设万维读者为首页 广告服务 联系我们 关于万维
专栏作者
解滨水井
一娴谢盛友
施化核潜艇
小心谨慎张平
捷夫茉莉
凡凡湘君
         专栏作者
容若俞力工
柳蝉赵碧霞
开心雨半窗
木然梦梦
上官天乙特务
圆月弯刀小放
         专栏作者
杨柳岸程灵素
法老王铁狮子
谷雨金录
莉莉小猫务秋
蓝精灵枚枚
有点红妆仙子
         专栏作者
索额图辛北
细烟王琰
水栀子多事
施雨汗青
男说女说林蓝
任不寐文字狱牢头
         专栏作者
老秃笔尹国斌
樱宁吹雪
少君老郸
白鸽子摩罗
朱健国王伯庆
小尼酒心
         专栏作者
伊可京东山人
润涛阎老么
风雨声望秋
峻峰直愚
王鹏令梦子
老黑猫俞行
 
[ads_url_inside]
 
State Farm Drama
网墨文集
 万维网读者->网墨文集->望秋->正文
 专栏新作
 - 第一章 前言
 - 第三章 宗教与哲学
 - 第四章 现实主义思潮
 - 第五章 现世人本主义
 - 第六章 人性的分析
 - 第七章 人性的解放
 - 第八章 幸福的追求与

 
 
第十一章 思维、感受、情绪

望秋


我们前面讲过,科学,进化论和人本主义是思考人生的三大支柱。科学告诉我们事物运行的机制,进化论告诉我们人性的来源和历史,而人本主义告诉我们以什么来衡量世界和人生。在前面章节里,进化论和人本主义始终贯穿于我们的讨论中。在这一章里,我们将着重介绍一下现代科学对我们大脑活动的认识。要了解人生,必须首先了解我们自己,而了解自己,最重要的就是了解我们的大脑。由于一些新技术(比如核磁共振图象)的应用,近年来神经科学有了巨大的发展。现在我们不仅对大脑的解剖,神经细胞的连接有更进一步的了解,对人在思考时大脑各个部份的活动也开始有了初步的认识。大脑的活动可大致划分为三个部份,第一是思维,第二是感受,第三是情绪。思维(thinking),是指我们有意识地思考问题,想问题的过程。这是一个快速的过程,从一个想象(image)到另一个想象往往只需要几毫秒(mini-second)的时间。可以说思路在我们大脑中一晃而过。在物质上说,它对应着神经系统的激发。感受(feeling),是指我们喜怒哀乐的感觉。严格地来讲,我们有六种最基本的感觉,这就是:高兴(joy),悲伤(sad),愤怒(anger),惧怕(fear),厌恶(disgus)和惊奇(surprise)。从物质上讲,它们对应着一定化学物质在不同的神经细胞的释放。由于感受对应着化学物质的释放,它的过程就来得缓慢一些,往往在几秒钟到几分钟的范围之内。所以当我们感到愤怒的时候,很难马上转怒为喜。情绪(mood),是指我们在一些欲望和行为上的精力状态。比如,有时我们感到精力充沛,做任何事情都感到有兴致。相反有时我们情绪低落,做任何事情都打不起劲来。在物质上,情绪对应着血液里不同荷尔蒙的浓度。荷尔蒙的调节是一个更缓慢的过程,往往需要几个小时到几天的时间。所以情绪不好不是几分钟的事情,而往往是几天的事情。大脑的这三种活动有着非常密切的联系。往往一种活动会影响到另外一种活动。了解这三种活动的特性以及互相之间的关系可以加深我们对人性的了解,也使我们知道人是怎么一回事情。当然,将复杂的大脑活动划分为这三种活动只是一个近似。我们这里讲的只是一个简化的大脑活动模型。

让我们先看一下大脑的结构和解剖。如果我们想要了解一台计算机,最合理的做法是先打开计算机的盒子看一看, 看它的母板上有哪些集成块,它们之间是怎样联接起来的。研究大脑也一样。通过解剖,我们可以知道大脑有哪些部份,这些部份之间有怎样的联接,然后再逐步确定每一个部份的功能,如中心处理器,贮存器等等。现代的科学对于大脑的各部份,以及它们的功能已有了相当的了解。我们谁都知道大脑有左右两个半球。左半球与语言有直接的联系,而右半球与空间想象力和音乐有直接的联系。这两个半球之间有一组强大的神经束(corpus callosum)。如果将这一组神经纤维切断,我们就会变成有双重人性的人,就象有两个人同时生活在我们的大脑中一样。比如说,左手在穿衣服,扣扣子,而右手同时在解扣子,脱衣服。左右手分别受到右左脑的控制,在做完全相反的事情。在大脑的两个半球之中,每一个半球都有接下来要讲的一些重要的结构。首先人的大脑可以大致分成旧脑和新脑。新脑是指大脑表面的皮质(cortex)。我们都看过人脑的模型。从模型上可以看到大脑皮质上有很多沟痕。这主要是为了增加大脑皮质的面积。如果把大脑上大小的沟痕展开,得到的皮质的面积可以是大脑表面积的三四倍。大脑皮质相当于计算机中的芯片。不过计算机芯片是由硅片,集成电路组成,而大脑皮质是由神经细胞组成。 什么是旧脑呢?旧脑是指在新脑的皮质之下的一些结构,它们处于大脑的内部,所以又称内脑。之所以称它们为旧脑,是因为它们在大脑的进化过程中有更悠久的历史。我们大脑的这一部分,和其它哺乳动物的这一部分非常的类似。旧脑有很多组成部分,包括小脑,hypothalamus, thalamus,hippocampus,Temporal Lobe 等等。这些旧脑的组成部分,调节着我们身体最基本的运行。比如说小脑,它保持我们身体的平衡,以及四肢的一些最基本的运动。再比如说thalamus,它调节我们身体的温度,以及血液中各种荷尔蒙的浓度。其实旧脑也包括最先进化出来的一些大脑的外部皮质区域,比如说运动皮质区域 (motor cortex)。

