我用一把大廚房刀把心臟切成兩半。一切都顯露出來了——四個腔室被溼潤、粗糙的瓣膜隔開，這些瓣膜將血液吸入心房，然後擠出心室。十一歲時，我著迷地問母親，下次她是否可以給我帶一個大腦。當她從肉店帶回一個牛腦時，我欣喜若狂，把這個“瓜”劈成兩半。但在裡面我什麼也沒看到。只是在肉糊的核心處有一個空洞。
它是如何運作的呢？書籍提供了大腦隆起和褶皺的名稱，但未能詳細解釋這個至高無上的器官是如何運作的。我的父母，老師——似乎沒有人知道答案。
今天我們知道大腦的力量來自微型化的元件，它們是看不見的。但是，即使技術現在允許我們看到單個神經元，我們關於它們如何大規模運作的模型仍然不充分。我們喜歡將每個細胞視為連線到數十億其他細胞的微處理器。但是，我們能有多確定這個類比是準確的呢？我們是否像之前的科學家們被他們自己現在過時的想法束縛一樣，也被我們的類比緊緊束縛著？
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答案是肯定的。這些發現正在使神經科學家們確信，我們關於大腦如何運作的基本概念是幼稚的。然而具有諷刺意味的是，自其創始人100年前共同獲得諾貝爾獎以來一直存在分歧的兩種主流模型，都是相關的。事實上，透過將這些模型結合起來，並在最近的研究提出的謎題中新增第三個尚未解答的部分——腦細胞如何產生腦電波——我們最終不僅可以解釋人腦是如何運作的，還可以解釋是什麼使它在動物世界中獨一無二。
聯網或孤立
類比是有幫助的，因為它們使複雜的情況更容易理解。但是，這種簡化也鼓勵了僵化的思維。隨著20世紀的臨近，解剖學家使用當時最強大的儀器——新完善的顯微鏡——探測大腦。他們窺視到一個令人困惑的複雜性的隱形世界，一個由微小的、相互連線的纖維組成的密集纏結的團塊。解剖學家自然而然地認為，這些被稱為軸突的微小管道就像管道一樣，被連線到一個拜占庭式的網路中，使得感覺和指令可以自由地流向它們需要的任何地方。神經元只是互連網路中的一個節點。
然而，有一個人看著這個世界看到了不同的東西。偉大的西班牙解剖學家聖地亞哥·拉蒙-卡哈爾骨子裡是一位藝術家。小時候，他就素描他當醫生的父親解剖的屍體，後來他也成為了一名醫生。憑藉藝術家在曲線中看到運動的能力，拉蒙-卡哈爾開始在細胞和管道的纏結中看到邏輯。他的願景在接下來的50年中受到了激烈的爭論，並被稱為神經元學說。
拉蒙-卡哈爾觀察到，從一個神經元延伸出來的單根長軸突傾向於在一個神經元的樹突區域結束——樹突是附著在另一個神經元上的其他短管。然而，他堅持認為，這些管道並非在所有地方都相互連線。在一個精彩的推論中，拉蒙-卡哈爾得出結論，每個神經元都是一個孤島，而不是網路中的一個節點。此外，他推測資訊以一個方向流動：進入樹突，然後透過神經元細胞體，再從軸突流出。
此外，軸突並沒有與樹突連線。它們之間仍然隔著一個微小的間隙，即突觸。這個間隙充當一個開關，允許資訊傳遞到下一個神經元——或者不傳遞。分離的空間太小了，超出了最好的顯微鏡的解析度。科學家們直到20世紀50年代，當聚焦電子束取代顯微鏡中的光束時，才第一次模糊地瞥見突觸。
1906年，諾貝爾生理學或醫學獎共同授予了拉蒙-卡哈爾和他的競爭對手，義大利醫生卡米洛·高爾基。這種不尋常的配對引發了在模擬大腦如何運作方面的僵局，而這種僵局直到今天，在頒獎百年紀念之際才得以解決。像許多其他人一樣，高爾基抨擊神經元學說的有效性，並大力捍衛大腦的自由流動網路觀點。極具諷刺意味的是，拉蒙-卡哈爾使用了高爾基發明的一項巧妙的實驗室技術來為他的神經元學說提供證據。高爾基設計了一種用硝酸銀染色神經細胞的方法，使其特徵在背景組織中可見。由於至今仍不清楚的原因，高爾基方法只對樣品中的一部分神經元進行染色，但吸收染色的神經元卻以精美的細節展現出來。拉蒙-卡哈爾用筆和墨水繪製的高爾基染色神經元圖是他理論的基礎。高爾基陷入了尷尬的境地，他不得不辯稱，當他的傑出的諾貝爾獎獲獎程式顯示神經元是單個細胞時，它僅僅是在產生一種人為現象。
