聞一種氣味，就可能改變你對性別的判斷
導語：
莊子曰：「天地與我並生，而萬物與我為一。」隨著科學技術的發展，人類能夠上天、入地、潛入深海，但錯綜複雜的人類大腦，對科學家來說仍處於「盲人摸象」的探索階段。郭愛克院士提出，智能社會的時代特徵是「天地人腦，萬物互聯」，那麼在未來是否可能構建出一個集所有天才特徵為一體的完美大腦？
郭愛克 院士
中科院生物物理研究所
上海生科院神經科學研究所研究員
以下內容為郭愛克演講實錄：
今天我想給大家講幾個腦科學的故事，請大家跟著我一起進入腦海深處。
首先從寒武紀講起，寒武紀是五億七千萬年前至五億五百萬年之前發生的生命大爆發，大家注意它不叫大爆炸，叫大爆發，那時候產生了現代生命的很多祖先。根據這個現象，我們就要要想生命系統和腦系統是怎麼演化過來的。
很多人都問，我們人類大腦為什麼這麼聰明？其實大腦不是被設計出來的，而是演化出來的。大腦是經過浩瀚的歷史長河，通過選擇和演化而產生的。所以我們認識大腦的時候一定不要忘記歷史，因為大腦本身是個歷史的產物。我們的大腦在一定意義上來講，就是進化歷史留下的記憶。
看看我們的大腦，尺度是一千四百立方厘米，但是黑猩猩是四百立方厘米，顯然這個進化是非常有成就的。剛才很多老師都談到「上九天攬月，下五洋捉鱉」，但是人類為什麼能做到這樣？靠的是我們人類的大腦智慧是集智慧之大成，所以對於大腦來講，我們要有一個深刻的認識，要懂得大腦是怎麼工作的。
人類大腦有100億個神經元、1000億個神經元膠質細胞，加在一起是銀河系的十倍。神經元彼此之間要建立關聯，要形成突觸，這是十兆級的。而且人類大腦的神經纖維總長度是18萬公里，這個數字是什麼概念？毛主席有一句話叫做「坐地日行八萬里，尋天遙看一千河」,就是繞地球一周是四萬公里。我們人類大腦的神經纖維可以繞地球四周半！
所以我們在探討大腦奧秘的時候，要回答這個問題——腦和智力的關係。這是由來已久的、經典的科學問題。但是在大數據時代之前，我們對腦的探索往往是基於一些簡單的實驗和數據，而不能夠用大的數據集合來研究大腦，現在人們開始這樣做了。
當年，物理學家薛定諤曾經談到什麼是生命，他認為生命是密碼的、非周期的大晶體、是負熵等等，使我們後來對生命有了一個深刻的認知。但智力是什麼？瑞士的一位發展心理學家皮亞傑說：「智力就是你在適應，不斷地適應發展過程。」所以他的回答是，「智力就是你不知道怎麼辦而用的東西。」大家想想，我們不知道怎麼辦的時候，用什麼了呢？要用學習、要用記憶、要用知識，這些都是智力全部包括的內容。
在探討人類大腦的過程當中，有幾位大師我一定要提到。一位是西班牙科學家卡哈爾，他證明大腦的神經元是各自獨立的，是彼此不融合在一起的。這個觀點很重要。
再一位科學家是謝靈頓，他認為「兩個神經元之間有狹縫」。這個狹縫是納米級的，它要通過一些化學信號進行交流，這個是非常非常關鍵的概念。我們大腦不是花崗岩，之所以不是，就是因為突觸之間相互聯繫。
科學家赫布提到，神經元的活動之間有可塑性，神經元通過學習和工作會建立關聯，而關聯的效率提高是由神經元的工作情況決定。所以有的神經元可以退化，是因為沒有聯繫了，有的需要加強，這就是神經系統的可塑性基石，由這構成了神經細胞的集群，掌控我們大腦的很多功能。
這位科學家叫克里克，他是DNA雙螺旋結構的發現者之一，是一位大智慧的科學家。他在研究生命本質之後，覺得自己應該探討最難的問題——意識，他是研究意識的先行者。
