脑子裂开后,会发生什么?
发布时间:2020-06-30
出品:科普中国
制作:之遥
监制:中国科学院计算机网络信息中心

  意识存在于哪里?

  这是一个困扰了人类几千年的问题。在古代,我们的先人认为意识存在于心中。这从我们学过的古诗之中便可以看出来,像李白所写的“我寄愁心与明月,随君直到夜郎西”,愁思所在的地方是心而不是别的地方。

  然而随着科学尤其是解剖学的发展,人们发现心好像只是一团泵送血液的肌肉,我们的意识应该寄存在我们的脑中。但是由于大脑实在过于复杂,解剖学对于脑的研究就有些束手无策。直到现代脑电、脑外科手术等技术的成熟,脑科学才开始飞速发展,我们才逐渐揭开脑的神秘面纱。

  大脑不等于脑

  

  脑 图源:维基百科

  脑是人体神经系统的中心器官,和脊髓一起构成了人的中枢神经系统。脑包括大脑(cerebrum),小脑(cerebellum)和脑干(brainstem)三个部分:

  大脑是人脑最大的部分,也是我们意识的来源;小脑影响运动的起始、计划和协调,主要起到维持身体平衡的作用;而脑干是控制各项生命活动的中枢,如维持心跳、呼吸等这些活动都是脑干自主维持的,所以在昏迷或者睡着时我们依然不会忘记呼吸或心跳。人也因为这一点无法憋气憋死自己,因为当我们憋气进入昏迷状态的时候,脑干便会自动接过呼吸的控制权,让我们恢复呼吸。

  虽然小脑和脑干对基础的生命活动的重要性甚至大于大脑,比如植物人大脑基本停止活动但是仅凭脑干仍能维持基本生命体征,而脑干一旦停止活动就会宣告患者的脑死亡,也就是医学死亡;但是我们意识的产生仅与大脑有关系,大脑的不同区域分别控制着我们的性格、情绪、记忆、肢体运动……

  

  脑的结构 图源:百度百科

   这些结论是怎么得出的呢?下面就让笔者介绍两个脑科学医学手术上的“黑历史”,带大家了解大脑的功能和大脑的神奇之处。

  大脑皮层:意识的物质基础

  大脑皮层,顾名思义,就是大脑表面的灰质。我们都听说过一个说法:大脑表面沟壑越多,人就越聪明,这个说法是有一定的科学道理的。大脑皮层是人体思维器官,是高级神经活动的物质基础。大脑表面凹凸不平,这就是为了增加大脑皮层的面积,大脑皮层面积越大,人也就越聪明。

  在结构上,大脑皮层分为左右两个半球,有着额叶、顶叶等脑区,不同的大脑分区发挥着不同作用,例如枕叶负责接收视觉信息,顶叶处理运动指令和身体的感知,而听觉信息则由颞叶处理等。

  1. 脑外科的“黑魔法”——额叶切除术

  额叶是大脑发育中最高级的部分,在25岁才会发育成熟。它包括初级运动区、前运动区和前额叶。额叶的位置是中央沟以前,也就是我们额头后部的一片大脑皮层。它负责思维、演算,个体的情感,使活动服从于坚定意图和动机。

  

  大脑分区

  图源:Sebastian023, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=21020857

  基于额叶的重要功能,额叶被认为是人高级认知功能的基础。但为了认识到这一点,我们付出了惨痛的代价。

  1935年,莫尼斯为了治疗精神病患者,向患者的额叶注射酒精以杀死神经细胞,从而切断患者额叶与其他脑区的联系。患者术后基本上都没了之前的癫狂、躁动、抑郁等行为,并且也没有留下任何严重的后遗症。在莫尼斯发布这一手术后,多名医师也尝试了这一手术,结果喜人。因此,莫尼斯便草草下结论:“额叶切除术是一种简单、安全的手术,很可能是一种可以高效治疗精神障碍的外科手术。”莫斯利也因此获得了1949年的诺贝尔生理或医学奖。

  但是,噩梦就此开始。

  1945年,弗里曼医生发明了一种简单快速的额叶切除术的手术方法——“冰锥疗法”,也就是用小锤子把冰锥由眼眶刺入大脑,之后搅动冰锥,从而切断额叶和其他部分的联系。这个方法的优点或者说缺点便是手术极其简单,甚至不需要很好的消毒,一个小诊所也能做手术。

  手术简单、技术难度低导致了该术的滥用,人们不仅用它来“治疗”严重的精神病患者,而是用它去“治疗”一切与行为有关的“疾病”。在日本甚至仅仅因为小孩子调皮捣蛋、成绩不好便向他们的大脑中刺入冰锥。

  

  冰锥疗法 图源:百度百科

  额叶切除术的后遗症在50年代开始被大规模报道。接受了额叶切除的病人虽然精神病症状有所减轻,但是这些病人的高级思维活动被破坏,他们神情呆滞、任人摆布,就像行尸走肉一般。

