本文發表於《大眾科學》的前部落格網路，反映了作者的觀點，不一定代表《大眾科學》的觀點
我之前的帖子暗示，考慮到科學家對大腦中的生理過程如何產生感知、記憶、情感、決策和思維的其他組成部分知之甚少，歐洲和美國的兩項大型、雄心勃勃的腦圖繪製計劃可能為時過早。《人類基因組計劃》是在研究人員破譯了遺傳密碼後才開始的，但神經科學家離破解“神經程式碼”（大腦的作業系統）還很遠。一位聰明的評論員指出，《大眾科學》最近發表了一篇關於神經編碼的文章，題為“單個腦細胞儲存單個概念”，作者是羅德里戈·奎羅加、伊扎克·弗裡德和克里斯托夫·科赫。我對奎羅加等人的研究很熟悉，並且很著迷。事實上，我在2005年為《發現》雜誌撰寫了一篇關於他們工作的文章，我將在下面重新刊登。這項研究提出的關於大腦如何產生思維的問題多於答案。但是，當我重讀我的文章時，我想知道我是否也像我指責的一些神經科學家那樣進行了炒作。
在加州大學洛杉磯分校大衛·格芬醫學院的神經外科病房裡，丹尼，一個身材矮壯的21歲大學生，穿著藍色睡衣，留著稀疏的山羊鬍子，坐在床上看著筆記型電腦螢幕上閃過的一張又一張照片。幾位男子氣概十足的電影明星快速連續出現，包括阿諾·施瓦辛格、史蒂文·西格爾、西爾維斯特·史泰龍和T先生，這位莫霍克髮型的鬥士在拳擊電影《洛奇3》中扮演史泰龍的對手。
乍一看，人們可能會猜測丹尼是自願參加好萊塢調查：誰是你最喜歡的動作英雄？但是，從他頭上纏繞的白色頭巾中伸出的黑色電纜暗示了他在調查一個深刻的科學問題中的角色：思想是如何在人腦中形成的？
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丹尼患有癲癇，他暫時將電極植入大腦以監測癲癇發作；理想情況下，電極將查明引發他癲癇發作的神經缺陷，以便可以透過手術切除。在電極留在丹尼大腦中的一週左右的時間裡，他自願參加旨在瞭解認知基礎的實驗。這種研究非常罕見；由於明顯的倫理原因，神經科學家很少有機會從活人腦深處收集資料。
這項特殊的實驗觸及了神經科學中最具挑戰性的難題之一：腦細胞如何識別像烤麵包機、數字九、斑馬、比爾·克林頓或電影角色洛奇這樣複雜的專案？單個細胞是否像計算機中的電晶體或電視螢幕上的畫素一樣，僅貢獻微小的資訊片段，只有當與其他成千上萬或數百萬個其他細胞的輸出組合時，才能形成意味著洛奇的複雜模式？或者單個神經元能否學會識別那張臉？
大多數神經科學家堅持神經元的畫素觀點，認為單個細胞不可能聰明到足以理解像洛奇這樣微妙的概念；畢竟，世界上最快的超級計算機也很難執行這種模式識別壯舉。但是，伊扎克·弗裡德，這位將電極植入丹尼大腦並領導加州大學洛杉磯分校研究專案的神經外科醫生，認為他在像丹尼這樣的受試者的大腦中找到了“思考細胞”。如果他是對的，神經科學家可能不得不徹底修改他們對人腦工作方式的看法。
一個真正的思考細胞應該能夠識別一個人或虛構人物，即使在許多不同的偽裝下也能識別出來。丹尼是好萊塢動作英雄的忠實粉絲，尤其是洛奇；他擁有該系列所有四部電影的DVD，並且百看不厭。因此，在筆記型電腦螢幕上閃爍的影像中，研究團隊 включены 了顯示洛奇在費城街頭奔跑、渴望地看著他的女朋友艾德里安或在擊敗他的俄羅斯對手後披著美國國旗的鏡頭。為了測試細胞的識別是否跨越感官模式，洛奇或某個其他名字有時會在筆記型電腦螢幕上拼寫出來，或由一個怪異的合成聲音說出來。
當丹尼盯著筆記型電腦時，訊號從100多個超薄電極中流出，每個電極都足夠靈敏，可以檢測到單個細胞的低語——並進入從他頭部伸出的電纜中。電纜將訊號傳送到房間另一端的裝滿放大器的櫃子裡。櫃子頂部的計算機將丹尼細胞的讀數顯示為一系列在螢幕上展開的彩色線條。時不時地，一條線會向上猛地一跳，就像丹尼的某個細胞對影像或名字做出反應一樣。負責本次研究的阿根廷神經科學家羅德里戈·奎安·奎羅加指著一個特別活躍的彎曲線條，低語道：“那是洛奇。”