打开大脑,你首先看到的是前后走向的中间裂痕,它将大脑划分成为左右两个半球,形状如核桃的两半一样。 其次你可以看到一条左右走向的沟痕(central sulcus)。沿着这个沟痕的一个长条形的区域,就是大脑的运动皮质区(motor cortex)。在沟痕前面的一半是运动皮质输出区,后面一半是输入区。运动皮质输出区与人不同部位的肌肉直接相连,它控制着我们不同部位的运动。比如这个区域的很大一部份对应着我们的嘴和舌头。这倒不是因为吃饭的重要,主要是因为说话需要我们对嘴和舌头有精确的控制。除此之外,我们的手在运动皮质区也占非常大的一部份,这与我们手指的灵活有直接的关糸。我们的神经控制信号,从大脑的其它部分首先传到运动皮质输出区,然后再传到相应的肌肉。这个运动皮质区在其他哺乳动物中也都存在,所以也是一个非常古老的皮质区域,可以被归为旧脑的一部分。

运动皮质沟痕的后面部份是运动神经的输入部份,这是对肌肉活动的一个监视,它与输出部份形成一个反馈回路。 运动皮质的输入信号主要是由触摸而产生的皮肤触觉信号。 除了触觉信号之外,我们还有其它四种感观信号,它们分别是:眼睛的视觉信号,耳朵的听觉信号,舌头的味觉信号,以及鼻子的嗅觉信号。 所有这些输入的信号,它们都先进入内脑当中的一个神经组织,叫做thalamus, 然后thalamus将综合过的信号再影射到相应的初级感觉皮质区域。 这些信号然后被处理和综合,再影射到更高级的皮质区域,最后到达大脑的前额皮质。现在大家都认为大脑的前额区域与我们的综合思维过程以及感知有直接的关系。所谓感知(conscious)是指我们醒来时候的那种状态,知道周围发生的事情,有一种警觉和注意力,时刻监视周边环境输入的信息,对突发的事件做出反应。感知与综合思维是大脑中最复杂的活动,而与其相对应的大脑前额皮质是人的新皮质最发达的一部分。相比其他动物,我们人的前额皮质比它们要大得多,这正是我们思考能力的物质基础。

我们看到大脑皮质的各个区域都有自已的分工。 这就象计算机的主板上有不同的集成块一样,不同的集成块分管不同的功能。 但与计算机不同的是,大脑皮质的分工是一个动态的过程,是不同皮质区域互相竞争的结果。比如在正常情况下左半球掌管语言功能。 但如果正好左半球掌管语言的皮质区受伤,那么语言功能会转移到右半球相对应的区域。这种转移可以十分的快速。最近有人做过一个有趣的实验。 利用核磁共振我们可以看到,当一个正常的人在看书的时侯,大脑前额的一块特殊的皮质会有激发。但对于一个天生的瞎子来说,这一块皮质是在他用手摸字的时候才会激发。如果正常的人用手摸字,不仅分辩率不高,这一前额皮质区也不会有激发。在这个实验中,他们将一个正常人的眼蒙起来,没有一点光线。刚开始的一两天,他用手摸字的能力与以前差不多,并且那一块前额皮质也没有激发的迹象。但一个星期之后,他用手摸字的能力大大提高,并且当他摸字的时候,那一块皮质也有激发。这说明在短短的一个星期之内,这一块前额皮质的功能已从处理视觉信号改为处理触觉信号。另一个可能是,这块前额皮质处理的是抽象的语言信号,它自已的工作并没有改变。但如何从低层次的视觉或触觉信号激发起高层次的抽象语言信号,这其中的激发回路已经发生了变化。大脑的这种重组的功能让人称奇。到底大脑是怎样实现这一功能的,我们至今并不清楚。

