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探寻神秘的心灵异域:“神经科学界的马可波罗”拉马钱德兰

2016-07-16 顾凡及 赛先生

“也许,对于研究人员来说,最基本的两条品格是对科学的热爱和难以满足的好奇心。”

——贝弗里奇[1]

顾凡及(复旦大学生命科学学院退休教授)

在西方人眼中,马可波罗是富于探险精神而“发现”了富饶而神秘的东方的传奇人物。印度裔美国神经科学家维莱亚努尔•苏布拉马尼安•拉马钱德兰(由于印度人名太长,朋友们常常把他简称为拉马)被同行称为“神经科学界的马可波罗,他长途跋涉科学的丝绸之路走向我们知之甚少而神奇莫测的心灵异域”[2]。2000年诺贝尔奖得主坎德尔还把他称为“当代布罗卡”[3]。2011年他又入选《时代》杂志百大人物(图1)。那么拉马究竟是何方神圣而得此殊荣?他究竟作出了什么样的杰出贡献?从他身上我们又可以学到些什么呢?


图1  2011年《时代》百大人物盛会上的拉马钱德兰


昔日神童

1951年,拉马钱德兰出生于印度泰米尔纳德邦的一个知识分子家庭,他的父亲是一位工程师和外交官,母亲则是一位数学家。双亲对儿子的教育倾注了大量心血,但也绝不是“虎爸”、“虎妈”式的硬性灌输,而是仔细观察儿子的兴趣爱好,“投其所好”,谆谆善诱。

拉马从小就对科学非常感兴趣。在八、九岁时,他就开始搜集化石和贝壳,对分类学和进化入迷。稍后又对化学入了迷,在他们家楼梯底下建立了一个小化学实验室。当老师讲给他们听法拉第只用一张纸放在磁铁上面撒上铁屑就在人类历史上第一次直观地显示出磁力线并证明了磁场的存在,而在一个线圈中间往返移动磁铁就发现了电磁感应,从而开启了电气时代时,他为从那么简单的实验中就能导出那样重要的发现而手舞足蹈。

拉马从小就是一个好问为什么的孩子,特别是对一些异乎寻常的现象更是充满了好奇。在12岁时,他读到有关美西螈的一则记事,这种动物从本质上来说是一种蝾螈,但是进化使得它始终停留在水生幼体阶段。通过停止变态和在水中性成熟,它们一直保留着鳃(而不是像蝾螈或者蛙类那样改成了肺)。当他读到只要给它施以变态激素,就可以把它们变回到由之进化而来的、早已灭绝了的、没有鳃的陆生成体祖先的样子时,真是大吃一惊。这不就像使时间倒流,复活一种早已灭绝了的史前动物了吗?他知道蝾螈成体在失去腿后不能再生,那么美西螈(它其实就像是某种“成熟的蝌蚪”)在失去腿以后,能否依然保留再生断腿的能力?要知道蝌蚪有再生能力,而青蛙没有。如果用适当的激素混合物,能不能把人也变成像祖先的直立人那样呢?你看,一篇简单的报道引起了他的浮想联翩,涌现出许许多多问题和猜测,这使他从此迷上了生物学。

到了考大学的时候,父亲建议他学医。而这也正是他之所好。他觉得医学是一门充满未知的学科。诊断一位病人既是一门科学,也是一门艺术,它需要观察、推理和人的全部智慧。在临床上经常会碰到一些匪夷所思的古怪病例,而这正如他的偶像福尔摩斯所说:“亲爱的华生,我知道,你和我一样,喜欢的不是日常生活中那些普通平凡、单调无聊的老套,而是稀奇古怪的东西。”这种智力探险给了他无穷的乐趣。1971年还在他大二的时候,他的一篇有关双眼竞争的论文就无需修改而被顶级期刊《自然》杂志接受发表了。要知道在我们国家,谁要是能在这样的杂志上发表一篇论文,那就有了问鼎院士的希望了! 

