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《唤醒大脑:神经可塑性如何帮助大脑自我疗愈》嘈杂的大脑和大脑节律紊乱

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第二个适用于许多不同大脑问题的是“嘈杂的大脑”,即启动放电节奏出了麻烦。我最初是在保罗·巴赫-利塔(Paul Bach-y-Rita)的实验室里接触到嘈杂大脑这一设想的。保罗当时正跟谢丽尔·切尔茨(Cheryl Schiltz)合作(见第7章)。切尔茨的平衡系统因为药物受了伤,无法判断自己在空间中所处的位置。她说,她的思维感到很“嘈杂”。科学家们认为,她的主观“噪声”感映射了她神经回路里发生的事情:她的神经元无法在平衡系统里产生最够有力、尖锐的信号以对抗大脑其他所有神经信号点火启动时制造的背景噪声。噪声是一个来自工程学的术语,用来描述因为正常信号跟背景噪声相比太弱,系统无法识别正常信号的情况。“嘈杂”的大脑由此而来。

我会这么说。不管因何种原因(毒素、中风、感染、放射治疗、头部冲击、退行性病变)导致的脑损伤,都有部分神经元死亡,不再发出信号。另一些则受到损坏,但关键在于,它们不一定“无声堕落”。活着的大脑组织,天然地可兴奋。即便一条大脑回路“关”掉了,它仍可启动一些电信号,尽管比它处在激活和“开”状态时,速度不同(多为更缓慢)。在这种看法中,大脑就像心脏。在休息时,它并不会停止跳动;相反,它切入到休息速度。如果心脏的电系统受损,它会失去控制启动速率的能力,并散发出各种异常信号:它天然的起搏器可能会运行过慢,或者以危险的高速度奔跑,要不就是心跳混乱不规律(即“心律失常”)。

在大脑中,这些不规则的信号会影响接入的网络,同时“扰乱”其功能,除非大脑关闭受损的神经元。我们现在知道,许多大脑问题中,神经元会以错误或不寻常的速度启动放电。癫痫、阿尔茨海默病、帕金森综合征、许多睡眠问题和大脑损伤,都出现这种情况:因为太多信号不同步,它们制造了一个嘈杂的大脑。[1]老化的大脑、患有学习障碍的儿童的大脑,以及神经元无法释放锐利清晰信号所造成的各种感官问题,也都可见类似的情况。

如果生病的神经元使接收其不规则信号的健康神经元失去了效力,健康的神经元便有可能进入休眠状态。陶布的小组最近用大脑扫描进行了一项重要的研究,如果中风杀死了所谓“梗塞”区域的神经元,那么其他仍然活着、并没有死掉的神经元,也会表现出萎缩或废弃的迹象。这种萎缩程度,与患者的障碍及其日后在限制-诱导疗法中的进展有关系。[陶布认为,由于这些区域无法从患病的神经元获得足够的信号,根据用进废退原理,或者由于当事人大脑状况原本就不健康(所以才导致了中风,又或者两者互为促动),废弃神经元的情况最有可能出现。]因此,我相信这时候,患者尝试执行需要该回路参与的活动,相关的神经元会失败,并发展出习得性废用。更糟的是,神经元不仅无法完成从前具备的技能,还难于学习新技能,因为嘈杂的大脑无法进行微妙的区分或分化。

综上所述,尽管这类患者无法执行某些任务,但其实只有部分原来执行这些任务的神经元是真正死掉了;其他的神经元还活着,但受了损伤,启动放电不规则,释放嘈杂信号;还有的神经元只是因为接受了糟糕的信号而转入休眠状态。我在后面章节里介绍的方法,往往能改善生病的、释放噪声的神经元,用精力和神经可塑性方法重振存活的神经元,让它们协同启动,唤醒处在休眠状态的能力。

第三个实现神经可塑性痊愈的重要因素是神经元与其他细胞相比的独特性。神经元多在大型群体里工作,在贯穿整个大脑的散布式网络里进行电沟通。神经学家苏珊·格林菲尔德(Susan Greenfield)、杰拉尔德·埃德尔曼(Gerald Edelman)等人强调,这些网络不断将自我重构,进入新的“神经元集群”。对有意识活动来说尤其如此。有意识的精神活动没有彼此完全相同的,故此,每一种精神活动涉及的神经元沟通组合都略有不同。因此,在一天当中,人的大脑始终在构建、拆解、重构新的神经元网络,作为基本运作程序的元件。从这个角度来看,有机的活体大脑与工程机器背道而驰,后者有着硬连线的回路,只执行最初设计规定的数量有限的动作。一般而言,机器每一次都以相同的方式执行同一动作。

然而,一个神经元或一组神经元将在不同时间用于不同的目的,这是神经元网络灵活的标志。1923年,神经学家卡尔·拉什利(Karl Lashley)将猴子的运动皮层暴露在外,用电极刺激某一特定点。他观察猴子其后的动作,之后把猴子缝合好。过了一段时间,他重复了实验,刺激猴子的同一部位,发现所得运动经常变化。哈佛大学该时期杰出的心理学史学家埃德温G.波林(Edwin G.Boring)说:“今天的映射,到明天就失效了。”

拉什利的工作也引出了如下希望:如果一套神经元网络受损,或许会形成另一套网络来取代它。

科学家们曾以为,记忆或者技能,是在大脑里孤立的狭小位置处理的。但是拉什利指出,很多时候,情况并非如此。他最著名的实验是教动物(比如大鼠),执行复杂的活动以换取奖励。接着,他破坏据信是处理该技能的大脑皮层部位组织。出人意料的是,动物仍然可以执行该活动,尽管它可能需要更长的时间,或是精确性降低。结果何以如此,科学界还没有定论,但根据拉什利的研究,科学家们发现,许多技能都涉及分布更广泛的神经网络。它也表明,这些网络存在大量冗余,因为动物去除了一些部位,却仍能执行原来的任务。[2]

