脑科学与人类进步

20世纪的最后一个十年被作为“脑的十年”即将载入脑科学史册。21世纪即将作为“脑的世纪”而掀开新的一页。

19世纪，达尔文的进化论揭示了人在自然中的地位；20世纪，生命科学领域发生了深刻的革命。从1953年春天，DNA双螺旋结构的发现，到世纪之交“克隆羊”问世，将近半个世纪的光景，人类对生命本质的认识走过了一段辉煌的路程，随着“人类基因”计划的实施，人类迎来了生命科学发展的后基因组时代。

1990年由美国发起的“脑的十年”，在国际上引发和推动了对脑的广泛研究，在欧洲也发起了一场相似的运动，欧共体在1991年成立了“欧洲脑的十年”委员会。在我国，“八五”期间“脑功能及其细胞和分子基础”的攀登计划也取得了可喜成果。日本启动了面向21世纪的20年的《脑科学时代》计划——提出了脑科学的宏伟的战略目标：通过阐明智力与思维的脑机制来“理解脑”；通过延缓衰老和治疗神经性和精神性疾病来“保护脑”；通过发展脑风格的人工智能和神经计算系统来“创造脑”。

21世纪即将作为“脑的世纪”而掀开新的一页。脑是21世纪仍处于相对未开发的为数很少的几个重大前沿之一。在21世纪，人类认识自身和脑的历史进程必将是由两个车轮推向前进的：“基因组”和脑科学。基因组作为生命的蓝图，是分子总设计师。但是，在脑内有序生成的过程中，对遗传的信息的需求是很小的。人类基因组包括约10万个基因，而人脑含有至少1011个神经元和1014个突触联结数。所以，基因组不够也不用编码每个神经元的坐标和每个突触联结的强度，也没有必要负责确定神经细胞间相互作用的细节，这才赋予了人的个性和社会性的可能性。从脑的进化来讲，如果将DNA所含遗传信息量和大脑所含信息量相比，在石碳纪以后，出现了早期爬行动物，其脑内信息开始超过基因组信息含量，并持续取得了优势。由于进化加速进行，给生存竞争带来了压力，神经系统种系在很早的时候就不再依赖细胞水平以下的生物大分子的改进，而是依赖细胞水平以上的，由细胞之间相互作用来进行。脑的功能的修饰当然会打上文化的印记。

语音学家的研究发现，牙牙学语的婴儿，会贮集一种或几种语言中都找不到的“野生的声音”。看来，语音的结晶过程也是后生的对音节的选择性稳定过程。所以，基因组后时代的脑科学必定是以基因—脑—行为的结合为其特征的。

探索脑功能的细胞和分子基础将是理解脑的主要挑战之一。

作为长期进化的产物，人脑是已知的自然界最复杂的系统，它的每一个神经元就是一个复杂的分子细胞机器。脑功能的细胞和分子机制是智力的基础，而理解脑的高级功能（如认知、记忆、思维、语言、情感、“顿悟”等），也还必定包括对脑功能的整体性认识。脑表现出的某些高级功能是不能在较低的层次上观察到的，其中有些是由各个单元之间的非线性的相互作用而涌现出来的集体的合作的协同行为。

在揭示脑的高级功能的整体性的道路上，揭示“意识”的脑机制，乃是脑科学的战略目标。恩格斯把“思维着的精神”比作“地球上的最美的花朵”，多么深刻、生动而美妙！日本的《脑科学时代》计划中，其20年后的战略目标是阐明自我意识和社会意识的脑机制。这标志着意识已经从泛泛的议论成为严肃的研究课题了。什么是意识？确是极难描述的问题。但是脑科学的发展证明，对意识的定义、描述和研究都是必要和可能的。近来的文献中，将意识归纳为：⑴一种整合的协同的可控的行为；⑵对新事物的检测和适应；⑶目标导向行为，具有完成给定任务的灵活性和制定因条件而异的计划；⑷使用语言；⑸使用一定的明显记忆；⑹采用交替认知。