但并不是大脑各个部位的功能都可以互相转换。比如在旧脑中一个部位叫海马区域(hippocampus),因其形状与海马相似而得名。Hippocampus 与很多新皮质都有直接的联结,它主管大脑的临时记忆。如果 hippocampus 遭到破坏,我们将永远失去临时记忆,不再能够记住几分钟前发生的事情,虽然已经贮存下来的长期记忆仍然存在,我们甚至可以记住小时候发生的事。Hippocampus 就如电脑中的贮存器(memory),而长期记忆就象电脑中的硬盘。大脑中的长期记忆分散贮存在新皮质的各个部位当中。所以大脑的新皮质既是信息的贮存硬盘,又是它的处理器。我们的记忆必经先从临时记忆转化成长期记忆。 这一转化过程如何实现,现在还不清楚,有人怀疑它与睡眠有关。但如果 hippocampus 遭到破坏,临时记忆不再存在,那么新的长期记忆也不可能产生。这样我们不可能学到任何新的知识和行为。

上面说到思维与前额皮质的关系。 那么大脑的哪一部分与我们喜怒哀乐的感受有关系呢?这一部分叫做 limbic 系统。 Limbic 系统是夹在旧的运动皮质与新皮质之间的一个长条形的皮质区域。从进化的发展来讲,它处在旧脑之后,而在新脑之前。它是一个古老的系统,存在于爬行类动物 (reptiles),鱼,两栖类动物(amphibia),以及哺乳动物之中。高级哺乳动物,如猿猴,象、马、牛等等,它们与我们人一样具有非常发达的感受系统。Limbic 通过 medial forbrain bundle (MFB)与旧脑相迁联。而这个MFB的区域与我们的快乐感觉有关,被称为快乐中心。如果用电去刺激这一区域,我们就会产生快乐的感觉。在化学上快乐的感觉对应着化学物质dopamine 在这一区域的释放。所有上瘾的药物,从酒精到海乐因,它们最终的作用都是在MFB区域释放dopamine。另外在Limbic 系统中有一个叫Amygdala的区域,它与我们的恐惧感有密切的联系。如果这一部位被切除,那么我们人不会对任何事情有恐惧感,那样反倒会做出一些愚蠢而危险的事情来。因为limbic系统与旧脑,特别是hypothalamus 直接相连。我们的感受会直接影响到受hypothalamus控制的体内生理系统,如血压,心跳等等。这也许是我们控制心跳的唯一途径。因为新皮质的思维系统不与hypothalamus直接相连,我们不可能通过思维来控制我们心跳的速度,我们只能通过感受(如恐惧)来影响心跳的速度。另外因为limbic系统与运动皮质(motor cortex)直接相连,我们的一些感受,如恐惧,可以快速地引发我们相应的行动,如逃跑。 在 limbic 系统的输入方面,它与新皮质连接,所以我们的感受会受到思维的影响。另一方面limbic 系统也与thalamus有连接。当人的感觉(sensor)信号汇集到thalamus之后,虽然大多数被影射到了相应的感觉皮质区,但也有一部份被影射到limbic 系统。这使我们在还没有弄清楚事情之前就可以有感受反应,比如在看到蛇的时候会马上自动地惊跳起来。

前面讲过,基本的感受可以被划分为六种:快乐、悲伤、愤怒、惧怕,厌恶和惊奇。从物质上讲,这六种基本的感受对应着感受系统的不同激发状态和化学物质的释放,在大脑结构中也有与它们相对应的神经回路,比如: seeking-reward 回路,anger-rage 回路, fear-anxiety 回路, 以及 panic 回路等等。所有的感受都可以被赋予一个欢快值(hedonic tone)。它们要么是快乐的,要么是不快乐的。在六种基本感受中,快乐的感受当然是快乐的,悲伤、愤怒、惧怕和厌恶是不快乐的,而惊奇是一种比较中性的感受,略带一些快乐的因素。如果一个感受是快乐的,那么这个感受本身是一种回报。大脑将会对相应的行为进行加固,下一次我们会更主动的寻求这种行为。如果感受是不快乐的,这种感受本身是一种惩罚,下一次我们会主动地避免这种行为。感受的另一个特性是它可以有不同的程度,从而可以有比较。在不同的快乐中,我们从身体的舒适到做爱时的激动,快乐的程度可以有很大的跨度。感受可以加深我们的记忆。感受的程度越高,加深的倍数也越高。也许你会认为,人的感受比上面归纳的六个基本感受复杂的多。比如我们感受到爱,感受到嫉妒,感受到内疚。这些都是复杂的感受,但是它们可以被建立在上面的六个基本感受之上,再加上我们的思维。比如说,爱是一种条件反射式的快乐加上对某人的思念。当我们见到所爱的人的时候就会产生快乐,当对方不在时就会思念。而嫉妒是愤怒的一种,再加上我们的思维,认为自己受到不公平的待遇。所有这些复杂的感受都与思维有关。 既然如此,很多特别复杂的感受只能存在于我们人身上,而不可能存在于其它的动物身上。猪虽然有快乐,但很难说它会有爱情。