普通民众有必要记住以下令人震惊的观点。众所周知,精神活动与神经元活动相关,在学习发生期间,神经元之间形成新连接。但神经学家有时用缩略语说,“我们的思想就在我们的神经元里。”他们其实过度夸张了得到科学证明的事情。思想发生时,神经元放电启动,彼此形成连接,这其实是在描述同时发生的两件事。但神经学家其实并不知道思想是在神经元的什么地方编码的。他们也不知道,思想是存在于单个神经元里(可能性极低),还是在神经元之间的连接里,还是分布在整个大脑。有关思维的这个谜,尚未解开。[3]

拉什利似乎是第一个提出如下有趣不同意见的神经学家:学习和技能并不在特定的神经元甚至神经元连接里编码,而是在所有同时启动的神经元放电带来的渐增电波模式里编码的。[神经外科和神经学家卡尔·普里布拉姆(Karl Pribram)接受了这个重要假设,提出了大脑怎样编码体验的天才理论。]

让我们想象一下,大脑功能(如思想、记忆、感知和技能)不是在单个神经元而是在神经元不同联合产生的模式里编码的。(用个比喻来说,模式就像是乐曲,而神经元则是演奏乐曲的管弦乐师。)单个神经元的损失,不管是神经元死了还是病了,都不一定会导致精神功能的丧失,只要大脑保存了足够的神经元,能够生成模式即可。(这里继续用音乐来比喻:乐队有一个人生病了,只要接替他的人拿到乐谱,演出就能照常进行。)

我们认为是人类本质的大部分东西,并不在单个的神经元里,神经元彼此之间是颇为相似的。“我们是谁”的具体规格,大多与我们的编码体验相关,而后者承载在大脑生成的能量模式当中。体验的编码模式,往往能挺过大脑的结构性损坏。[4]

[1] 许多神经学家,其中包括鲁道夫·利纳斯(Rodolfo Llinas)、巴里·斯特曼(Barry Sterman)和保罗E.拉普(Paul E.Rapp,创伤性脑损伤专家)都证明各种神经和精神疾病中存在大脑节律紊乱。神经反馈支持“生病”的神经元发送不当信号的设想(见附录C)。特殊的脑电图显示,脑损伤患者往往会有一些启动不恰当“慢波”活动的大脑区域。患者借助神经反馈接受训练,让缓慢的脑波以更正常的速度启动,其大脑损伤症状大多也可缓解。

[2] 把拉什利最精华的发现于大脑位置研究整合起来是有可能的,我在《重塑大脑,重塑人生》就做过这样的尝试,尤其是第11章。寻找某一精神活动在大脑中的具体位置(或“区域化”)有其意义,但部分“区域化”形式还不够“成熟”,太过僵化,更成熟的形式则需要考虑到大脑的可塑性。大脑倾向于在某些区域处理某些精神活动,并不意味着它一定是一直这么做。不成熟的“区域化”不承认这一事实。读者想必可以理解,我经常说,某些大脑区域“参与”处理特定的精神功能。我说“参与”的意思是,这些区域参与相关的精神功能,甚至也是为这些功能所必需,但整个回路往往比命名区域更宽广,涉及了许多其他的大脑区域,很多功能都需要大脑更全方位的运用。说“海马体参与处理短期记忆”,比说“短期记忆在海马体中处理”更准确。《重塑大脑,重塑人生》举了无数的例子,尝试说明当大脑的大块部位受损或缺失,其他的大脑区域便接管其精神功能。陶布的研究小组指出,中风病变发生的位置、它的大小与患者在限制-诱导治疗中的表现如何,几乎没有关系。但放射冠(corona radiata)这个位置的中风是例外。见See L.V.Gauthier et al.,“Improvement After Constraint-Induced Movement Therapy Is Independent of Infarct Location in Chronic Stroke Patients,”Stroke 40,no. 7(2009):2468-72;V.W.Mark et al.,“MRI Infarction Load and CI Therapy Outcomes for Chronic Post-Stroke Hemiparesis,”Restorative Neurology and Neuroscience 26(2008):13-33。

[3] 神经学家对精神活动位于大脑什么“地方”的知识做了怎样的夸张,怎样混淆了精神和物质的大脑,可参考神经学家雷蒙德·塔利斯(Raymond Tallis)极为发人深省的作品:Aping Mankind :Neuromania,Darwinitis and the Misrepresentation of Humanity(Durham,UK:Acumen,2011)。

[4] 生物学思想家路德维希·冯·贝塔朗菲(Ludwig von Bertalanffy)提醒我们,结构和功能的清晰分离,其实最适合机器,因为机器才能开能关,由无生命物质构成。在生物体中,最好从过程的角度来思考。“结构和功能的对立……是基于一种静态的生物体概念。一台机器上有固定的装置,可以设置为运动状态,也可以保持静止。采用类似的思考方式,心脏的预设结构是跟它的功能,即律动收缩有区别的。但实际上,把预设结构和这一结构里进行的过程分割开来,并不适用于生物体。……(在生物中)所谓的结构是长期持续的缓慢过程,而功能则是短期持续的快速过程。”见Ludwig von Bertalanffy,Problems of Life:An Evaluation of Modern Biological Thought(London:Watts&Co.,1952),p. 134。为理解神经可塑性怎样促进全员,我们可以把精神行为,如思考,视为短期持续的过程,但它对长期持续的过程,即大脑的结构也有影响。思想本身无法让死掉的组织复活,但可以刺激残存的健康组织,令其重组,接替受损组织丧失的功能。