他們都是外國人，但是我覺得我們不能「言必稱希臘」，我們中國也有高山。這裡我列舉了兩位高山，一位是原來上海生理所的所長馮德培，他是早期發現突觸傳遞的可塑性的，是最早的觀察者。
再一位是張香桐，他們兩位是1907年同年生，是他發現了樹突棘計算功能，也是歷史上第一個觀察到樹突棘的重要性的人。
我們談腦，一定要談到達爾文。達爾文說自然界當中，生命系統當中，是如此的相似，相似性比不同要重要的多，所以他說「演化和選擇創造了生命世界的多樣性」。這是我今天要給大家講的一個主題，就想強調我們怎麼認識大腦，就要從演化和選擇的角度，看到生命和大腦的多樣性。
大腦留給我們的是一個最後的秘密文本，怎麼探索呢？中科院在2012年啟動了一個很大的戰略性先導專項，叫做腦功能聯結圖譜，我是這個專項的首席科學家。這個項目有多大？它包容了中科院的十四個研究所，從自動化所、神經所、生物物理所、中科大、微系統所等等十四個研究所的六十個課題組，六十位PI(研究員擔任課題組長)，現在執行了五年，今年該結題了。
為什麼要研究腦功能聯結圖譜？是因為腦功能有各個層次，首先有微觀層次，比如說納米級的、毫米級的；還有介觀層次，神經環路結構這個層次；有宏觀層次，幾十個毫米的層次。所以腦功能在各個層面都有表現，我們要從多層次來研究腦的神經環路、神經網路、神經聯結圖譜，研究它們是怎麼相應地完成腦工作的。
我下面想舉幾個例子，是這個大項目當中的，幾個精彩的腦科學研究的故事。
大家看這個圖，我剛才講我們人類大腦的神經元數是一百億，這個數字從人類出生開始基本就是這樣子，但是神經元之間的聯結並沒有完成，這個完成要經過一次剪接過程。最開始突觸茂密地生長，經過一段時間進入了剪接過程。這個過程就是在腦內兩個樹突棘競爭資源的過程。勝利者發育，失敗者退化。這個過程很重要，也非常嚴酷，但這個過程是發生在微觀尺度上，所以可以說進化、競爭、勝者獨享的過程是在各個時段發生的。這是第一個故事。
第二個就是，競爭不只發生在微觀尺度上，還發生在整體動物水平上。如果把兩個小鼠放在管道裡面，管道很窄，兩個小老鼠相向而行，最後它們一定相遇，「狹路相逢勇者勝」，一個小鼠一定會把另外一個頂出去，這就是勝利者。勝利者就可以享有更多的資源，甚至它可以在籠子里把別的小鼠的鬍子都拔掉，因為它是勝利者，所以這是在小鼠動物界當中形成一個社會。
大家看這個圖，有一個勝利者，還有失敗者俯首帖耳的樣子。這在動物王國里是分等級的，這就是大腦內的神經系統工作的結果。
最近進一步的研究發現，勝利者還有「勝利者效應」。它覺得自己是勝利者，大腦從丘腦到前額葉形成的聯結效率會變得非常之強大，所以它在任何競爭場合都能獲得勝利，並把這種勝利再貫徹於其他的學習範式當中。我自己想，這或許就是塑造「小鼠性格」的基本神經機制。
我在2001年和我的合作者曾經研究過果蠅的抉擇，就是用顏色和形狀的相對矛盾的情況，做出了一個果蠅「贏者通吃」的非線性的抉擇範式。而這個類似的範式，後來在2006年，美國人用猴子在兩種蘋果汁當中讓猴子做選擇的時候，完成了一樣的抉擇曲線。就是說這種「贏者通吃」是普遍規律。
再說記憶，我們腦子可塑性決定記憶。哲學家說：「你不可能第二次跳入同一條河流中」。怎麼研究記憶呢？神經所的一項研究成果表明，可以用恐懼記憶去研究學習之後神經元發生的變化。這就發現了有的突觸聯結增加了，有的減少了，這就是記憶的痕迹。
