大脑并非一碗汤,而是一台计算机

​你一定听说过诸如“脑化学”和“化学失衡”这类词,说人体内有多巴胺、血清素、谷氨酸盐等多种化学物质,而精神科医生们可以用药物改变它们在体内的含量。有句老话说,“如果你手里有把锤子,所有问题看上去都是钉子”。对许多临床医生而言,这句话得改成“如果你手里有药,大脑看上去就是一堆化学物质”。其实不是一堆,而是一碗,一碗化学物质做成的汤。这被称作大脑的化学汤模型

汤模型的问题在于,大脑的基本构成单位是单个的神经细胞或神经元,这些神经元各不相同,处理的信息也各不相同。每个神经元都从其他神经元获得独特的信息输入,然后决定何时通过发送电脉冲(即所谓的动作电位)将信号释放给其独特的输出神经元。虽然动作电位在神经元之间通过名为“突触”的化学连接点来实现,但每个突触携带的信息却不同,因为任何两个相连的神经元编码的信息都是独一无二的。因此,大脑其实并非一碗融汇了50来种化学物质的汤,而是860亿个神经元的活动模式。大脑的语言更偏向电,而非化学式的。它就像一台计算机,而非一碗汤。

为了更好地说明问题,我们来把大脑和其他器官作个对比。就拿肾来说,如果你理解肾在微观层面的工作原理(即肾细胞如何过滤血液,调节水盐代谢并形成浓缩尿),推而广之就可以理解肾的整体工作方式。但大脑可没这么简单。即使有一种完美的模型可以模拟单个神经元的工作机制,完整地模拟它们如何整合信息输入、决定何时发出动作电位、并将信号传达给输出神经元,我们也还是理解不了大脑。

大脑并非一碗汤,而是一台计算机

当足够多的神经元连在一起时,情况就会变得错综复杂。一个神经元?没意思。两个神经元?还是没劲。秀丽隐杆线虫是迄今为止唯一拥有完整神经网络图谱的生物,即使是它也有302个神经元,且这种简单生物已经具备寻找食物和逃离危险的能力。果蝇的大脑有10万个神经元,实验显示,果蝇可以学习复杂的行为联系。

作为动物界的“最强大脑”,人类拥有须经折叠方可被颅骨容纳的大面积大脑皮层,并且我们的大脑具备看、听、计划、表演、推导、交流、哀伤、爱与做梦等高级功能。这种感觉、行为、认知和情绪之完备令人惊叹,这正是源自人类大脑内部的精妙而复杂的连接方式。而这种精妙与复杂是所谓的汤模型难以尽述的。

除了在审美方面有所欠缺,汤模型也会在我们试图理解和治疗精神疾病时造成误导。以幻觉现象为例,如果一名患者认为自己听到了并非来自外部世界的声音,那就意味着他脑中已经生成了代表感知声音的神经活动模式,并将该声音的来源错误地解释为外部世界。

大脑并非一碗汤,而是一台计算机

我们的大脑时常产生自发活动,大家都有过这样的经历,但我们拥有有效的验错机制,可以将内部生成的信号过滤掉。当这些机制不奏效时,就相当于计算失败,然后就会导致幻觉。如果没有一套关于感官输入是如何形成神经感知的有力理论,我们也许永远都无法充分了解并治疗幻觉。

汤模型声称,幻觉的产生就是因为多巴胺过量,使用多巴胺阻断剂即可治疗,但关于感知的计算它却只字未提。不巧的是,无数神经回路的突触都会用到多巴胺,包括奖赏过程和运动控制,而且当多巴胺被阻断时,患者常常无法感受愉悦,而且会引发类似帕金森症的运动障碍。此等严重的副作用可不是随便咬牙忍忍就能过去的。

最近,加州理工学院的神经科学家大卫·安德森在TED发表了一篇演讲,题为“大脑并非化学物质的简单堆砌”,他在其中对当前精神治疗的问题作了很好的总结:

“这些药的副作用太多,因为用它们来治疗一种复杂的精神紊乱就像是为了换发动机机油,却把油泼到了整个发动机组上。有一些当然会流到需要的地方发挥作用,但大多数还是会引发不该有的问题,弊大于利。