脑和神经系统的疾病是困扰和危及人类的主要疾病。其中，脑老化、神经系统退行性疾病、药物成瘾和神经系统的损伤所造成的影响更为严重。

人类在揭示脑疾病的机制方面正在取得进展，但是还有漫长的路要走。日益增多的证据表明，线粒体的基因受损可能引起早老年性痴呆症。在揭示脑疾患的原理和机制的基础上，发展新的防治方法，才能实现保护脑的战略目标。

IBM的“深蓝”战胜了国际象棋大师卡斯帕罗夫，再次证明了它处理复杂博弈模式的能力。未来的机器人会动摇人类的至高无上的地位吗？人类会沦为机器人的奴隶吗？这些都涉及到对人工智能和人类智能本质的认识，对脑—心智—计算三者之间关系的认识。如果向“深蓝”提出：“您在获胜之后的心情如何”的问题，定会问得“深蓝”目瞪口呆。因为下棋只是人类智慧的一部分，即符号思维；而非符号思维，即灵感和直觉在发现真理方面比逻辑推导重要得多（见《皇帝新脑》的译者序）。

大脑以不同于当今计算机的原理实施神经计算，并产生以“认知”、“情感”和“意识”为代表的高级脑功能。运用人工方法来模拟这些功能不仅有助于认识大脑，对未来人类社会也极有帮助，例如开发有“认知”、“情感”和“意识”能力的计算机和机器人。虽然科学家和哲学家们对于实现这一目标还有争论，但是人类一定会逼近这一目标。我们全靠那些参加被称为进化的、物竞天择、适者生存的斗争的牺牲者和幸存者才有了我们今天的大脑。但是，当人类发展脑式人工智能和神经计算系统时，也许不需要按人脑那样经历缓慢的达尔文进化过程——它是人类的非达尔文式的进步。所以，有美国科学家建议把未来的智能机器看作是人类自身的“智力—后代”是寓义深刻的。

我们正目睹和经历着一场思维方式的转变——从线性思维到非线性思维的转变。它正在席卷着几乎所有的科学领域。在18世纪，德国古典哲学家康德就指出，生命有机体的组织是不能用牛顿力学来解释的，牛顿力学解释不了一棵小草。

现在人类所遭遇的是，不可逆性遍布于自然界和人类社会的许多方面，时间和演化联系在一起，呈现在眼前的是由无序与有序、简单性与复杂性、确定性与随机性交织在一起的千变万化的自然景象。人类正在转变自己的自然观，即不再把世界看成是必然的、内秉有序的和完全可以预测的。

人类认识自然，认识生命，和认识脑是相互促进的。只有更好地认识自然，才可能更好地认识自身；在理解脑和生命的基础上，也才会更好地认识自然。古往今来，脑一直是哲人学者们持续争论的领域：从古老的灵魂与肉体的争论到当代脑—思维—计算的关系的科学探索，都折射出了人类关于脑的思考。我国宋代词人张先，把心、情比作“网”：“心似双丝网，中有千千结”。唯物主义哲学家如德谟克利特等提出将思维还原到原子的相互作用。唯心主义者如柏拉图等强调思维完全与物质和脑没有关系；笛卡尔、艾克尔斯等认为，精神和物质是独立的存在和相互作用的；莱布尼兹相信思维与物质是形而上学的并行性，它们之间的物理相互作用是不可能的。恩格斯强调“不可能把思维同思维着的物质分开”。这是恩格斯的辩证唯物主义自然观，它消除了思维同存在、理性和自然之间的绝对对立，否定了物质和意识之间存在着某种不可逾越的鸿沟。热力学第二定律的提出者玻尔兹曼认为“可以把脑看作是可以建立和发展关于世界的模型的器官”。类似的见解还有“脑是世界的表征”，其内在结构是对环境中可开发的规则性的表达，是在与环境作相互作用的选择性适应过程中获得的。这种表达的正确性在于不仅取决于脑系统自身，而且也取决于它与广义环境的相互作用。俗话说：“一方水土养一方人”。