从生物的进化角度来讲,感受有什么用处呢?为什么很多动物会发展出感受这么一套系统来呢?感受提供给我们一个追求的目标,这就是追求快乐的刺激,而避开不快乐的刺激。带给我们快乐的事情总是对我们生存有利的事情。这给了我们一个与生存有关的价值系统,可以用来组织我们的行为。 带给我们快乐的事情可以根据生存环境来确定,而不一定是天生固定的。 这是一种学习的过程。比如,我们生下来的时候也许并不怕蛇,但如果有一次被蛇咬的经历,我们就会学到蛇与不快乐的联系,下一次就会避开蛇。相反,如果我们生长在一个特殊的岛上,那里的蛇都不咬人,那么蛇就不会是引起不快乐的原因,我们也就不会避开它。这种看似简单的学习过程,只有在有了感受系统之后才变得灵活和快速。这种后天的学习过程给了我们一种新的适应环境的能力,让我们在生存竞争中高出一筹。相反,低级的动物(如昆虫)没有独立的感受系统,它们的大多数行为都是生来就固定的,尤如机器人一般。它们没有一套感受系统来帮助适应新的环境。

在某种意义上,感受系统可以对应着弗洛里德的潜意识(subconscious)系统,而思维对应着意识(conscious)系统。弗洛里德将有意识的意志称之为ego, 而将潜意识中的欲望与动力称之为id. 他认为大脑的活动就是 ego 与 id 之间的斗争,特别表现在 ego 对 id 的压抑之上。在现在看来,是否思维的意识活动对感受的潜意识活动有着压抑,实在很难说。但有一点是明显的,那就是我们的思维活动受到感受系统的很大影响。但这一影响往往是思维本身没有意识到的,它表现为一种潜在的思维取向。可以说我们大多数最深层的本能欲望都是通过我们的感受系统传输到思维系统中来的。感受系统有着与思维系统不同的记忆回路。比如在两三岁之前,我们的思维以及它的记忆系统还没有健全。所以长大之后我们回忆不起两三岁之前的事情。但那个时候与旧脑相连接的感受系统以及它的记忆系统已经发育成熟。所以长大之后我们可以记起那种感受。但因为它不存在于理性思维的记忆里面,所以我们往往说不出来为什么会有那样的感受,甚至认为我们的感受来得莫名其妙,是一种非理性。不过不管称之为理性还是非理性,这些感受的产生是有原因的。在这一点上,弗洛里德的一些说法确实有一定的道理。

上面说到了思维与感受,以及与它们相对应的大脑结构。接下来让我们说一下情绪。这里所说的情绪(mood)又可以说成是心情,它指我们体内的精力状态以及各种欲望的程度。在物质上它和我们血液中的各种荷尔蒙浓度有关。荷尔蒙是一些特殊蛋白质,它们控制着我们体内的各种功能,从身体的生长到我们各种最基本的欲望。比如在青春期,生长激素的浓度就非常高,同时男性激素(睾丸激素)的浓度也非常高。睾丸激素控制我们做事情的精力,它可以使我们坐立不安,内心躁动,总想找事做,同时也想做爱。有的人总是精力充沛,这与体内的睾丸激素较高有关。对于女人来说,血液中的荷尔蒙浓度,与月经周期有密切的关系。在热恋中的情侣,男人的睾丸激素会降低,而女人的睾丸激素会升高,这使男女双方更象对方。不过在几个月之后,当他们不再处于热恋之中后,他们各自的睾丸激素水平又回复到平均值。这种长时间的荷尔蒙浓度的变化正是我们情绪的物质基础。在很多情况下,体内的荷尔蒙是我们各种欲望的原动力。也就是说我们的情绪是欲望产生的基础与背景。欲望的满足带给我们快乐的感受。欲望越强烈,满足它得到的快乐也越强烈。这可以说是情绪系统对于感受系统的一种影响与放大。情绪与欲望可以说是产生各种感受的一个大的生理环境。我们只有在一定的情绪下才想去做相应的事情,也才能够真正体会到相应的感受。如果说感受是大脑对外界事物和我们自身行为的一种被动的反应,那么情绪就是我们身体对外界主动的追求和欲望。我们大多数的本能欲望从情绪系统来到感受系统,然后再来到思维系统。这是我们的欲望回路。情绪及欲望既然受荷尔蒙的左右,那么它的时间尺度一般在几天至几个月之间。相对起来它比感受要持久得多。所以我们可以有长时间的欲望,但只有几分钟的快感。