诺贝尔奖得主李政道说:“要开创新路子,最关键的是你会不会自己提出问题。能正确提出问题,就是创新的第一步。”拉马正是这样的一个人,他不断地提出有道理的问题,然后提出种种假设,构思出巧妙的实验,只需要技术含量不高的设备就支持或者证伪他的假设。而代价昂贵的高技术则只是进一步验证了他的这些假设而已,这也许正是他成功的秘诀之一吧!关于他的这些成就我们将在下几节中来介绍,在此之前倒要介绍一个他错失良机的教训。

拉马钱德兰是印度裔美国神经科学家,毕业于印度马德拉斯大学,后在剑桥大学三一学院获博士学位,其后到美国加州理工学院任教,1983年转入加州大学圣迭戈分校,1988年起任该校心理学教授,脑与认知中心主任。1997年入选《新闻周刊》“世纪俱乐部”“21世纪百位最值得注意的杰出人物”之一,2011年又入选《时代》杂志百大人物。其代表作《脑中魅影》[4]已成为科普经典作品。

在大学求学时,有一次他问一位来访的牛津大学教授有关建立激发免疫系统的条件反射的可能性问题。当时人们知道有许多人对花粉过敏,比如对玫瑰花粉过敏,以后病人只要看到玫瑰花就可能引起过敏,甚至看到的是一朵塑料玫瑰花,也可能通过条件反射诱发哮喘发作。于是他想应该也有可能通过条件反射的方法消除或中和这种发作,比如说您患有哮喘,如果每次医生用支气管扩张剂为您治疗的同时都给您看一朵塑料向日葵花,您就可能会把向日葵花的影像和哮喘缓解联系起来,那么以后当您感到哮喘快要发作时,是否只要摸出塑料向日葵花来看上一眼就能制止发作了呢?

这位教授听了他的提问以后,评论说这听起来虽然很有意思,但是想入非非,显得很不靠谱。因为遭到了权威的否定,他也只不过是一个没有经验的毛头小伙子,拉马没能坚持自己的想法,只是和那位教授一起大笑了一场。他把这一思想暂置一旁,不过这一思想一直留在了他的心中。要知道如果真的能做到这一点的话,这对临床医学来说,将会有多么巨大的意义。 

直到上世纪末,有了加拿大麦克马斯特大学的阿德博士的发现,才证明拉马当初错过了机会。当时阿德正在研究小鼠对食物的厌恶问题。为了引起动物的呕吐,他给它们一种催吐药环磷酰胺,同时也给它们服用糖精,阿德想知道在下一次实验中,当他只给小鼠糖精时会不会也引起小鼠呕吐?事情确实如此。但是出乎意外的是,小鼠竟得了一场大病,发生种种感染。大家知道环磷酰胺除了催吐之外,还大大地抑制了免疫系统,但是为什么单单糖精也有同样的效应?阿德正确地推论说,只是把无害的糖精和抑制免疫系统的药物配对在一起就使小鼠的免疫系统“学会”了这种关联。一旦这种关联建立起来,每当小鼠遇到糖精时,其免疫系统的功能就会急剧下降,使它面对感染不堪一击。这是心智影响肉体的一个有说服力的例子。

直到今天,拉马还在为自己没有坚持当初的想法而抱憾。事后他总结了一条教训:“不要听从您的教授们,即使他们是从牛津来的。”当然这话有点夸张,他只是强调人应该独立思考,不要迷信书本和权威,真知只有通过实践才能检验,而不是“权威”的一句话。 

他的早期兴趣在视觉,不过从上世纪90年代初开始他就把全部精力都放到了揭开许许多多奇离古怪的神经病症状之谜了。

解开“幻肢”之谜

他的第一个惊世骇俗的发现是揭开“幻肢”之谜。所谓幻肢就是当病人的肢体在手术或事故中丧失以后,他们依然能感到这个已经失去了的肢体。拿破仑时代的英国海军名将纳尔逊勋爵在英法战争中屡建奇勋,他在一次海战中失去了右臂,但是他觉得他失去了的手臂还在疼痛,于是认为这是“存在灵魂的直接证据”。他想,如果一条手臂丢掉了,我们都能感到它依然存在,那么整个肉体死亡以后为什么我们就不再存在了呢?这真是一个令人困惑的问题。

拉马从第一次听说这种现象开始,就被深深地吸引住了。他觉得自己就像福尔摩斯,要根据搜集到的蛛丝马迹和科学推理去解开令人不解的谜题。他想起多年以前加拿大著名神经外科医生彭菲尔德的工作。在上世纪四、五十年代,彭菲尔德在治疗药石无效的癫痫病人时,不得不打开病人的颅骨去寻找癫痫病灶,并予以切除。另外,他也必须非常小心地事先搞清楚要切除的部分是不是有什么重要的功能,切除它是不是会造成严重的后遗症。因此他要在手术前先用电极去探测大脑的各个部位。由于病人在整个手术过程中保持清醒,彭菲尔德在用电极刺激病人大脑皮层的不同部位时可以问病人感觉如何。他发现刺激沿中央沟后侧的一长条脑区会让病人感觉如同有东西在触碰他身体的不同部位,如果把这些部位的形状画在皮层的边上,就会出现图2中右图上出现的倒立小人的样子。他的这一观察也为以后的动物实验所证实。后来的实验发现,刺激猴子身体上的不同部位,可以在相应脑区记录到神经脉冲的发放。所以身体表面的每一个部分都在对侧大脑半球中央沟后缘有一个代表区。