現代大腦研究的絕大多數涉及磁共振成像、正電子發射斷層掃描和腦電圖等技術。所有這些技術都是從顱骨外部測量神經活動。用外部掃描器弄清楚大腦如何工作就像用衛星研究雲霧籠罩的星球上的生命。相比之下，植入電極就像落到行星表面的探測器。對猴子和其他大腦與我們相似的動物進行的電極研究已經產生了有價值的見解，但這些生物無法描述它們的主觀感覺。
少數其他醫院正在進行電極研究，這些研究是利用癲癇、帕金森病和其他神經系統疾病患者的臨床治療進行的。但加州理工學院的神經科學家克里斯托夫·科赫說，沒有哪個研究專案在經驗、複雜程度或已發表的成果方面能與加州大學洛杉磯分校的專案相媲美，科赫自1998年以來一直與加州大學洛杉磯分校的研究小組合作。“沒有任何一種技術能夠給你所有關於認知謎題的答案，”科赫說。“但這是一種非常非常好的技術，而且我們正在做得更好。”
弗裡德，這個專案的幹勁十足但和藹可親的總指揮，在1992年離開耶魯大學後創立了這個專案。從那時起，他100多名因診斷目的而將電極植入大腦的癲癇患者自願成為基礎研究的受試者。從一開始，弗裡德就保護他的患者及其隱私；這是他第一次允許記者觀看他和他的團隊工作。
弗裡德在以色列出生和長大，他每年有幾個月在特拉維夫的一家醫院以及加州大學洛杉磯分校工作。他週日從以色列飛往洛杉磯，並在週一進行了三個小時的手術，在丹尼的頭骨上鑽了十個孔，並將電極插入他的大腦。第二天，弗裡德穿著白色實驗服，外面套著水藍色手術服，大步走進擠滿了研究人員的會議室，他們聚集在一起討論丹尼的計劃。團隊成員包括兩名從賓夕法尼亞大學飛來的本科生、幾名來自加州大學洛杉磯分校和加州理工學院的研究生、幾名博士後和兩名醫生。
弗裡德迅速提供了患者的背景資訊：他說，丹尼是一個聰明、友好的年輕人，他期待與研究團隊合作，以此來“打破住院的沉悶”。“好了，讓我們開始討論實際問題，”他用他獨特的以色列口音繼續說道。他語速很快地詢問研究人員他們的“範例”的進展情況。他更喜歡用“範例”這個詞來代替“實驗”，因為“實驗”可能會讓人覺得電極植入丹尼的大腦主要是為了研究而不是診斷目的。
討論不斷回到資料儲存和分析的問題。幾位研究人員要求升級用於儲存資料的裝置——微電極實驗產生了TB級的資料——弗裡德說他會看看他能做些什麼。研究人員還收到了關於如何應對一個主要技術挑戰的詳細說明：患者大腦中的電極經常同時檢測到來自兩個或多個附近神經元的脈衝，這可能會在計算機中顯示為一個大的訊號。奎羅加編寫了一個程式，可以對重疊的脈衝進行數學分解。這個過程稱為聚類切割，原則上可以從資料中提取更多資訊。但是奎羅加的一些同事仍在努力熟悉該團隊稱為“羅德里戈程式碼”的精細之處。
研究人員準備了足夠多的研究，以防止丹尼感到無聊。其中一項研究要求他觀看計算機生成的名人照片相互變形：T先生變成威爾·史密斯，史泰龍變成阿諾。目的是：看看為一個史泰龍亮起的細胞是否隨著照片逐漸變形為阿諾而放慢速度，或者只是突然沉默。換句話說，面部識別細胞是像簡單的開-關開關，還是可以像調光器一樣工作？
另一個範例，稱為X-Cab，旨在深入瞭解我們如何導航。十多年前，對大鼠和猴子進行的微電極研究揭示了當動物移動到迷宮中的特定地點時會亮起的地點細胞。先前版本的X-Cab（涉及駕駛虛擬出租車穿梭於網路城市）已經證實，人類也有地點細胞，以及對特定地標做出反應的檢視細胞，以及對駕駛員的最終目的地做出反應的目標細胞。
