神經科學研究的重點,就是對於「人之所以為人」這個終極問題的追求

神經科學研究的重點,就是對於「人之所以為人」這個終極問題的追求
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迄今百餘年來,神經系統歷經顯微解剖、電生理、神經化學、神經藥理、分子生物,以及計算機科學等許多學門的聯合進擊,已不再如是神祕。

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文:潘震澤

腦部高階功能的研究:行為與意識

雖然薛靈頓幾乎以一人之力,建立了我們對神經系統運作方式的認識,但他(包括他的學生埃寇爾斯)卻不願意對意識的運作有過多的猜測,而寧願相信有個獨立的心靈存在。在我們對腦中神經連結與運作有更多瞭解之前,這其實是科學家「知之為知之、不知為不知」的實事求是態度,尤其是以化約研究法為主的神經生理學家。

行為與意識的研究,起初屬於心理學的範疇;心理與生理的分野,可說是心物二元論的最佳例證之一。由於心靈意識的不可捉摸,所以早先的心理學研究,都以觀察及內省為主,與思辯論證為主的哲學差別不大,而與屬於實驗科學的生理學有相當差距。隨著研究方法與工具的進步,如今的實驗心理學早已歸入神經科學的大纛之下;神經科學家也終於可以在活體動物與人腦中,一窺其運作情況,並著手建立所有神經連結的圖譜。雖然這麼做離真正解開意識的奧祕還有一段距離,但神經科學家的共識是:意識是腦部整體功能的呈現,沒有腦中諸多神經細胞的協同運作,也就沒有意識可言。這一層認識,就是從DNA研究改行研究腦部運作的諾貝爾獎得主克里克(Francis Crick)所提出的「驚異假說」。

至於意識的基本組成,離不開大腦學習與記憶的功能;最早對學習的行為機制建立起實驗方法的,是俄國消化生理學家帕甫洛夫(參見〈消化生理簡史〉)。話說帕甫洛夫在他的實驗狗身上發現了消化作用有神經系統參與控制,包括狗只要看到食物、甚至還沒有吃入口中,就會刺激唾液與胃液的分泌。由於狗的唾液腺分泌十分敏感,也比胃液容易收集,因此帕甫洛夫利用唾液分泌的有無及數量多寡,當作「食慾」的指標。尤有甚者,他還發現當狗看到固定餵食的工作人員走近時,也會分泌唾液。顯然,狗從經驗中學會,看到某人就等於看到食物一般。

帕甫洛夫將食物造成的唾液分泌,稱為「非制約反射」(unconditioned reflex,或譯「非條件反射」),因為這種反射可說是天生的,不需要學習;反之,他將其他與食物產生關聯的人事物所引起的唾液分泌,稱作「制約(條件)反射」(conditioned reflex),因為這種反應需要與非制約反射進行多次配對,才會產生(食物這種天然刺激稱作「非制約刺激」,與之配對的人事物則稱作「制約刺激」)。如果原來給狗餵食的人員一連幾天出現時都沒有帶來食物,那麼狗的這項制約反射行為就會逐漸消弱(extinction)。

經由測定唾液分泌這種簡單的生理反應,帕甫洛夫得以針對心靈意識的黑箱作業進行探討。他發現,狗不但可對具有特定物理性質的物件產生制約反射,牠們甚至還可以分辨不同的頻率、色澤以及形狀。例如他可以訓練狗對每分鐘跳六十下的節拍器反應,但對跳四十下的同一個節拍器則不反應。

由於狗的制約反射很容易受到其他的外來刺激干擾,為此帕甫洛夫還設計了全新的建築,不單牆壁厚實,外圍有壕溝環繞,實驗室並有防震設計。位於其中的實驗狗,除了接受引起制約反射的刺激外,其他所有聲光刺激一律加以隔絕,甚至人員的進出都盡量避免,餵食及實驗進行都由特別設計的機器代勞,包括唾液的收集在內。這種實驗室有個特別的名稱,叫做「寂靜之塔」(Tower of Silence)。

事實上,帕甫洛夫所發現的,是一種記憶與學習的生理表現,離心靈意識的瞭解還有相當距離,但對於二十世紀初方才萌芽的神經科學而言,卻是了不起的突破。科學家終於有了客觀的方法,可以研究心靈的運作。對於長期受到宗教信仰箝制的社會而言,試圖以物質的原理來解釋心靈的運作,可是對上帝的大膽僭越;為此,帕甫洛夫還與信仰虔誠的妻子起過爭執。