后来,动物实验表明身体表面在大脑上的这种代表区不是一成不变的。美国神经科学家庞斯对一只猴子作了手术,切断了从它的一只胳臂传向脊髓的所有感觉神经。11年以后他们对这个猴子作了麻醉,打开颅骨,再次记录大脑体感皮层的代表区。由于从它的一只胳臂传来的感觉信息早就被切断了,因此一个合理的推理是当刺激这条胳臂时,在正常猴脑上相应于这条胳臂的感觉代表区上的神经细胞应该没有反应。事实也确实如此。但是令他们惊讶不已的是,当他们触摸到猴子脸部的时候,对应于这条早已失去了感觉的胳臂的脑区上的细胞猛烈地发放起来。当然那些原来就对应于脸部的脑区上的细胞也有猛烈的发放。这意味着来自脸部的触觉信息不仅传到了原来就对应于脸部触觉的脑区,而且还“侵入”到了“脸区”旁边原来对应于胳臂的脑区。1991年,拉马在读到庞斯的这篇论文时,惊喜交集。他想道:“天哪!也许可以用这一点来解释幻肢现象!”他很想知道当触摸猴子脸部的时候,它的感觉究竟如何?它是不是也感觉到触摸到了它早已瘫痪了的手臂?可惜猴子不会说话。


图2  身体各部分在初级体感皮层(右)和初级运动皮层(左)上的代表区。左上的小图表示这两个代表区在大脑皮层上的位置。运动区在中央沟之前,而体感区则在其后。


拉马突然想到,虽然猴子不会说话,但是人是会说话的。触摸一下幻肢病人的脸部,病人是不是也感觉到触摸了他的幻肢呢?他急忙打电话给他在整形外科工作的同事问他们有没有刚失去手臂的病人。正巧有一位这样的人,他就是汤姆·索任逊。

汤姆是一位17岁的中学生,他在一次车祸中失去了肘关节以下的左手臂。在事故以后的几个星期里,尽管他知道已经没有手臂,但是总感到似乎还在。电话铃响起来的时候,他会不由自主地想用幻肢去接电话。

当汤姆在实验室里坐下来以后,拉马用眼罩把他的双眼蒙上,不让他看到和听到正在做什么。拉马用一根棉签的头触碰他的身体各处,问他感到棉签触碰到的是他身体的哪个部位。拉马碰了碰他的面颊,问他:“你感到碰到了哪里?”他回答说:“你碰到了我的面颊。” 拉马又问他:“还有什么感觉吗?”他回答说:“真有点滑稽,你碰到了我失去了的大拇指了。” 拉马把面签移到了他的上唇,问他:“现在碰到哪儿了?”“你碰到了我的食指,也碰到了我的上嘴唇。”“真是这样吗?你敢肯定吗?”“没错,两处我都感到了。” 拉马碰了碰他的下巴,问他:“这是哪儿了?”“这是我已经失去了的小指。”

就这样,拉马在汤姆的脸部找到了对应于他的幻肢的地图。他所看到的正对应于庞斯在猴子的电生理实验中所发现的东西。其中的奥秘就在于,失去手臂以后的大脑触觉皮层的代表区发生了重组,而在正常情况下,脸部的代表区正好就在手的代表区的边上(图2)。在汤姆丢掉了他的手以后,正常情况下来自脸部的感觉神经就侵入到了现在空无所用的原来对应于手的代表区,并且驱使那儿的细胞活动起来。这就是为什么当他碰到汤姆的脸的时候,汤姆感到他的早已没有了的手也被碰到了。另外触摸代表区和下臂代表区相邻的上臂也有同样的现象,在上面也可找到相应的地图(图3)。这里既没有鬼,也没有幽灵!