  从50年代开始,到70年代,随着额叶负责着人的高级认知能力的功能被发现,额叶切除术也退出了历史舞台,脑科学终于翻过了有史以来最黑暗的一页。

  2. 左右互博——“裂脑人”实验

  大脑有着两个半球,它们之间通过一个叫胼胝体的结构相连。把胼胝体切断,就会隔绝左右脑之间的联系,这就是“裂脑人”。胼胝体切断术被用于治疗严重癫痫病人。我们知道,癫痫是脑部的异常放电,切断胼胝体可以防止电流在两个脑半球之间扩散,降低癫痫的发作频率和缓解发作症状。

  一个左右脑的信息交流被完全阻断的人,无疑是脑科学家研究大脑功能和意识产生的绝佳实验对象。斯佩里与加扎尼加两位医生从1962年开始,对4个通过外科手术被切断胼胝体的癫痫病人进行了著名的裂脑人实验,这个实验主要从视觉、触觉和听觉三个方面进行。

  右脑只能关注到注视点以左的视野,左脑反之。实验团队便应用这一点设计了视觉实验。

  

  视神经信号传递线路 图源:https://ignostudies.hypotheses.org/5280

  在实验中,实验人员让“FACE”这个单词在被试者的右视野快速闪过,他们可以准确地说出看到的单词;然而当这个单词在被试者的左视野快速闪过时,他们会说什么也没看到,但是要求他们把看到的东西画出时,他们会画出一张脸。

  这个实验表明了三个重要的信息:

  一,左半脑和右半脑都能够识别图像、文字信息。这很容易理解,实验中左右脑都能对我们给出的“FACE”这一单词作出反应;

  二,语言中枢位于左半脑。因为当我们讲“FACE”投影到屏幕一侧时,按照上图,“FACE”这一视觉信息被传递到了对侧半脑,然而因为此时胼胝体被切断,左右脑失去了联系,信息将会停留在当前半脑中,这半脑只能调用自己可以的功能而不能借用另一半大脑的功能。所以当单词投影在屏幕右侧,被试者能说出名词;而投影在屏幕左侧被试者只能说“什么也没看到”。这一现象说明只有左脑拥有着语言中枢。

  三,右半脑能通过动作表达自己。实验中右脑能够控制左手写出“FACE”这一单词,这说明右脑中有运动中枢,能够通过控制肢体的行为来表达自己。

  对触觉和听觉的实验也证明了这三点。比如触觉实验中,在右手接触物品时,被试者能说出自己拿到了什么。而当左手接触物品时,被试者会说自己什么也没接到,但是能用左手写出拿到的物品。听觉实验中,也有同样的结果,右手和左手都能对声音刺激做出反应。

  在后续实验中还发现右脑可以表达情绪,这说明右半脑也有着高级思维功能。那到底左右半脑是各有专长呢,还是本质相同呢?

  答案是前者。通过被试者左右手分别绘制立体图形的画图实验,研究发现右半脑有着更强的空间处理能力。

  在涉及空间关系和形状的视觉任务中,就像你在下图中看到的,对于复制三维图画,左手的成绩更好些。

  

  被试者的模仿做图结果(左、中、右三列分别为原图、左手作画、右手作画) 图源:维基百科

  积木实验也说明了这一点,被试者的左手能够很好地把积木搭成要求的形状。但是右手却无论如何也做不好,当右手笨拙地摆着积木时,左手甚至会忍不住上来“帮忙”。

  这些实验都表明,分离的两个脑半球拥有各自独立的意识领域,每个半脑都独立地具有高级的心理功能。但是两个半脑并不是等价的,两者各有所长。

  脑科学前瞻:有USB接口的人脑?

  脑科学在今天仍然在高速发展,并正在把只能在科幻电影里看到的场景变成现实。

  脑机接口,或许大家听过这个名词。通过脑机接口技术,我们可以直接对大脑中的信息进行输入输出。这个技术有多科幻呢?它使我们可以躺在床上体验“真”3D电影,可以把自己脑中的画面直接投影在屏幕上……这些看似天马行空的技术或许便会出现在不远的将来。 事实上,Facebook公司正与加州大学旧金山分校的团队合作,试图开发一种全新的非侵入式脑机接口设备,并已经获得了喜人的成果。这种设备利用红外光从外部接收大脑信号,可以直接读取使用者心中所想的单词。通过进一步的研究和改进,这项技术将在未来帮助那些无法开口说话或丧失部分语言能力的人更好地与他人交流。

  除了这些,脑科学和计算机、人工智能等领域也在相互促进,人工大脑、强人工智能……越来越多的技术正在被发明,越来越多的想法正在被提出,越来越多的科幻正在变成现实。在对于大脑的探索,我们仍在路上。

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