想想你記得曾經見過的數百人。再加上那些你僅僅從電影、電視和照片中熟悉面孔的人——例如名人、政治家和其他知名人物。是否有可能，這些每個人，連同你從早期的相遇中可以輕鬆識別的成千上萬的其他物體，都可以透過其自身的個人腦細胞捕捉在你的記憶中？
也許。最近，加州理工學院和加州大學洛杉磯分校的科學家在《自然》雜誌上發表的一項研究表明，我們的大腦使用比以前認為的更少的細胞來解釋任何給定的影像。例如，研究人員發現了一種“比爾·克林頓細胞”，它幾乎只對這位前總統做出反應。另一個神經元只在演員哈莉·貝瑞出現時才會放電。
大腦究竟如何識別影像一直是一個爭論的問題。存在兩種截然不同的理論。其中一種理論認為，數百萬個神經元協同工作以建立連貫的影像。另一種理論的極端版本認為，大腦為每個單獨的物體和人包含一個單獨的神經元。1967年，波蘭神經生理學家耶日·科諾爾斯基描述了他的“認知神經元”理論——源自希臘語gnosis，意為“識別”。根據這一理論，一個或幾個神經細胞的活動決定了某人是否想到他的老闆、妻子或祖母。當時的麻省理工學院神經科學家傑羅姆·萊特文因此將這些神經元稱為“祖母細胞”，這個名字就此流傳開來。
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許多研究人員立即批評了這一理論：這種一對一的對應關係難道不會佔用太多空間嗎？二十年後，觀點仍然大致相同。“很難認真對待祖母細胞理論，”神經生物學家和諾貝爾獎獲得者大衛·休伯爾在1980年代評論道。
那時，甚至還不清楚如何著手探索意識的神經元基礎的整個問題。當時，神經生理學家使用電極，設法追蹤了猴子和貓大腦中單個神經元的活動。但是動物受試者無法與我們討論他們的想法，這使得關於意識和感知的實驗變得非常困難。由於將電極插入大腦的明顯風險，尚未對人類進行類似的測試。
意外的志願者
然而，近年來，意外地出現了一組人類志願者：患有無法用藥物治療的癲癇症的患者。在1990年代初期，一些患者計劃接受腦部手術，以切除大腦中負責癲癇發作的區域。有時，諸如腦電圖和磁共振成像之類的技術無法足夠精確地定位該區域。在這種情況下，神經外科醫生可能會在大腦中植入多達10個細電極。這些精細的感測器日夜連續監測神經元活動，直到可以足夠精確地定位癲癇發作區，然後由神經外科醫生將其切除。
研究人員意識到，這種手術程式提供了一個獨特的機會來研究單個細胞的活動。這一事實促使加州大學洛杉磯分校的神經外科醫生伊扎克·弗裡德（Itzhak Fried），作為當前研究的主要研究者之一，早在1992年就設計了一項研究，然後邀請其他無法治療的癲癇患者參與這項基礎神經研究。祖母細胞研究由英國萊斯特大學的生物工程師羅德里戈·基安·奎羅加（Rodrigo Quian Quiroga）擔任首席實驗員進行，非常簡單。測試物件躺在床上觀看照片，照片以一秒的間隔在計算機螢幕上閃爍。與此同時，奎羅加監測來自“連線的”神經元的電訊號。
使用這種方法發現的首批認知神經元之一是比爾·克林頓細胞，它位於一位女性患者杏仁核深處——杏仁核是大腦中參與情緒的杏仁狀區域。該神經元對克林頓的三張不同照片做出反應：一張素描、一張油畫和一張與其他政治家的合影。當患者觀看從喬治·華盛頓到喬治·H·W·布什的其他美國總統的照片時，該細胞保持沉默。
此後不久，弗裡德的團隊在內側顳葉的其他患者中發現了類似的具有選擇性的神經細胞，這些細胞對披頭士樂隊、電視卡通片《辛普森一家》以及一個僅在看到詹妮弗·安妮斯頓時才會被啟用的神經元做出反應。在另一位測試物件中，右側海馬體中的一個神經細胞在哈莉·貝瑞出現在螢幕上時立即放電——即使她穿著貓女服裝並且臉被遮住。顯然，該細胞對她作為人的概念做出反應，而不僅僅是對她面部的看法：“哈莉·貝瑞”的字幕足以啟用該神經元。
