叩开前额叶皮层(PFC)研究的大门

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撰文：东华君

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长久以来，人类一直都认为心脏是我们的“智慧之源”。原因可能很简单，整个身体中，只有它一直的扑通扑通的跳着，似乎昭示着自己的存在。而且，人死之后最明显的特征就是心跳停止，这不禁让大家将它与我们的“灵魂”联系到一起。

有趣的是，这一观点过去在人类世界里是普遍存在的。古埃及人制造木乃伊的时候，会将心脏妥善保存，而大脑却会被取出和丢弃（图1）。智慧如亚里士多德甚至固执的认为大脑只是一个“散热器”，是用以给被“火热的心”沸腾的血液降温的器官。同样，这一观点也早已深深的印刻在了华夏民族的文化中。我们祖先在造字的时候，凡是与心理活动相关的字大多都是有心字旁的，比如思想、忐忑、愉悦、怜悯等等。甚至于，我们描述思维活动用的词是“心理”而非“脑理”。

图1. 古埃及人视心脏为灵魂之所居，也是智慧之源和记忆之所存，所以他们会把心脏留在木乃伊中。他们还相信死者在来世仍需要内脏，因此会将逝者的肝、肺、肠、胃等内脏分别放入由四个神明所守护的罐子中，而大脑则会被当作无关紧要之物而丢弃（ps.仅凭这一点，我便不相信法老是外星人的后裔）。

那么，我们什么时候开始才认识到大脑在思维活动中起到决定性作用的呢？

1、人类很晚才认识到大脑是“智慧之源”

在希腊时代，人们对脑的认识只能通过其外在特征来判断。这个想法很合逻辑，人的身体之所以要具备不同的部位，正是为了行使不同的功能。比如，手和脚之间巨大的结构差异正是与两者所行使的功能相关的：我们用脚来行走而用手来执行精细操作。对于脑袋，人们很容易便发现，眼睛、耳朵、鼻子和舌头等与感觉相关的器官都位于其上。因此，当时的主流观点认为：脑是感觉的器官（图2）。

彼时，也有少数学者试图将大脑与心智相联系。希波克拉底（Hippocrates）就认为：大脑不仅参与对环境的感知，而且也是智慧的发祥地。当然，这种观点很小众，而且没有实验依据，只是凭空推测的结论。

图2. 大脑的确能接收和处理视、听、嗅、味和触觉信息。但是，他的功能远不止如此。

到了公元一世纪，一位为罗马角斗士治伤的医师Galen，通过观察脑损伤给患者带来的伤痛和解剖实验动物，他进一步推测大脑很可能是感觉的接收装置，而小脑一定是支配肌肉的。那么，为什么Galen会认为大脑和小脑存在这样的功能差异呢？原因很荒诞：小脑较为坚硬而大脑较为松软。他认为形成记忆的关键是将感知“刻印”到脑中，这一过程只能发生在松软如面包的大脑上，小脑太硬了记忆刻不上去（囧，还被歪打正着了。。）。

并且，他当时还发现了羊脑中存在中空的脑室和灌满其中的液体（即脑脊液）。结合当时流行的体液驱动机体运行的观点，Galen总结大脑的功能为：大脑负责记录感知和启动运动，并且这些都是由液体通过（中空的）神经到达脑室和离开脑室的流动来实现的[1]。

之后，欧洲便进入了漫长且黑暗的中世纪，由于教廷禁止对人体和动物进行解剖，人们关于脑的认识几乎停滞不前。就这样，Galen有关脑功能的观点延续了将近1500年。

直至文艺复兴时期，伴随着解剖学、生理学等学科的兴起，人们对大脑的认知才又逐步开始丰富起来。随着神经系统被完整的剥离和描述、大脑灰质和白质的鉴定、沟回和脑叶的定义，以及通过局部损伤对脑的进行功能定位等研究的开展。终于，大约在19世纪，才有一系列的证据表明，大脑才是与我们一系列的高级认知功能相关的器官，是我们灵魂的居所。

2、人类很晚才知道前额叶的重要性

虽然，人们大约在两百年前就认识到大脑是人类灵魂的居所。而那时，人们对于大脑具体是如何工作的，却所知甚少。

当时学者们检测大脑行使功能的主要方法就是实验性切除法：通过系统地损毁实验动物脑的某一部位，观察其行为变化，进而决定其功能。通过这一方法，科学家们很快便发现不同的功能定位于大脑的不同位置。但是，这一实验方法是非常粗放且极具误导性的。这甚至导致了神经科学史上最荒诞的伪科学“颅相学”（Phrenology）的风行。这个学说的拥趸者认为：颅骨的形状是与大脑内这些区域的形状相关的，因此通过测量人的头颅便能够判断每个人不同的人格（图3）。

图3. “颅相学”示意图。颅相学家们认为大脑是心灵的器官，而心灵则由一系列不同的功能构成，其中每一功能便对应了大脑某一特定的区域。

虽然颅相学家的主张从来都没有被科学界主流所认可，但是这帮人的确抓住了公众的想象了。长期以来，这一蛊惑性极强的学说在民间广泛流传。即便是现如今，恐怕还有不少人还认为额头隆起的人更聪明吧。