图3  触摸图中脸上和上臂标出的部位,断肢病人感觉到断手的相应部位


拉马揭开了幻肢之谜,不仅破除了迷信,而且还为治疗以前医生们束手无策的“幻肢痛”开辟了道路。一些幻肢病人会觉得他的指甲掐入手掌而产生锥心般的疼痛,或是幻臂僵在一个非常不舒服的位置而令病人苦恼不已,要怎么去缓解一个根本就不存在的肢体的疼痛呢?拉马知道,当不同的感觉有冲突的时候,视觉往往占主导地位。因此他就想出了一种简单的“虚拟现实”装置,就是在一个纸板箱的中间插入一面镜子,在前壁上镜子两旁开两个洞,他让病人把两臂(好臂和断臂)伸进两边的洞里(图4)。他让病人从好臂一侧看镜子里好手的像,然后让病人的好手松开拳头或是放松姿势,病人从镜子里看到他的幻肢似乎也在做同样的动作,从而立竿见影地缓解了疼痛。虽然这种缓解并不能持久根治,但是至少能缓解一段时间。这对病人来说已经是天大的福音了。


图4  病人从镜子里看到好手的像,还以为就是他的幻肢呢

五彩的声音 - 解开联觉之谜

有一种称作“联觉”的“怪”现象,指人在受到某种特定的感觉刺激时,也同时唤起其它的感官知觉。比如说有人总把不同的阿拉伯数字看成有不同的特定颜色,尽管它们的颜色实际上都一样,而有些人则把某个音符和某个颜色联系起来,因此当他们听交响乐的时候还同时看到了一幕色彩狂舞。虽然现在已经无从考证这一现象究竟是在什么时候被首次发现的,但是至少在1892年,达尔文的表兄弟高尔顿在《自然》杂志上就发表了一篇有关联觉的论文,不过他的工作在当时并没有引起科学家的严肃对待,因为这听上去太荒唐了,所以在差不多100年的时间里没有什么人认真地研究过这一问题。

1997年,当拉马第一次接触到联觉问题时,连这一位以解决疑难问题高手著称的科学家也觉得有些手足无措了。他的第一个想法是要确认一下联觉是否是真的。这年秋季,拉马要给300个学生的一个大班上课,他想碰碰运气看,于是就在课堂上宣布:“有些其它方面一切正常的人会看到声音,或者有些数字在他们看来都带有特定的颜色。如果你们中间有谁是这样的话,请举手!”但是令他失望的是没有一个学生举手。不过那天晚些时候,有两位女生来找他说她们确实有这种感觉,只是不希望被别人看成不正常而不敢在课堂上举手。其中的一位告诉拉马:“当我看到某个数字时,我总是看到有特定的颜色。数字5总是暗红色的,3是蓝色的,7是鲜艳的血红色,8是黄色,而9则是苹果绿色的。”

现在他仿佛真有联觉的受试者了,但是怎样才能证明她们讲的确有其事,而不是胡说或者神经错乱呢?拉马设计了一个所谓的 “跳出试验”,也就是在一片由类似元素组成的图案中,如果其中有少数元素在某些基本特性,例如颜色、线条的朝向等方面和其它元素不同时,那么你不需要逐个去找,就能一下子发现它们,就像是从周围的环境中自动跳了出来一样。然而如果这些元素是由许多基本特性组合而成的图形,不同的只是其中的某一个基本特性,那么这种对象就不会跳出来,而需要观察者逐个去找。科学家早就知道了真正的颜色是导致跳出的一种基本特性。那么对有联觉的人来说,他所感觉到的颜色是不是也能起到同样的作用呢?如果是的话,那么这就说明他确实看到了颜色。

于是,拉马设计了这样一个实验:他在一大群均匀分布的5字中间,镶嵌了5个2字组成的几何图形,而且所有数字的颜色都是相同的,并且这些数字都是采取电子表上的那种字形,因此5和2正好成镜面对称,都是由三横两竖构成(图5左图)。拉马首先对20个正常大学生做试验,让他们看屏幕上显示的类似于图5左图那样的图。这些图中有的2字构成一个三角形,而有些2字则构成一个圆形。每幅图都只显示半秒钟,并且两种不同的图是随机显示的,因此学生没有时间逐个去找图中的2字,也无从猜测什么时候可能出现哪一种图。然后要求受试者按两个不同的按钮告知他们看到的究竟是三角形还是圆形,结果准确率大约在50%左右,这说明实际上他们根本就没有看到这些图形,只是瞎猜而已。然后让自称有联觉的女生做同样的测试,她们的准确率却达到了80-90%。然后让正常人用类似于图5右图那样的彩色图做类似的实验,此时他们的准确率也达到了80-90%。这说明在有联觉的人看来,图5中的左图确实就像是右图一样。