既然情绪是被荷尔蒙所控制的,那么是什么来控制荷尔蒙呢?我们血液中荷尔蒙的浓度往往取决于我们的内部生理系统。这个内生理系统包括血液循环,腺液释放,荷尔蒙变化,血糖高低等等。这些都与我们生理的功能密切地联系着。旧脑中的 thalamus 控制着我们体内的这一套内生理系统。 这是在进化过程中最古老的一个系统,它在很大程度上是一个自动的调节系统,与我们的思维没有太大的联系。我们可以一直处在昏迷状态中,成为植物人,但这一套内生理系统可以照样运行。更具体地来说,这一套系统的运行受到两种影响。第一种影响是生理上的。比如说,当我们能量不够的时候,血液中血糖会降低,从而产生饥饿感,流口水等。当我们吃完饭之后,血糖又会自动生高。又比如说,在青春期我们的生长激素和睾丸激素都会增加,从而刺激我们生长。再者,当我们的性器官受到刺激之后,不仅有局部的生理条件反射,我们的大脑也会释放相应的荷尔蒙,使我们有性的冲动。第二种对内生理系统的影响来自于大脑的其它活功。但我们上面已经说过,我们的思维不可能直接控制内生理系统。这是因为控制思维的新皮质与thalamus没有直接的神经连接。比如我们不可能只是通过思维来命令我们自已加快心跳,流口水,出汗等等。要想控制这些反应,我们只能通过两种渠道。一是通过外部生理刺激,比如通过跑步来加快心跳,通过舔舌头来刺激口水。二是通过感受,或者是想象中的感受。我们上面说过,管感受的limbic系统与thalamus有直接的连接。所以我们可以通过思维来控制感受系统,而通过感受系统来影响内生理系统。比如我们可以听一个恐怖的故事,让我们感到害怕,这时我们的心跳就会加速。

总结起来说,我们的情绪及欲望是被体内的荷尔蒙所控制的,它往往取决于我们的内部生理系统。从进化的角度看,这一套内生理系统是在很早之前就发展出来的。我们的思维系统可以影响感受系统,而感受系统可以影响情绪系统,但思维系统不能直接影响到情绪系统。反过来,我们的情绪和欲望加深了我们的感受,而感受又加深了我们的思维记忆。我们的感受是一个反馈系统(feedback),情绪和欲望是一个动力推动系统(drive), 而思维是一个中性的分析系统。 从进化来看,从情绪系统到感受系统是一次飞跃,而从感受系统增加到思维系统,是另一次飞跃。在当今的地球,只有我们人类达到了这第二次飞跃。每一次飞跃都使我们的生存适应能力达到了一个新的台阶。这使我们变得更灵活,学习新的东西更快捷,行为也越来越复杂和高级。

上面我们讨论了思维、感受、情绪、以及大脑各个部份之间的连接。这就如我们知道了计算机各个集成块之间的连接,以及每个集成块的大致功能。但我们还不知道每个集成块内部的构造。知道内部的构造可以帮助我们了解它们是怎样来实现各种功能的,以及它们有怎样的特点。对我们的大脑来说,集成块就是大脑的皮质。大脑的皮质是一层几毫米厚的灰色物质,新脑皮质是这样,旧脑皮质也是这样。皮质下面是大量的神经纤维束,它将大脑皮质的不同部分互相连接起来。如果将这几毫米厚的大脑皮质在显微镜下仔细观察,我们会发现它有六个不同的层次,每一层对应着不同形状、不同结构、不同密度的神经细胞。比如有一层是管输入的,另外一层连接着输出的神经纤维。有的层有比较大的神经细胞,另外的层有非常密集的神经元(神经细胞)。这六个层次的结构,优化了大脑皮质的功能,使每一种神经细胞有不同的分工。大脑皮质以及其他神经系统都由神经细胞组成。神经细胞是一种特殊化的人体细胞。我们大脑中大致有一百亿个神经细胞。神经细胞与神经细胞之间的连结叫做突触(Synapse)。每一个神经细胞有成千上万个突触。所以大脑中有上百万亿的突触存在。一个神经细胞可以被想象成一个树子。它有密集的树根(dentrite),这是神经信号输入的地方。它有一个粗壮的树干(axon), 树干将神经信号传输出去。在树根与树干之间的一个三角形的地方是神经元细胞的细胞体。这里有它的细胞核,而所有的输入信号也在这里得到综合处理,决定细胞是否激发。 树干到了它的顶部又可以分丫,成为很多树枝。树枝与下一个细胞的树根相连接,连接的地方就是突触。突触有一个花蕾一样的形状。突触前面细胞的树枝壁与突触后面细胞的树根壁在突触的地方平行相对,间隔很近的距离。两边的细胞壁上都有很多蛋白质的通道,而突触前的树枝花蕾中更有一些微禳(synapic vesicle),这些微禳中装有一些神经传输化学分子(neurotransmitter)。平时这些微禳不能通过细胞壁上的通道。但当突触前细胞的神经激发脉冲到达突触前花蕾的时候,花蕾中的一些微禳会被打开,释放出其中的神经传输化学分子。这些化学分子可以通过细胞壁上的通道,从而传输到下一个细胞的树根中去,成为下一个细胞的输入。由此可见,在神经信号的传输中,突触起到非常重要的作用。突触总是在不断地改变,这个改变过程正是我们记忆的基础,也对应着我们学习的过程。但如前面所说,我们大脑中有一百万亿个突触连接,这是一个非常复杂的系统。 好在正如下面要讲到的,了解大脑功能并用不着了解所有这一百万亿突触的精确连接。这里让我们先说一下神经信号到底是怎样一回事情。