焊接在一起
支援拉蒙-卡哈爾神經元學說的教條主義者和支援高爾基方案的網狀論者（來自拉丁語“network”）之間的辯論持續了幾十年，因為每一種新工具都發現了為雙方論點提供證據的證據。例如，電生理學家使用電極和電子放大器研究從軸突到樹突的電訊號傳輸，詳細證明當脈衝到達軸突末端時，軸突會釋放出稱為神經遞質的化學物質。緊隨其後的是大約1/1,000秒的延遲，因為這些物質擴散穿過微小的突觸，並在鄰近的樹突中刺激電反應。然而，在某些情況下，記錄顯示電訊號從軸突掃到樹突，根本沒有延遲，就好像兩個神經細胞融合在一起一樣。沒有神經遞質參與，連線似乎是直接的和電的。
當電子顯微鏡最終在1955年揭示突觸時，科學家們再次面臨著雙方的證據。毫無疑問，神經元是獨立的實體，它們使用化學信使跨越間隙進行交流。但有些影像顯示單個神經元彼此相連，就像點焊一樣。研究人員很快確定，稱為間隙連線的蛋白質通道形成了這些焊接——就像連線兩條軟管的短接頭一樣。離子和有機分子自由透過，使得脈衝可以直接從一個神經元快速傳遞到下一個神經元。
跨越“化學”突觸的訊號傳輸——學習和記憶的基礎——可以透過神經遞質的釋放或攝取來調節，因此它們吸引了神經科學家的大部分注意力。相比之下，“電”突觸似乎是靜態的，它們在大腦功能中的作用遠沒有那麼有趣。電突觸似乎很特殊，只在需要非常快速的通訊或需要將一群神經元捆綁到一個群體時才相關。
然而，阿爾伯特·愛因斯坦醫學院的神經科學家邁克爾·V·L·貝內特和其他人最近的研究表明，這種簡單的觀點是錯誤的：透過間隙連線的傳導可以透過細胞膜電壓的變化以及控制連線通道大小的生化反應來調節。甚至在某些情況下，化學突觸和電突觸在同一個連線處共同形成。有一件事是肯定的：高爾基是對的。神經元可以聯網在一起。
潮流的轉變
無論訊號是沿著神經元鏈單向傳播，還是在網路中來回傳播，使用化學或電信使，更根本的問題仍然存在：訊號意味著什麼？旅行的脈衝如何轉化為視覺影像、感覺、思想？什麼是密碼？這兩種模型都沒有提供答案，但支持者們已經產生了令人驚訝的見解，這些見解削弱了每種理論的排他性。
在檢查神經元學說時取得的偉大發現之一是，神經衝動（稱為動作電位）以一個方向攜帶資訊，從細胞體到軸突末梢。我們品嚐的每一口食物，我們擁有的每一個想法，都由透過軸突發射的脈衝模式來描述。神經科學家渴望破譯這種程式碼，他們也做到了。他們發現，密碼本會根據先前刺激的歷史不斷變化。當我們白天在戶外時，相同的脈衝頻率可能表示非常明亮的光線，而當我們晚上在室內時，則表示相對昏暗的光線。這是因為脈衝程式碼關注的是報告狀態的變化，而不是奴隸般地轉錄我們的每一種感覺。這種現象解釋了為什麼當你在早上套上一件新的純棉T恤時，你會被柔軟面料的感覺淹沒，但很快之後你就不會意識到自己感覺到了布料。
動作電位編碼解釋了很多，但它只能到此為止。低等動物蚯蚓也使用相同的脈衝規則。一定還有更多。美國人西奧多·H·布洛克是20世紀神經科學的偉人之一，他比任何其他人都更充實了這個程式碼。這位電生理學家和比較神經解剖學家對資訊如何在從蝸牛到鯨魚的所有型別動物的神經系統中編碼感興趣。他帶著他的電極和顯微鏡，從亞馬遜雨林到各地的潮汐池旅行。1959年，布洛克在《科學》雜誌上發表了一篇論文，指出除了透過軸突發射的高速神經衝動外，許多其他電事件也在背景中發生，偏離了神經元學說。特別是，他觀察到神經細胞膜電壓的緩慢湧動和減弱。這些電位強烈地影響了軸突在爆發中發射多少脈衝，以及軸突完全發射的可能性。
此外，只需要一個尖銳的脈衝就可以遠距離傳輸資訊。緩慢的電壓波可以很容易地在小的、緊密間隔的神經元中向各個方向傳播，布洛克的電生理記錄證實，許多這樣的神經元根本不發射尖銳的、尖峰狀的脈衝。