图5  拉马钱德兰设计的“跳出”试验


就这样,拉马及其同事说明了联觉确实是一种真正的感觉,也不可能造假。接下来的一个问题是联觉的脑机制如何?拉马注意到,最普遍的一种联觉现象是数字-颜色联觉,而脑中的色觉中心和有关数字辨识的中心就在这附近,因此一个合理的猜测是:联觉是这两部分脑区中有的神经通路串了起来。他们用脑成像技术显示受试者看数字时脑中的活动区,确实发现它们和色觉区正好比邻而居(图6)。就这样,拉马及其同事的工作终于初步揭开了蒙在联觉现象上的神秘面纱,开辟了用科学研究这一过去认为近乎超自然的秘密。


图6  脑中的色觉中枢和数字中枢。图中红色的是数字中枢,而绿色的是色觉中枢。

狂热的追求

正像他的挚友和偶像克里克一样,他对科学中的未知领域,特别是心灵之谜也是充满了“狂热的追求”[5],幻肢和联觉只是其中两个例子。他还通过测量有卡普格拉综合征[6]的病人的皮肤电反应[7]的方法,说明了其病因可能是由于脑外伤等损伤使病人联结脑中的人脸识别区和情绪中枢的通路断开了,因此在看到双亲时体会不到应有的激情,而只能把这种异常归之于看到的不是真正的双亲,而是冒牌货了。更带有猜测性的工作是他提出自闭症的病因是镜像神经系统[8]失常。他的思想是如此活跃,以至涉及到许多过去无人敢于涉及的“神秘”领域,例如病觉缺失[9]、宗教信仰、美学以至意识和自我的神经基础。当然对于这些问题,他自己也承认还只是猜想。另外也不是所有的科学家都同意他的观点。有科学家批评,他的许多工作只是大胆的猜想而缺乏对事实的严格分析,还有科学家批评他的近作[10]只是一本对许多大问题作了空泛回答的科普作品。他的回答则是:“不管是好是坏,我走遍了视知觉、立体视觉、幻肢、病觉缺失、卡普格拉综合征、联觉以及许多别的领域。”从我们上面对他在幻肢和联觉研究的简单介绍中至少可以看到,他的有些研究并非只是大胆的猜想,并且这些问题是原来许多人想都不敢想的。况且,科学上有许多重大发现都是从一些大胆的猜测开始的,只是经过后来无数人的努力,有的被证明是错了,而有的则得到了支持和普遍承认,最后结成正果。

注释:


1.英国生物学家,也是科学方法论专家,这段话引自他的名著《科学研究的艺术》。也可以说是对拉马钱德兰的写照。

2. 最先提出这一比喻的是牛津大学著名生物学家道金斯,他的名作如《自私的基因》、《上帝的迷思》等早已脍炙人口。

3.布罗卡是19世纪末伟大的神经学家,他通过对神经病人的临床观察和身后尸检,首先发现说话的能力定位在人脑左半球颞叶和额叶的交界处,是脑功能定位学说和两半球功能分工理论的先驱。

4.《脑中魅影》已由笔者译为中文,将由湖南科学技术出版社出版,他的近著《The Tell-tale Brain》据说国内也已有出版社购得中文版版权。

5.《狂热的追求》是克里克的一本自传体作品的书名。

6. 这种综合征的主要表现是病人会把自己的亲人说成是样子像极了的冒名顶替者,而在其它方面表现正常。

7.也就是测量人体的皮肤电阻,当人激动时,会不由自主地出汗,从而使皮肤电阻显著变小。拉马给一组正常人看一组照片,其中有陌生人和亲人,当显示亲人照片时受试者的皮肤电阻显著减小;然而给此种病人看类似一组照片时,即使给他看的是亲人的照片,皮肤电阻也没有任何变化。

8.上世纪九十年代科学家发现脑中一些当执行某个动作激活的细胞在看到他人做同样的动作时也会有猛烈的发放,这种细胞就被称为“镜像神经元”。拉马猜测这种细胞可能是同感、模仿、语言以至文化的神经基础。

9.也就是病人不承认自己有病。

10.《The Tell-tale Brain》.

本文经作者授权发表于《赛先生》。

延伸阅读

① 艺海拾真 | 科学与艺术结合的典范:西方绘画中的运动

② 点亮大脑:科学奇才如何破解神经密码?



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