我们知道电信号是一个电压的脉冲,它可以在铜线当中传播。那么什么是神经信号呢?首先,神经信号与钙离子的浓度有关系。我们整个的身体,包括每个细胞都充满了水份,这也是为什么说我们身体的90%是水。神经细胞的内部和外部都处在水溶液当中,但是里面和外面的钙离子浓度并不一样。神经细胞外面的钙离子浓度要大于细胞之内的钙离子浓度,由此形成一个内外的电压差。在神经细胞壁上有两种特殊的功能蛋白质,一种是钙的闸门,另一种是钙的泵。打开钙的闸门,钙离子会从外边流到里边,而钙的泵不断地将细胞内的钙离子抽到外面去,使内外的钙离子浓度有一个差值。当一个神经细胞被激发的时候,在它的树干上(axon),一个部位的钙闸门被打开,这使得外部的钙离子一下涌入到神经细胞之内。钙离子的涌入使里外电压差产生一个变化。而这个电压的变化又使得树干下流邻近部位的钙闸门被打开,接下来邻近部位的钙离子又涌入。这样产生了一个连锁反应,从而形成一个脉冲在树干(axon)上从上到下传播下去,直到树干的末梢:突触。这个脉冲正是神经的激发脉冲,这个脉冲的传输过程也正是神经信号的传播过程。 神经信号的传输是非常快速的。比如从大脑到手上的传播,只需要几毫秒的时间。所以我们人的想象,可以从一个念头,在几毫秒内跳跃到另一个念头。我们将之称为闪念。 每个神经脉冲都是从神经细胞体的部位(三角形部位)始发产生的,然后再传输到树干上去。 那么是什么决定了这个神经脉冲的始发产生呢?这取决于它从树根上接收到的信号。上面讲过,当一个神经脉冲到达突触的时候,神经传输分子从突触前细胞扩散到突触后细胞。这些化学分子然后从神经细胞的树根扩散到细胞的中心细胞体。这是一个扩散过程,正因如此,神经细胞的树根一般都较短,这使突触到细胞体的距离不是太长。最后,来自所有树根的神经传输分子在中心细胞体中综合起来,而由它们总的浓度决定了此神经元是否会激发。 当总的浓度大于一个阈值时神经元就会激发,小于这一阈值,神经元不会激发。这是一个非线性的关系。当神经元激发之后,它的神经脉冲的振幅都是一样的。也就是说,每一个激发的峰值和形状都是一样的,可以把它们想象成一个的脉冲的波函数(pike)。在数学上这样的波函数又叫着孤子(soliton)。 由于每一个脉冲的形状和大小是一样的,神经信号的大小其实是表现在这些脉冲被激发的频率上面。 比如有的时候一个神经元会突然产生一连串的很多密集的峰值,而在另外的时间里它的激发脉冲很稀疏。

前面所说的神经激发过程可以用一个数学的模型来描述。在这个模型下,一个神经元的激发程度(脉冲密集程度)是它在树根上所收到的输入的总和的一个非线性函数。 树根上突触得到的输入,其实可以有两种,一种是正的,一种是负的。注意,虽然神经脉冲只有一种,但处于突触前蕾中的神经传输分子却可以不同,这造成了对突触后神经元的正负两种作用。负的输入进来,会抑制这一细胞的激发。也就是说,如果两个细胞是负的突触连接,那么上面一个细胞的激发反而会导制下面一个细胞激发的减慢。有的神经细胞,可以被叫做抑制性神经细胞,它的树枝上的所有突触连接都是抑制性的。我们前面说过,突触的变化过程正是我们记忆和学习的基础。对于一个成年人来说,新的神经细胞的产生和分裂已经是一个不太常见的事情。 但我们的神经突触却在不断地变化。 它们可以被增强,被减弱,或者新的突触会产生。有实验证明,新的突触连接可以在神经元受刺激之后几分钟内长出来。想象我们大脑中的神经连接长来长去,尤如绿豆发芽一般,这实在是一幅奇妙的景象。其实突触的变化可以用一个简单的规则来描述。如果一个突触的上游细胞和下游细胞同时在不断地激发,而这个突触连接是正的,那么这个突触连接就会增强,相反如果突触连接是负的, 那么这个突触就会减弱。另一方面,如果上游细胞不断地激发,但是下游细胞并不激发,那么正的突触连接就会减弱,而负的突触连接就会增强。总之如果一个突触在细胞的激发上达到了它的目的,那么这个突触就会增强,反之就会减弱。同样的原则可以用在新突触的产生上面。至今为止,我们并不十分清楚这些突触变化原则的生物机理。 但这些原则却使得我们的记忆和学习成为可能。综合上面神经元的激发模式,以及神经元互相之间的连接变化规则,我们就得到一个描述我们神经系统的数学模型,这就是神经网络模型(neural network model)。通过对这个模型的研究,我们可以学到很多我们思维的特征。