加州大學洛杉磯分校的博士後阿恩·埃克斯特羅姆和研究生英德拉·維斯科塔斯已經為丹尼測試駕駛新版本的X-Cab程式做了準備，該程式允許駕駛員接送乘客。弗裡德詢問他們是否完成了他在範例中要求的更改。維斯科塔斯回答說：“幾乎所有都完成了，”並補充說她和埃克斯特羅姆“恭敬地”不同意弗裡德的一些要求，並希望與他討論這些要求。
弗裡德點點頭。“還有其他問題嗎？”他最後一次掃視房間問道。“如果沒有，就開始工作。”
回到他的辦公室，弗裡德回憶起他是如何最終負責這個不尋常的專案的。他的榜樣之一是懷爾德·彭菲爾德，這位加拿大外科醫生在20世紀50年代和60年代對癲癇患者進行了開創性的手術。在取出患者的顱骨蓋後，彭菲爾德用電線輕輕觸碰他們大腦的不同部位，並詢問他們的感受；由於大腦缺乏疼痛感受器，患者不需要麻醉。他們可能會報告感覺到左手食指刺痛、看到藍色閃光、聽到低沉的嗡嗡聲。
這個程式不僅有助於指導彭菲爾德對每位患者的手術治療；它還提供了大腦不同部位功能的線索。“這個人真的在研究人類思維，”弗裡德說，“但同時他也在幫助一個人。”弗裡德的方法比彭菲爾德的方法精細得多。弗裡德通常在患者的頭骨上鑽十幾個孔，並插入十幾個空心宏電極，這些宏電極可以檢測來自癲癇發作的大規模電波。
每個宏電極的末端突出多達十個柔性微電極，可以檢測單個神經元的脈衝。患者的臨床狀況決定了宏電極的放置位置。在丹尼的案例中，測試表明他的癲癇發作起源於他的額葉，因此弗裡德將大部分宏電極插入該區域。他在丹尼的海馬體中嵌入了一個宏電極，海馬體是支援記憶的微小區域，通常與癲癇發作有關。
弗裡德強調，患者的臨床健康和舒適優先於研究目標。即使是最精心計劃的範例，如果患者感到無聊、疲倦、沮喪、頭痛，或者只是想獨處，也必須擱置一旁。弗裡德仔細篩選未來的同事，以確保他們將他的患者視為人類，而不是實驗動物。
“那些表現不好的人，”他說，“是強迫症動物生理學家，如果他無法控制所有變數，就會崩潰。”但弗裡德也表示，他認為“有責任”利用這些難得的機會來更多地瞭解單個神經元的行為，他稱神經元為認知的基石。
繼彭菲爾德的榜樣，弗裡德偶爾會進行涉及用微小的電擊刺激腦細胞的研究。1998年，他和三位同事發現，每當他們刺激一位女性患者大腦頂部的補充運動區時，她都會 burst into laughter。她的 hilarity 不僅僅是生理上的；這位女性感受到了“快樂或愉悅”的主觀感覺。她表現出一種稱為虛構綜合徵的症狀——她為自己的 hilarity 編造理由，一度告訴研究人員，“你們這些人真有趣……站在這裡。”
但弗裡德的大多數發現，他已在《自然》、《神經元》和《美國國家科學院院刊》等頂級期刊上發表了十幾篇以上的論文，涉及的不是電刺激神經元，而是被動地傾聽患者在執行各種任務時神經元的喋喋不休。在一組實驗中，弗裡德、科赫和加州理工學院的研究生加布裡埃爾·克里曼發現，當受試者看到影像（例如棒球或女性的面孔）以及當他閉上眼睛並在腦海中回憶影像時，細胞都會亮起。結果提供了迄今為止最令人信服的證據，證明人類的感知和想象力共享神經迴路。
最受關注的實驗是那些支援“思考細胞”存在的實驗。自20世紀50年代以來，人們一直在爭論這種細胞的可能性，當時研究人員在貓和其他動物的視覺皮層中發現了對簡單刺激（例如，以特定角度定向或以特定方向移動的線條或特定波長的光）做出反應的單個神經元。一些理論家想知道單個神經元是否也可能對更復雜的刺激（例如特定的人）做出反應。