奎羅加和他的同事們對此著迷。他們推測，這些特殊的神經細胞對於識別過程至關重要。它們的位置在海馬體、內嗅皮層、海馬旁回和杏仁核中——所有這些結構都位於已知與長期記憶有關的內側顳葉中。但是，我們如何想象一個能夠代表像比爾·克林頓的身份這樣複雜的事物的單個神經元呢？
加州理工學院的計算神經科學家克里斯托夫·科赫（Christof Koch）認為，從資訊理論的角度來看，這個問題不難回答。科赫也參與了這項研究，並且自1998年以來一直與弗裡德的團隊合作。在他的著作《意識的探索》（羅伯茨公司出版社，2004年）中，科赫用一個類比來說明了這個前提。當我們開啟電視時，螢幕上會呈現給我們一個明確的——即直接的——分佈在顯示器上的彩色畫素圖案。然而，在這種圖案中隱含地隱藏著特定的資訊，例如關於比爾·克林頓面部的資料。
讓我們假設一個機器人的任務是確定前總統的影像當前是否在螢幕上。它的電子大腦必須消耗巨大的計算資源才能從畫素陣列中提取隱藏的資訊。計算涉及多次迭代，每次迭代都會對類似克林頓的資訊進行某種程度的篩選，並且每次迭代都涉及透過越來越小的篩選資料集進行越來越複雜的克林頓搜尋。雖然初始資料量隨著每個計算步驟而縮小，但“處理的邏輯深度”卻穩步增加。最後，只剩下一小部分資訊——一位位元——明確地指示克林頓是否在場：1（比爾）或0（不是比爾）。
根據科赫和他已故的同事兼朋友、諾貝爾獎獲得者弗朗西斯·克里克（Francis Crick）提出的意識理論，我們的大腦以類似的方式運作。從它在視網膜上的最初印象到實際意識，克林頓的面孔會引發神經元活動的風暴。但是，雖然在較低的處理級別上涉及許多神經元組，但在隨後的步驟中，這種活動僅限於越來越少的神經細胞。
“我並不是聲稱單個細胞代表了比爾·克林頓的全部神經元相關物，”科赫強調說。“單個神經元的放電訊號太弱了。” 然而，他認為，一小群神經元的協同活動很可能足以將克林頓彈射到意識中。因為這些細胞僅編碼克林頓的抽象概念，所以頭部相對於圖片的傾斜度或克林頓是否戴著滑雪帽對細胞的行為沒有任何影響。如果我們摧毀所有這些細胞呢？那麼，“看，那是比爾·克林頓”的感知就會變成“看，那個人看起來很眼熟，但我不太確定他是誰。”
藉助植入的電極，奎羅加已經能夠同時監測多達40個神經元——這個數字是1980年代的研究人員甚至不敢夢想的。然而，問題仍然存在，即從構成顳葉的數百萬個神經元中找到特定的“詹妮弗·安妮斯頓細胞”的可能性是否無限小。科赫同意：“但是，我們推測存在許多專門用於熟悉的人或物體的細胞：我們的祖母、狗、我的筆記型電腦等等”——關於什麼是熟悉的知識可以幫助指導正在尋找單個細胞的科學家。因此，研究人員在測試之前詢問了每個測試物件他或她的興趣。僅在那時，他們才選擇了大約100張影像向該患者展示。
科赫和他的同事們提出的稀疏編碼與關於人和事物如何在意識中被表示的傳統概念根本不同。根據分散式表示理論，對於任何給定的人或物體，大腦中都會有大量且廣泛分散的神經元組放電。每個單獨的細胞僅貢獻總資料的一小部分——這就是為什麼如果丟失其中一些資訊並不太重要。
此外，細胞組並非專門用於識別一張特定的面孔，而是參與識別大量的人。強大的神經元放電的特定模式是訊號，表明正在識別誰。研究人員毫不懷疑，對於某些任務而言，大腦中的分散式表示是現實。科赫解釋說，這種型別的處理是大腦如何識別新面孔的方式。
科赫與克里克一起，提出了關於有意識地感知到的現象的神經元相關性的理論。例如，在處理視覺資訊時，可能彼此廣泛分離的神經元組會聯合起來，因為它們會同步放電。各種神經元聯盟代表對特定事物或事件的替代解釋。哪種解釋占主導地位取決於我們的大腦最關注影像的哪些特徵。
科赫推測，祖母細胞的功能不同。“由於高度專業化的細胞，我們可以立即在養老院的其他老年婦女的人群中認出自己的祖母，而無需三思而後行。”