首先,虽然我们大脑有上百万亿的神经细胞连接,但这些连接并用不着象计算机那样的精确设计。在集成电路当中,如果一个逻辑门出了问题,它的整个运行过程就会出错。换句话说,它有很低的错误容忍度(error tolerance)。但神经系统却恰恰相反,我们的大脑有很高的错误容忍度。在我们大脑中,每天都有成千上万的大脑细胞死掉。如果象集成电路那样,一个细胞死掉整个电路就不工作了,我们早就变成了傻瓜。另外,一个细胞死掉并不意味着我们有一个相对应的特殊记忆就消失了。这是因为每一个记忆并非贮存在一个神经细胞当中,而是存在于很多神经细胞当中,以一种集体的形式贮存下来。我们记忆和思维的最基本单元,是一个个的神经激发图案(pattern)。 每一个激发图案对应着成千上万个神经细胞的同时激发。在空间上,激发图案并不是指在大脑皮质中某一个部位的所有神经细胞都得到激发,而是指在这个部位里面有选择性的一小部分细胞的集体激发。图案中的神经元往往互相激发(正的突触连接),形成一个正反馈,这使整个图案成为一个整体,在它被激发起来之后可以自已维持一段时间。根据我们上面所说的突触变化规则,这些神经元之间的正的突触连接会因图案的激发而加强。这就是为什么当我们想一个东西的次数越多,这个东西的记忆也就越强烈。并且突触的变化是非线性的,所以一次强烈的印象可以留给我们深刻的记忆(恐怕长出很多新的突触连接来)。所以我们思维结构当中最基本的单元不是一个神经细胞,而是神经细胞的集体激发图案。从思维的角度来讲,这个单元可以是一幅画,一个闪念、一个单词,一个中国字,或一个中国字的偏旁。究竟什么是我们思维中最基本的单元,现在并没有一个十分清楚的了解。但重要的是,每一个思维最基本的单元对应着一个集体的激发图案,而不是对应着一个神经细胞。如果这个激发图案中的某几个细胞死去了,这并不影响这个图案被重新激发出来。这正是我们大脑具有高度错误容忍度的原因。另外,同一个细胞可以同时属于好多个不同的激发图案。也就是说,在一个图案被激发的时候,这个细胞被激发,而另外一个图案被激发的时候,这个细胞也被激发。

接下来,我们将注意力从单个细胞的激发转移到图案的激发。我们也可以将一个神经激发图案称之为一个形态。这种形态的激发直接与我们的思维过程有关。更具体的说,我们的思维可以被想象成是从一个形态的激发转变到另一个形态的激发,再变到下一个形态的激发的过程。运用前面说到的突触改变的原则,我们可以得到形态与形态之间激发的原则。如果一个形态被激发,紧接下来另一个形态又被激发,那么以后当第一个形态被激发之后,第二个形态就会被自动地激发出来。另外,当一个形态不断地被激发,那么这个形态会被加固,在以后也更容易被激发。这些原理在神经网络的研究中都得到证实。形态与形态之间互相的联系,正是我们联想的基础,也是我们记忆的一部份。比如说,如果我们不断地听一盘歌曲磁带,磁带中有好多首歌。 在我们重新听这盘磁带时,当前一首歌结束之后,下一首歌的曲调会在我们大脑中自动浮现出来。 但在我们以前听歌的过程中,并没有有意地想要记住歌与歌之间的联系,如果只从歌名上问一首歌的下一首是什么,我们并答不出来。但是经过不断地重复,一首歌与下一首歌之间就会自动地产生曲调的连接。这正是我们记忆与联想的机理。记住一件事情,我们并不需要有意识地去记住它,只要它不断地重复,我们的大脑会自动地将它记录下来。所有这些都来源于前面说到的突触变化的基本规律。当然,很多时候我们有意识地想要记住什么事情,并且确实有帮助。这有两个因素。一方面,我们大脑会不断地重复这件事情,增加记忆的次数,另一方面,我们的注意力会使大脑相对应的神经激发更强烈,从而使突触的变化加快。但这并没有改变形态变化与记忆的基本原则。所以总的来说:由于我们神经细胞的构造,特别是神经细胞与神经细胞之间突触的连接以及它们的变化规律,我们的基础神经网络(也就是大脑皮质)有一些奇特的功能。这表现在: 神经的激发以一个个的形态(神经激发图案)为单元,而这些形态正是我们思维最基本的单位。这个单位可以是一个单词,一个偏旁,一幅画的棱角,或是一只眼睛。到底是什么,还需要进一步的研究。但形态是思维最基本的单元不会有错。另外,如果两个形态被连续地激发,那么下一次当第一个形态被激发之后,第二个形态会被自动地激发出来,这正是我们联想与记忆的基础。

我们在此可以看到大脑皮质与计算机的集成芯片有本质的不同。大脑皮质的运行,它的形态的激发以及形态与形态之间的联系,不需要通过事先的精确设计来得到。相反这些高层次的功能来自于一些非常基础和简单的突触变化规则。我们的大脑皮质有一种自组织(self-assembly, self-organization),自综合的功能。这种功能最适合于我们去处理日常生活中的一些最基本的事务,比如图象识别、记忆、联想等等。相反,计算机的集成芯片需要精确设计,搭错一根线路就会使整个系统报费。它没有自组织与自综合的能力,所以要用它来实现一些看似简单的任务(比如识别人的脸)就十分地困难。为实现这些任务,很多计算机程序都应用模拟神经网络,也就是模拟我们的大脑皮质。当然在这些模拟程序中,模拟神经元以及突触的数量是远远比不上我们大脑当中所拥有的数量。所以我们的大脑与计算机在想象能力、综合能力、直觉能力、以及思维能力上都有天壤之别。但在原则上,我们的大脑并没有任何神秘之处。