除了發現實驗狗可以學會不同的制約反射外,帕甫洛夫還發現不同的狗會出現不同的反應:有的狗只要重複幾次就可以建立反射,有的則一試再試,仍然失敗。帕甫洛夫甚至把這樣的實驗結果推廣到人類身上;他認為與德國及英國人相比,俄國人的神經系統就不夠平衡,可能因此導致俄國社會的不夠進步。他在晚年還進行了改進人類神經系統的研究計畫,可想而知,那是太過單純而一廂情願的想法。

從發現制約反射後,帕甫洛夫的研究大多數都與動物的思想及情緒有關,他稱之為「高等神經活動的生理學研究」,也就是腦生理學。一九二七年,他將有關制約反射的研究結集出版,書名《制約反射:大腦皮質活性的研究》(Conditioned Reflexes: An Investigation of the Physiological Activity of the Cerebral Cortex),該書迅速被譯成多國文字,制約反射也因此成為帕甫洛夫最出名的研究成果,甚至超過他之前獲得諾貝爾獎的消化生理研究。

百餘年來,制約反射的實驗模式已成為研究學習與記憶的標準模式,迄今不衰,甚至包括情緒反應在內,但其機制卻花了更長時間才逐漸揭開。由於神經元的難以再生一向「惡名昭彰」(從腦中風與脊髓受傷的病人可見一斑),因此卡厚爾早在一八九四年就提出學習的基礎不在於神經元的增生,而在於強化現有的神經連結。一九四九年,加拿大心理學家赫伯(Donald Hebb)提出假說,說相鄰兩神經元之間的連結,可因持續興奮而加強;至於如何加強,赫伯則沒有答案。

一九六〇年代後葉,挪威神經科學家勒莫(Terje Lømo)在進行博士論文研究期間,發現腦中海馬的神經細胞連結可因連續快速刺激而反應增強,並可持續一段時間。他把這個現象定名為「長期增益效應」(long-term potentiation)。長期增益效應連同反方向的「長期減損效應」(long-term depression),是目前公認學習與記憶的基本機制,也給赫伯的理論提供了直接的證據。五十多年來,從活體動物到離體腦薄片、從細胞外電生理記錄到分子生物學技術,長期增益效應研究已走了相當長遠的路,建立了神經可塑性(neuroplasticity)的生理基礎。

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神經可塑性指的是神經的連結並非固定不變,而可表現出用進廢退式的變化;這是學習與經驗的基礎,更是復健醫學的根據。一九六〇年代初,美國心理學家羅森懷格(Mark Rosenzweig)發現,飼養在豐富環境裡的老鼠(空間較大,有同伴相陪、旋轉輪可運動、有玩具可玩,以及擺設經常更動等),其腦部重量、厚度、神經傳遞物質數量、神經之間的連結,以及神經突起分支等,都有增加;同時這些動物在學習跑迷宮的測試上,表現也較好。顯然,腦部的發育並非全由先天遺傳決定,後天環境的刺激也扮演重要的角色。這種神經可塑性的例證多不勝數,而且不限於成長發育期,給「活到老學到老」的傳統智慧提供了科學的證據。

一九六〇年代中,美國神經科學家肯德爾(Eric Kandel)不顧許多同行的勸阻,決定以軟體動物海蛞蝓(Aplysia,又名海兔〔sea hare〕)做為研究學習與記憶的動物模型。他的理由是海蛞蝓的神經系統相對簡單,只有兩萬個神經元(哺乳動物腦中有上千億個),大多集中於九個神經節;同時其神經元的直徑高達一毫米(mm),是哺乳動物神經元的五十倍大,肉眼可見,方便做細胞內記錄。最後,海蛞蝓有幾個簡單的反射(縮鰓與縮排水管)可用來研究學習與記憶的各個面向,包括習慣化(habituation)、去習慣化(dishabituation)、致敏化(sensitization)、古典制約(classical conditioning)以及操作制約(operant conditioning)等。

肯德爾與同事發現,神經突觸連結在學習過程中會有強度的改變,因此產生習慣化或致敏化。進一步研究發現,突觸連結強度的改變有許多層面,從突觸連結的面積、神經遞質的釋放量,到突觸後受體的數量與突觸後神經細胞內的訊息轉換不等。因此,就算只有單一突觸產生變化,就可以改變突觸傳遞的強度;卡厚爾的先知卓見,再次得到證實。