简而言之,把幻觉归因于多巴胺过量,并按照处理汤里盐过多的方式予以治疗,实在太过于简单粗暴。但不幸的是,汤模型十分泛滥。它不仅主导了精神科住院医师的教育,更是在医药行业的实际操作中被进一步强化,因为固持这一模型站得住脚,就等于让人们相信改变影响神经系统里化学物质的整体水平就可以有效治疗精神疾病,医药行业会从中渔利。

大脑并非一碗汤,而是一台计算机

有知名精神科医生在纽约时报的专栏版上声讨当前的治疗方式,但转身得出的结论却是必须开发新药。这之中其实还是存在对化学汤模型的隐性依赖:大脑由化学物质构成,所以要治疗它,就要用药。

如果我们将精神疾病视为神经计算的失误,在这样的前提下,要开发新疗法就必须从计算的角度去理解神经功能。新疗法可以是非药物疗法,比如先进的靶向精神疗法或直接的电流操纵等。后者听起来可能像是科幻小说,但近100年里,治疗抑郁症最有效的一直都是电痉挛疗法,这是精神病学领域一个不可告人的秘密。现在想象一下,如果我们能基于有力的计算理论,通过颅骨内部的电极、而非像电痉挛疗法一样盲目地将电流通过头皮导入整个大脑,从而以电的形式与特定的神经元和神经回路实现交互,是不是听起来更有效呢?

我是一名临床精神科医生,同时也是一位理论神经科学家,开发数学模型用以研究神经元网络的计算。这种组合还是很独特的。通常情况下,精神科医生很少接受充分的量化训练,因而常会陷入汤模型的泥淖中无法自拔;而神经理论家虽然研究计算,但他们常常是从物理学家、计算机科学家和工程师“半路出家”改道研究大脑,在疾病治疗方面的经验捉襟见肘(我的博士和博士后导师是分别是统计学家和天体物理学家)。我的职业目标之一就是希望发挥我的两个身份之所长,来弥合现存的差距:帮助精神科医生跳出汤模型的窠臼,同时让神经理论家得以将精神疾病作为计算紊乱来研究

大脑并非一碗汤,而是一台计算机

我在我的博客里将会谈及神经科学和医药交叉的话题,比如电脑-机器交互、抑郁症深脑刺激、强迫症、精神疗法的计算本质以及意识相关的理论等。我可能会着墨于我自己的研究课题,并阐明他们为何会激发我探索的欲望;我会讲述我如何成为精神科医生和理论神经科学家之间的跨界者;我会讲讲我遇到的病患的故事;或者穿插一些其他话题也未可知。但无论我写些什么,都会围绕一个主题,并希望用这个主题把所有的文章都穿连起来,即:我们之所以可以拥有妙不可言的独特人生体验,其实要归功于人脑神经元网络的连结方式,简而言之就是——大脑并非一碗汤。

 

讲座预告:

理解未来讲座第17期:用人脑研究脑,是探索更是挑战!

2016年6月26日·中国科学技术馆(新馆)

主讲嘉宾:李兆平,伦敦大学学院计算神经科学教授、北京师范大学认知神经科学与学习国家重点实验室访问教授

嘉宾主持

陈恂,未来论坛理事、BaseBit Technologies创始人、首席执行官

对话嘉宾

李兆平,伦敦大学学院计算神经科学教授、北京师范大学认知神经科学与学习国家重点实验室访问教授

欧阳颀,北京大学物理学院教授

方方,北京大学心理与认知科学学院主任

2016年6月26日,未来论坛第十七期理解未来公益讲座特别邀请伦敦大学学院计算神经科学教授、北京师范大学认知神经科学与学习国家重点实验室访问教授李兆平,讲述窥见人脑奇妙机制的探索与挑战之路。

来源:Kavliblog  作者:Sean Escola  翻译:未来论坛 饭小羯  审校:未来论坛 商白
文章转载请注明出处为 “未来论坛”微信账号(ID:futureforum)
未来论坛官网:www.futureforum.org.cn

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