脑洞大开:探寻思想的根源

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安德鲁·科布
中国人民大学出版社 2018-1

第 1 章 城市和高速路

早在 20 世纪 60 年代,人们发现神经胶质细胞(glial cell)占了大脑的 90%,神经元(neuron)则占 10%。根据这一新发现,理应得出如下结论:神经胶质细胞在神经系统中发挥主要作用。但事实并非如此,人们还是认为:我们只使用了我们大脑的 10%。

从很小的时候起,我们得到的信息都告诉我们,大脑中的主要细胞为神经元。类似的信息还有,神经元里保存着大脑中的所有信息。即便是在研究生阶段的学习中,神经元重要性的核心地位仍然是神经科学研究的基础。但是相对于科学真相,神经元学说已经演变得更像一个宗教,对那些有证据支持的最确定无疑的事实,如“我们只使用了我们大脑的 10%”依然置若罔闻。

然而,并不存在持续的论证或探索,来帮助我们了解我们的思想到底来源于哪里,我们的想象力住在哪里,我们的梦想从哪里点燃,以及创造力是如何发芽的。曾经有人用诸如“随机神经元放电”或“可相互连接性”等观点来解释这些未解之谜。但事实是,在大脑中,神经元是最不可能成为思想来源的细胞。

直到最近,人们还曾认为,神经胶质细胞相对于活跃神经元而言,只是结构部件而已,就像空隙一样,除了将大脑的各个部件——我们思想发动机的螺母、螺钉和框架黏合在一起之外,别无他用。

在该领域,神经元的重要性正被迫面临挑战。只有通过对神经胶质细胞进行研究,才可能真正实现脑损伤的恢复、脑部退行性疾病的归因、精神疾病的治疗,才可能真正了解人类智能。

之所以我们现在对神经胶质细胞的兴趣激增,有如下三个主要原因。第一,神经胶质细胞彼此之间以一种有益于信息存储的方式发送信号。第二,人们早就知道,神经胶质细胞是大多数脑肿瘤的细胞构成物。第三,如今研究人员了解到,在大脑中,神经胶质细胞为成体干细胞。

人们曾经认为,我们大脑的发育始于子宫,并且贯穿整个幼儿期,之后就在此状态下保持不变,直到我们死亡。如今人们了解到,我们整个成年期都在不断再生细胞。大脑中的干细胞就是神经胶质细胞,其能够自我复制,并且在需要时再生出神经元。

神经胶质细胞也能够就地再生,以便存储更多的信息。过去 30 年当中,最有趣的研究之一莫过于对阿尔伯特•爱因斯坦大脑的分析。当对不同类型细胞的标记物进行分析时,研究人员发现,爱因斯坦大脑的左侧角回(angular gyrus),即一个被认为是负责处理数学和语言表达的区域中所包含的神经胶质细胞,要显著地多于一般大脑。

如果神经胶质细胞是大脑中的信息存储库,并且假设人类具有最高的智力水平,那么较低等生物所拥有的神经胶质细胞应该少于人类。最惊人的研究之一当属对水蛭的研究,其体内每 30 个神经元才对应一个神经胶质细胞。这一个神经胶质细胞接收神经元感觉输入,并控制着神经元向身体放电。沿着进化阶梯向上看,在经常被研究的蠕虫秀丽隐杆线虫中,神经胶质细胞占了神经系统的 16%。果蝇的大脑中有大约 20% 的神经胶质细胞。在啮齿类动物——如大鼠和小鼠中,神经胶质细胞占了神经系统的 60%。黑猩猩的神经系统中有 80% 的神经胶质细胞,人类则有 90%。随着我们所定义的智力的增长,神经胶质细胞与神经元的比率也随之增加。

不仅神经胶质细胞与神经元的比率随着进化而增长,神经胶质细胞的数量也随之增加。人类大脑中的星形神经胶质细胞(astrocyte)比老鼠大脑中同类细胞的数量要多 27 倍。

在更高层次的物种(如猫、海豚)和其他灵长类动物的大脑中,你才会发现人类那种褶皱的大脑皮层。人类大脑皮层中的神经胶质细胞比黑猩猩要多 35%。

我们大脑中过多的神经胶质细胞或许能够解释这样一个事实,即人类相对于其他动物而言,更容易患像阿尔茨海默病和帕金森病此类扰乱思维的脑部退行性疾病。实际上,对于所有的脑部退行性疾病而言,在症状出现之前,首要迹象为嗅觉丧失。人们都知道,由于嗅觉的特性,嗅球(olfactory bulb)在大脑细胞中具有最高的更新率。嗅觉是不断变化的,因此我们的嗅球也被迫随之不断调整。神经胶质细胞则是其更新所必需的干细胞。

如今,在大多数实验室里,对脑部退行性疾病进行的研究更专注于疾病的副产品——神经元里的蛋白质,这就像把一条公路崩塌的原因推到路上的一个坑槽身上。

当神经胶质细胞的增殖(proliferation)机制过于活跃时,神经胶质细胞就会癌变。几乎所有的脑肿瘤都是神经胶质瘤,它就是由神经胶质细胞组成的。有没有可能神经胶质细胞再生是大脑的一个正常过程,只是其需要依据所掌握和整合的信息量,而保持在一个恒定的水平上?有没有可能当其不足时,就会导致退行性疾病,而当其过量时,则会促发脑肿瘤?

人们还一直认为,随着我们年龄的增长,神经元会减少。随着研究的进一步深入,发现神经元的数量保持不变,而神经胶质细胞却在增加和遭到破坏。近期的研究显示,神经胶质细胞会通过涉及钙离子流入的大量的网络,以电波的形式与它们自己进行通信。这些流入的钙会通过神经胶质细胞网状系统就地散播开来。有人还指出,神经胶质细胞表达接收神经元基本输入所必需的受体,同时其自身还会对神经元发送信号。

神经元沿着长长的轴突(axon)向下通信。神经元要么放电要么不放电。这被称为“全或无”现象。神经胶质细胞要复杂得多。它们的波状通信可能更有助于大脑对流体信息的处理。

如果神经胶质细胞负责处理和存储信息,那神经元负责什么呢?既然研究人员们知道神经胶质细胞会发信号给神经元,那么似乎神经元只是一些静态细胞,听候神经胶质细胞的召唤而去激发其他的神经胶质细胞区域,只有点燃这些区域才能够产生相应的想法。

举个例子,如果你像本书作者一样,想到了比萨,然后你又想到了马苏里拉(奶酪),继而想到了意大利,那么你正在点燃你脑中的三个神经胶质细胞中心。要想从一个中心到达另一个中心,如果它们之间的距离很远时,你必须通过神经元来进行连接。如果马苏里拉那个神经胶质细胞中心接收到了来自比萨那个神经胶质细胞中心强烈的神经放电,那么它就被点燃并想起那个神经胶质细胞中心里与马苏里拉有关的一切。

一个世纪以来,科学家们几乎从未对神经元主导地位的观点产生过质疑。即便是今天,如果说全世界 99% 的研究大脑的实验室仍然专注于对神经元的研究,也并非夸大其词。

这就好比外星人在加利福尼亚州南部登陆地球后,得出这样一个结论,即相对于圣迭戈和洛杉矶这两个城市本身而言,对连接它们的高速路进行探索是更加重要的事情。