現在大家都關注老年痴呆，所以記憶的機制是很重要的，了解記憶最初是怎麼存儲的，才有助於我們解決老年痴呆的問題，這是這個研究的結果。這就說明了「一朝被蛇咬，十年怕井繩」，是一個記憶的痕迹。而且每個人一生的記憶有很多，最後形成了你的大腦跟別人的大腦是不同的，另外工作記憶也需要類似的腦區參與。
人類的大腦不僅有可塑性，還能夠保存記憶，而且學習記憶本身最後會構成人類個性和社會性的神經基礎。為什麼人和人彼此不同？就因為我們個人的歷史經驗、社會教育等都有不同。
通過進一步發現了，人大概是兩歲的時候就知道「我是誰」，這是一個很重要的概念。小孩兩歲的時候看鏡子知道是自己，我們神經所老師的實驗證明，猴子也可以被訓練認識鏡子里的自己，這就是記憶學習構造了我們的大腦。
還有一個有趣的故事給大家看，人類是可以通過化學信號來助於識別性別特徵的。這是七個小人走路，中間這個不倫不類；右邊是男性走路的姿勢；左邊是女性走路的姿勢。問你中間這個走路是男的還是女的，你的回答決定了你的性取向。
怎麼做這個實驗呢？讓你聞一種氣味，這種氣味是一種化學信號，叫雄甾二烯酮，女性就認為這是男性在走路；如果讓你聞雌甾四烯，你就會認為這是男性在走路。這個判斷本身是很有趣的工作，證明人類這樣一個高等靈長類動物，也要藉助化學進行性別的識別，這證明了大自然進化是多麼的相似。
腦科學當中有很多的研究，在中科院神經所有研究線蟲的、斑馬魚的、小鼠的、大鼠的，有研究非人靈長類的、各種猴子的，最後還有研究人的。有人問為什麼研究這些動物的各種不同？就是因為每個動物在歷史的演化當中，都有特定的歷史階段，它都是一個歷史的橫斷面。
所以我們研究一種機制的時候，也會切入到某一個模式動物上去，但你會發現它們的基本原理、原則是類似的或者一樣的。所以我們神經科學家應該從這些原理當中，給人工智慧的或類腦智能的研究者提供啟迪，說明人類大腦什麼原理是很有用的，你們可以用來發展類腦智能或者人工智慧。
我給大家舉個例子，比如坐大飛機。飛機非常豪邁地飛向藍天，但是早期人們並不知道怎麼飛，就做一個「鳥」來飛。其實關鍵是在於了解飛行的原理——空氣動力學。我們現在研究人腦，研究各種動物腦，我個人覺得關鍵是要提出它的工作原理。
我們說得更遠一點，現在我們進入智能社會，智能社會的時代特徵是什麼？莊子以前說過，「天地與我並生，而萬物與我為一。」現在我們可以說，「天地人腦，萬物互聯。」所以我把牛頓放在圖的旁邊，從萬有引力當中聯想到了今天的萬物互聯，這是很重要的。
我們如何認知腦，有很多腦的奧秘我們並不知道。這裡給大家講一本書《腦中的幽靈》，這本書是講腦中有很多奧秘，比如有位耳聾的年輕人根本沒有學過鋼琴，聽了樂曲以後可以彈很好的鋼琴。左手彈一首曲，右手彈另一首曲，嘴巴可以唱著。一個年輕人可以準確的說出今天每時每刻的時間，精確到秒。這說明大腦的很多奧秘，我們目前一無所知，我們還知之甚少。
於是我就想，我們如何認知大腦？大家看一下這張畫，標題叫「天才的缺陷」。左手是位五歲的小女孩畫的馬，她有自閉症，很孤獨。中間是誰畫的？達芬奇畫的。右手是一個同齡的小女孩畫的。畫馬的這位天才小女孩五歲就夭折了，語言表達也不行，最後夭折了。我把徐悲鴻的畫也擺在這兒，大家看，徐悲鴻也不過如此呀。
這位五歲小孩的天才大腦是怎麼構造的？於是我就想提這麼一個問題，對腦科學家、對物理學家都提這樣一個問題。就是我們能不能構造一個系統，這個系統盜用了所有的天才特徵，然後來構造一個更加完美的大腦。
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