与此同时，神经外科的医生们所收治和记录的一些脑疾病患者，才真正为我们揭开了研究大脑中灵魂居所的序幕，其中，最为大家熟知的便是被铁夯刺穿前额叶的铁路建筑工头Phineas Gage（PG，封面图）。

1848年的某一天，25岁的Gage在实施地面爆破时，犯了一个致命的错误。他的工作之一就是炸平路面以方便铺设铁轨。每次爆炸作业，Gage都要在岩石上打个小洞，在里面填满炸药和安上导火索。然后会在炸药上铺上沙子，再用铁夯将沙子夯实。然而这一天由于疏忽大意，他没有注意到这些炸药并未用沙子封好。铁夯撞击岩石引起的火花点燃了火药，于是爆炸使得铁夯变成了一个致命的武器，从他的左脸颊进入，经由前额叶皮层，穿过头盖骨，最后落在距他十几米之外的地面上（图4、5）。

图4. 事故示意图。Gage的故事还被拍成了一部短篇电影。感兴趣的朋友可以移步：https://vimeo.com/111627298

遭到如此致命的创伤，在旁人看来Gage是必死无疑。然而，奇迹却发生了：片刻之后，他恢复了意识，可以与旁人交谈，甚至还平稳地爬上一辆牛车赶到市中心接收了治疗。重伤之后的Gage奇迹般地活了下来。可是，不久之后，亲友们渐渐发现，受伤后的Gage已经不是从前那个勤奋、易于相处、富有责任心的Gage了。尽管在某种意义上，Gage似乎已经完全康复——他的感觉功能和运动功能没有问题，记忆功能也正常。但是在另一种意义上，他变得举止粗鲁、缺乏责任感、做事反复无常，以至因此丢掉了工作。12年之后，他最终变得为世人所无法忍受，并在悄无声息中死去。

图5. 此图展示了Gage可能的受伤部位，红色部分表示的是前额叶。

就个人而言，受到如此的创伤当然是件非常不幸的事情，但是对神经科学而言，Gage受伤后行为与性格的巨大转变引起了学者浓厚的研究兴趣，研究人员开始将前额叶与高级认知功能联系起来。可以说，这个极其罕见的病例，是人类深入认识前额叶的起点。

图6. 不幸的Gage的形象广泛流传。

值得一提的是，由于这个事故的戏剧性，加之其背后给我们关于大脑可塑性的非常积极的暗示：受了这么重的伤都能恢复，我们的大脑可真棒！。Gage之后受到了流行文化的“追捧”，还成为了万圣节装扮的热门模仿对象（图6）。

3、人类最近几十年才开始系统研究前额叶

比较可惜的是，Gage的不幸虽然明确的告诉了我们前额叶是高级认知功能的结构基础。但是，由于研究方法的局限，加之与前额叶对应的功能的复杂性，之后的一百余年人们对前额叶的研究几乎一直都没开展得起来。即便，早在1936年，Jacobsen等人便开创性的验证了前额叶皮层在工作记忆中的作用[2]。但是，学术界真正全面且系统的开始研究前额叶却是最近几十年的事情（图7）。

这也是，二战刚结束，额叶切除术刚盛行的时候，学术界并没有形成强有力的反对意见的原因之一。因为，当时学界对前额叶的了解还不多，没有充分了解到切除前额叶的危害。详见：额叶切除术，诺贝尔奖的"黑历史"？

图7. 前额叶皮层在工作记忆中的作用的研究热度的变化趋势及PG等先驱的杰出贡献出现的时间点[3]

提到当代前额叶研究，不得不提的一位科学家就是Patricia Goldman-Rakic。正是她和其合作者们开创性的在非人灵长类身上采用了多学科的方法，运用生化、 电生理 、药理、解剖和行为等技术来研究前额叶的功能，才强有力的推动了人类对前额叶的研究热潮。

更多关于这些研究的内容，可移步知乎专栏前文：你所在的领域里，有哪些堪称开山之作的论文？

时至今日，伴随着新技术的诞生，我们对前额叶的研究热情正持续高涨。在初步了解大脑工作机制的情况下，我们再也不会提出类似“颅相学”这般荒诞的学说，也能更好的避免类似“额叶切除术”之类的悲剧发生。我们所研究的脑功能，也从最初的工作记忆（working memory），开始向诸如行为决策（decision making）、合作（cooperation）、计划和策略（plan & strategy）等更为复杂的行为聚焦。

然而，我们也不得不承认，我们对大脑，特别是前额叶所进行的研究的时间还是太短了，对于真正了解这个宇宙中最复杂的器官具体是如何工作的，我们还有很长很长很长的路要走。

主要参考资料：

1. Freemon, F.R., Galen's ideas on neurological function. J Hist Neurosci, 1994. 3(4):
p. 263-71.

2. Jacobsen, C.F. and H.W. Nissen, Studies of cerebral function in primates. IV. The effects of frontal lobe lesions on the delayed alternation habit in monkeys. Journal of Comparative Psychology, 1937. 23(1): p. 101.

3. Arnsten, A.F., The neurobiology of thought: the groundbreaking discoveries of Patricia Goldman-Rakic 1937–2003. Cerebral Cortex, 2013. 23(10): p. 2269-2281.

4. The True Story of Phineas Gage Is Much More Fascinating Than the Mythical Textbook Accounts

5. Phineas Gage: The Living Halloween Costume

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