一样的灵长目动物的诞生,在脑进化中两次相继的飞跃大地促进了智力的进化。自石炭纪后,生命史上有许多事件可以说明脑对基取已逐步地(肯定不是完全地)取得了优势。 |