此外,肯德爾與同事還利用刺激海蛞蝓身上的不同部位(制約刺激),與引起反射的刺激(非制約刺激)配對,形成帕甫洛夫式的古典制約反射,進而探討其分子機制;因此,純粹由行為學研究所建立的心理學觀念,終於可以用細胞與分子的機制解釋。肯德爾因為此項貢獻,獲頒二〇〇〇年的諾貝爾生醫獎。

二十世紀末神經科學還有一項重大發現,就是神經細胞不像之前所認定的那麼死板,成年後就只有死亡一條路,無法再生;科學家發現少數腦區(如海馬、嗅球)仍存在神經幹細胞,能夠不斷形成新的神經元。事實上,早在一九六〇年代就有人提出報告:成年哺乳動物腦中仍可發現新生的神經元,之後還有更多的研究支持神經元新生理論。只不過任何古老教條都有許多支持者,撼動不易;一直要等到一九九八年才有瑞典與美國的神經科學家合作,提出人腦也有神經元新生的證據,才把「成年神經元無法再生」的教條送入墳墓。

結語

人腦被稱為人體最後一塊未知領域,其構造與功能困擾了幾千年來無數智者,直到十九世紀末才開始讓人一窺堂奧。迄今百餘年來,神經系統歷經顯微解剖、電生理、神經化學、神經藥理、分子生物,以及計算機科學等許多學門的聯合進擊,已不再如是神祕。隨著電腦儲存與計算功能逐漸強大,甚至有許多人預測再過二、三十年,人工智慧將超越人腦,並取得獨立性。到時機器將與人類並存於世,不是取代人類就是與人合而為一;這些人替這個情況取了一個名字,叫「奇異點」(singularity),說是「人類歷史織錦出現斷裂的一刻」。包括英國天文物理學家霍金在內的許多人也都發言警告,說人工智慧(artificial intelligence)的發展將危及人類的生存。

人工智慧是否終將取得自覺與自我改進的能力,進而對人類造成威脅,非作者所能置喙;但奇異點的提倡者還有一項預測,說是可將人的思想與記憶掃描成可存入電腦記憶體的數位檔案。這樣一來,就算人的肉體會因老病而腐朽,但人的心靈可保永生。這種想法十分吸引人,在科幻小說與電影中也數見不鮮;但只要是懂得一點人腦如何組成及運作的生物學家,大概都不會認為那是可以辦到的事。因為神經系統的運作靠的是神經元的活性及其連結,一來其組合方式無窮且瞬息萬變,再來其資訊傳遞方式與電腦處理器以0與1的數位運作方式截然不同,無從讓人掃描記錄起。

不論如何,神經生理以至於整體神經科學研究的重點,是對於人腦的運作有更深入的瞭解,這也是人類對於「人之所以為人」這個終極問題的追求。雖然目前我們對神經系統的基本運作已有相當認識,但離完全解開大腦高階功能的奧祕仍有一段距離。「人腦完全瞭解人腦」的弔詭問題是否能夠解決,且讓我們拭目以待。

書籍介紹

本文摘錄自《發現人體:生理學簡史》,衛城出版
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作者:潘震澤

曾經有很長一段時間(一千五百年!),西方醫學純粹是靠背誦羅馬時代的權威作品來認識人體和醫治疾病,鮮少有什麼知識上的實際進展,甚至連提出不同意見都有可能被教會抓去坐牢。如果權威作品對人體運作與功能的說法有誤,那麼治病的方法當然也就問題重重。美國一位開國元勳就曾在黃熱病肆虐的時候,根據傳統的理論每天替上百個病人放血治療,但是實際上因放血而死的病人,可能比死於黃熱病的還多。

《發現人體》以全面而有系統的方式,介紹西方醫學及科學傳統對人類生理機制的認識歷程,書中可以看到許多有趣的科學發現故事。例如十九世紀一位美國軍醫救治一名腹部遭到槍傷的工人,康復的過程中他的胃部傷口與皮膚傷口癒合在一起,變成一個可以從外部通往胃袋裡面的通道,意外成為瞭解胃部消化情形千載難逢的實驗對象。

作者潘震澤在臺灣與美國各大學教授生理學多年,不但譯介科普書籍超過二十年,撰寫科普文章也超過十五年,同時具備深厚的專業知識與流暢的表達技巧,是帶領讀者認識人體發現歷程的絕佳嚮導。

發現人體:生理學簡史
Photo Credit: 衛城出版

責任編輯:潘柏翰
核稿編輯:翁世航

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