這些小的、緊密堆積的“中間神經元”在大腦的內部迴路中處理資訊，而不是像運動神經元和感覺神經元那樣直接與身體或環境交流。中間神經元關注的是大腦的基本內部運作，而不是傳遞指令或感覺，神經元學說對於許多這些內部處理器來說並不適用。人腦中大約有1000億個中間神經元控制著學習和記憶中的資訊處理，並與癲癇和帕金森病等疾病有關。
洩漏和迴流
隨著布洛克進一步定義中間神經元的工作原理，其他研究人員揭示了神經元學說的更多缺點。德克薩斯大學奧斯汀分校的神經科學家丹尼爾·約翰斯頓將微電極插入大鼠海馬體的樹突內部，發現了兩個會讓拉蒙-卡哈爾感到驚訝的事件。在某些情況下，動作電位不僅沿著軸突向下傳播，而且還“向後”傳播到細胞體和樹突中。此外，樹突不僅僅是被動地收集傳入訊號；在某些情況下，它們也會發射自己的脈衝。我們現在知道，樹突處理很可能是學習和記憶機制的一部分。樹突不僅僅是被動的導體；它們整合和傳輸資訊。
最近的一個驚喜是，樹突還可以釋放激素和肽，這些激素和肽會影響神經元膜上的緩慢電壓變化，從而影響神經元是發射單個脈衝還是脈衝串。布蘭迪斯大學的伊芙·馬德爾發現，當將這些神經調節劑應用於軸突、神經元細胞體或樹突時，它們會起作用，從而擾亂拉蒙-卡哈爾所感知的有序的單向資訊流。神經調節劑甚至可以導致神經元以有節奏的爆發模式發射；這種發射迫使神經元集合同步工作，就像音樂家按節奏演奏一樣。
即使是突觸也被證明比最初懷疑的更難理解。突觸不僅僅在軸突和周圍的樹突之間形成。精細的電子顯微鏡顯示，突觸經常出現在神經元的細胞體上，在其樹突上，以及從軸突到軸突和樹突到樹突。神經元似乎確實可以以多向網路連線，這與高爾基和網狀論者的想象非常相似。
更重要的是，俄勒岡健康與科學大學沃勒姆研究所的分子神經生物學家克雷格·賈爾最近證明，使用神經遞質的快速傳輸可以在沒有任何突觸需求的情況下發生。起初，賈爾推測神經遞質是從附近的突觸滲出的，但他的測量表明，神經元透過它們的細胞膜釋放神經遞質，遠離突觸。2005年，加利福尼亞州拉霍亞市索爾克生物研究所的計算神經科學家特倫斯·J·塞伊諾夫斯基和加利福尼亞大學聖地亞哥分校的電子顯微鏡學家馬克·H·埃利斯曼得出結論，這種突觸外神經遞質的“異位”釋放是一種重要且被忽視的交流方式。如果一個神經元從其膜的任何位置釋放單個神經遞質包，如果相鄰的神經元在該區域有神經遞質受體，則可以檢測到它。如今最好的電子顯微鏡顯示，神經元的細胞體中存在數千個這樣的包。突然之間，大腦處理資訊的模型變得複雜得多。
神經膠質細胞因素
神經科學家可能更願意接受這種異端邪說，因為在20世紀90年代初，超越神經元學說的思維發生了驚人的擴充套件：人腦中的大多數細胞都不是神經元。在神經元之間填充著近10倍數量的細胞，稱為神經膠質細胞，並且神經膠質細胞與神經元的比例在進化樹上“更高階”的動物中增加。“神經元學說”這個標籤本身就暗示著高爾基和拉蒙-卡哈爾都沒有想到這些細胞具有任何資訊處理功能。在20世紀的大部分時間裡，科學家們認為神經膠質細胞只為神經元提供物理和營養支援。但過去十年的更仔細的檢查表明，神經膠質細胞一直在竊聽神經元之間的對話。同樣令人驚訝的是，神經膠質細胞可以使用化學訊號（並且不涉及突觸）在彼此之間進行交流的發現。
此外，當神經膠質細胞竊聽時，它們可以控制神經元之間的資訊流動。它們透過釋放或吸收神經遞質或透過控制神經元周圍的離子濃度來執行此功能。神經膠質細胞還可以建立和打破單個神經元之間的連線。
神經膠質細胞的習慣以兩種方式違反了神經元學說。首先，資訊流經大腦中不是神經元的細胞。其次，與神經元不同，神經元透過類似於電話線的連結系列進行通訊，神經膠質細胞透過廣播訊號進行通訊，就像手機一樣。神經膠質細胞做出無定形的連線，這些連線流過神經元之間的硬連線連線。透過這種方式，神經膠質細胞可以將神經元耦合在一起形成功能組。它們的通訊速度比神經元慢得多，但這種速度可能足以滿足許多不需要閃電般快速訊息的認知過程，例如調節情緒和行為的機制。