下面让我们简单地谈一下思维中的几个重要的要素:语言,感知,注意力。我们前面说过,思维的过程是从一个形态激发跳跃到另一个形态激发的的过程。 所以我们的思维是离散跳跃性的。这种离散性正是逻辑运行的基础,而逻辑思维是建立在我们的语言之上的。当我们用逻辑思维在想问题的时候,其实我们是在说话。要么我们大声的将话说出来,要么是在默念,这都与我们的语言有关。语言有很复杂的结构。它的基本单元,除了单词之外,还有语法。而各种语法的应用,也对应着大脑中相应基本形态的激发。不过这些形态的激发是一个动态的过程。也就是说,当一个语法形态被激发的时候,它会首先套上(激发起)主语,然后套上谓语,然后套上宾语。这就象唱一首歌,先将韵律激发起来,它会随着时间改变,将相应的歌词填充到旋律上去。但无论是语法还是旋律,它们都是最基本的激发形态。只是语法形态的激发,又会引起单词形态的激发,然后将不同的单词填充在语法的不同部位上面。而单词与语法有可能贮存在大脑中不同的部位。比如有的人脑部受伤,从而说不出一句完整的话来。但他的单词都很清楚,只是不能将它们串起来。从某种意义上讲,语法的形态是一种对过程进行控制的形态,而单词的形态是一种静止不动的形态。

在大脑中另一个重要的对过程进行控制的方式就是我们的注意力。注意力与我们的感知有关。感知(conscious)是指我们清醒时候大脑的状态。在这种状态下,我们可以感觉得到周边事物的存在,但同时我们又有选择地将注意力集中在一个事物之上,而将所有其它事物的感觉输入作为一种背景。注意力就像黑暗天空中的一束灯光,它不断地在我们的大脑皮质中扫射。而我们的感知控制着这一束灯光。当外部周围事物发生变化的时候,我们的感知可以将注意力从一点很快地转向另外一点。这个过程在微秒之间,这使我们感觉不到注意力的跳跃,也使我们觉得感知是一个平滑连续的过程,似乎感知是浑然的一片,我们也融入在周围的环境之中。 但其实,在一个时间里,我们的注意力只会集中在一个点上,同一类型的形态只能被激发一个。所以在逻辑与形态的层面上看,我们的思维是单线行的(serial),而不是平行的(parallel)。一心确实不能二用。

最后让我们讲一讲梦。我们至今仍不清楚人为什么要做梦,甚至也不真的知道为什么要睡觉。但无论我们醒来后是否记得,我们睡觉时都会做梦。做梦的时候,大脑中不同区域的活动受到脑干(brain stem)释放出来的化学物质的控制与影响。我们大脑中的输入与输出功能都被关闭,但大脑中的另一些部分仍然在工作。比如说,我们的运动皮质区与身体肌肉的连接被关闭。这使我们经常在梦里面想跑却跑不动,想用手抓却抬不起手来。这是因为大脑给出了跑的指令,但却没有在运动输入区接收到相对应的跑的反馈信号。但这个时候,我们的高级皮质区,比如说前额皮质,仍然在活动。我们仍然有注意力,仍然有思维。我们的思维已经不严谨,因为我们大脑中负责监视和疑问的区域已经不工作。但这并不影响我们有一种感知,因为负责感知的区域仍然在工作。这是一种不完全的感知,它的输入来自于初级皮质区,而不是真正来自于我们的感觉器官。这些来自于初级皮质区的输入,往往是白天来不及处理而暂时贮存起来的信号。所以我们的梦与白天的所见、所闻、所想有关,但往往又是当初一闪而过没有注意的事情。梦里的世界往往是不协调的,残缺的,经不起考验的,与我们发四十度高烧时的感知差不多。但这并不影响这种感知带给我们的真实感,那种身历其境的体验。所以就我们的感知来讲,梦里的世界又何尝不是一个”真实”的世界。并且因为这个时候主管思维控制的系统不太严密,所以我们的梦里经常有来自感受系统(潜意识)的本能欲望的直接表现。关于为什么要睡觉,现在的一些研究发现,睡觉的时候往往是我们修复神经细胞损伤的时候。经过白天的运行(不断的神经激发),我们的神经细胞,特别是细胞壁上的一些功能蛋白质分子以及它们的排列,会遭到一些损害。而睡觉的时候正是对于这些损害进行修补的时候。因为这种修补需要一定时间来完成,所以睡眠有一定的时间累加性。今天没有睡够的觉,明天可以补起来。这等于说今天没有完成的修补工作可以等到明天来完成。另外,睡觉也被认为是一个将临时记忆转移到长久记忆的过程。所以充足的睡眠有助于我们的记忆。