對於神經元學說，我們現在必須新增神經膠質細胞學說：神經膠質細胞是資訊處理中平等的夥伴。神經膠質細胞不僅在突觸處介入，而且還沿著軸突介入，感知流經軸突的脈衝。當軸突發射動作電位爆發時，它們會釋放三磷酸腺苷（ATP）分子，這些分子被所有四種類型的神經膠質細胞上的受體檢測到。該資訊開啟和關閉神經膠質細胞中的基因，影響它們如何在軸突周圍形成絕緣層，這反過來影響軸突傳導脈衝的速度。所有這些通訊都在沒有突觸的情況下進行——這是大腦中完全不同的資訊流通道。
超越學說
神經科學已經遠遠超出了神經元學說的限制。那麼，這條新路線將走向何方？2005年，在布洛克發表《科學》雜誌論文，在這篇論文中，他率先在神經元學說上打開了一個缺口46年後，布洛克在同一雜誌的另一篇文章中提出了一個有趣的問題：為什麼人腦的能力如此優於所有其他動物？動物大腦中的神經元並沒有那麼不同；即使是蒼蠅也利用相同的神經遞質。仔細的解剖學研究也不支援更大的大腦或更多的神經元是答案的觀點。布洛克（於2005年12月去世，享年90歲）認為，答案在於某種允許神經元作為網路運作的特性。高爾基會感到自豪的。
布洛克已經開始探索從螃蟹到海豚等多種動物的腦電波。他確定，人類的腦電波模式與簡單動物的腦電波模式明顯不同。腦電波來自數千個協同工作的神經元的集體活動，很像棒球場人群的喧囂聲。當布洛克檢查腦電波的功率譜時，他看到進化階梯上較早出現的動物的腦電波往往具有更多的高頻成分，而哺乳動物的腦電波則向較低頻率偏移。
布洛克和其他人的工作還表明，不同神經元群體的電活動通常是耦合的，即使這些神經元沒有物理連線。就好像體育場不同部分的人們在進行單一的、連貫的對話。這種腦電波活動的一致性在擁有更強大大腦的動物中增加。布洛克提出，也許人類思維無與倫比的能力並非源於我們神經元或大腦回路的獨特屬性，而是源於其數十億神經元協同運作的湧現屬性。
但是，不同神經元中的活動是如何協調的呢？部分答案可能在於我們都從收聽廣播中熟悉的一種現象。有時，來自一個廣播電臺的頻率會蔓延到另一個廣播電臺的頻率。同樣，透過附近軸突傳輸的電訊號有時會被相鄰軸突接收為微弱訊號。這種不守規矩的行為稱為超突觸傳遞，可能僅僅是電的不可避免的特徵。大腦可能會利用它來協調腦電波。來自侵入電訊號的電壓增加了神經元同時發射的可能性。
阿爾伯塔大學埃德蒙頓分校的約翰·J·格里爾和他的同事在今年二月份報告說，當他們將胎鼠浸泡在一種阻止所有突觸傳遞的溶液中時，其脊髓和發育中的大腦中的神經迴路繼續有節奏地、協調一致地放電。不知何故，在沒有任何神經遞質運動的情況下，神經元找到了一種協調一致地放電的方法。在過去的20年中，猶他大學的F·愛德華·杜德克使用類似的方法發現，電耦合使腦癲癇發作期間的脈衝放電同步，並且超突觸傳遞耦合了海馬體（大腦中對記憶至關重要的部分）中神經元的放電。超突觸傳遞、間隙連線、神經調節劑和神經膠質細胞都是使神經元協同工作的方法。這種合作增加了大腦中的連貫活動，所有這些過程都在神經元學說之外運作。
因此，高爾基和拉蒙-卡哈爾都是正確的，但他們和他們的追隨者都沒有成功地解釋我們頭腦中的整個宇宙。此外，教條主義者和網狀論者之間長達一個世紀的辯論的重點不是為獲勝者加冕，而是磨礪我們的思維，並激發新的實驗來探索自然界最偉大的奧秘之一：人腦是如何運作的。
未來的問題是：大腦中的腦電波是如何如此協調一致的？對於許多神經科學家來說，答案就在眼前，就在神經元作為單個功能單元運作的概念之外。也許我們目前的儀器不足以提供必要的資料。或者，也許，回想起拉蒙-卡哈爾，答案已經在這裡等待有人去發現它。