它們曾經被稱為諾斯替細胞，以希臘語中的知識一詞命名，在20世紀60年代後期被麻省理工學院的神經科學家傑瑞·萊特文稱為祖母細胞。萊特文旨在嘲笑——如果不是駁斥——關於單個細胞可以專門用於識別家庭成員或其他在個人精神世界中佔據重要地位的個人的推測。在一篇論文中，他開玩笑說，像菲利普·羅斯的小說《波特諾伊的怨訴》中的英雄波特諾伊這樣的被母親溺愛的神經質患者，可以透過清除他們大腦中所有的母親細胞來治癒他們的戀母情結障礙。
許多神經科學家發現很難相信單個細胞可以識別無生命物體，更不用說人了。即使是像椅子、樹木或建築物這樣簡單的物體，也以幾乎無限的形式出現，並且同一個物體從不同的角度或在不同的背景下看起來也不同。因此，當普林斯頓大學的查爾斯·格羅斯在20世紀70年代初對猴子進行的實驗中發現對手和麵孔有選擇性反應的細胞時，神經科學家感到震驚——不是特定的面孔，而是普遍的面孔。
然而，直到20世紀90年代末，弗裡德和他的同事開始報告癲癇患者對各種影像的反應時，才有人真正跟進格羅斯的發現。一些神經元顯然足夠聰明，可以理解高度抽象的概念“非人類動物”。當患者被展示老虎、鷹、羚羊和兔子的照片時，他們的神經元會放電，但當被展示人類或無生命物體的照片時則不會。其他細胞只喜歡食物、建築物或人臉的影像。一些細胞對所有面孔都有反應，但另一些細胞很挑剔，對男性面孔而不是女性面孔放電，或者對皺眉的面孔而不是微笑的面孔放電——或者，最終，對特定個人的面孔放電。
其中第一個這種型別的神經元是所謂的比爾·克林頓細胞，它埋藏在一位女性患者的杏仁核深處。該細胞對前總統的三張非常不同的影像做出了反應：克林頓大笑的線條畫；他的正式肖像畫；以及他與其他政要合影的照片。當患者觀看包括男性政治家和名人在內的其他人的影像時，該細胞保持靜默。弗裡德的研究小組在其他志願者身上發現了以同樣高度選擇性的方式對演員（包括詹妮弗·安妮斯頓、布拉德·皮特和哈莉·貝瑞）做出反應的細胞。
名人在弗裡德的實驗中扮演突出角色的原因之一是，與患者自己親戚的影像相比，他們的照片通常更容易獲得。但是，作為她關於傳記記憶的論文專案的一部分，加州大學洛杉磯分校的研究生維斯科塔斯多年來一直在向患者展示家庭成員的照片。維斯科塔斯不願透露有關她的結果的細節，這些結果尚未發表。但她證實，她已經找到了對特定親屬做出反應的神經元：父親、母親、兄弟、姐妹、祖父和，是的，祖母。實驗還發現了當患者看到自己的影像時會亮起的細胞。稱它們為自戀細胞。
維斯科塔斯對過度解讀這些結果或加州大學洛杉磯分校專案中的其他結果持謹慎態度。例如，她不認為它們支援祖母細胞假說的最極端版本，即細胞專門且永久地分配給一個人、地點或事物。她補充說，過去幾十年表明，腦細胞是多功能的，或者說是“可塑的”，會根據新的經驗改變它們的角色。加州大學洛杉磯分校的實驗可能沒有檢測到長期記憶，而是所謂的 工作記憶，其中細胞暫時分配給代表祖母、詹妮弗、安妮斯頓或洛奇的工作，這僅僅是實驗提供的刺激的結果。
科赫不太確定。他認為，我們的大腦將一些細胞專門用於我們經常思考的人或其他事物是有道理的。他說，加州大學洛杉磯分校實驗的更大意義在於，神經科學家可能不得不改變他們對神經元作為簡單開關、電晶體或畫素的看法。每個神經元可能更像一臺複雜的計算機，執行定製的軟體。畢竟，單個神經元可以接收來自數十萬個其他細胞的輸入，其中一些細胞會抑制而不是鼓勵神經元的放電。神經元反過來可能會鼓勵或抑制其中一些相同細胞的放電，形成複雜的正反饋或負反饋迴路。
思考細胞結果最讓科赫興奮的是，它們有可能闡明認知的基本組成部分。他說，我們對世界的理解要求我們忽略透過感官湧入的大量資料。當我們開啟電視或回憶電影時，我們的大腦會以某種方式立即將原始感官資料壓縮成有意義的概念和類別。科赫說，這種壯舉至少部分可以透過代表的細胞來實現，這些細胞不僅代表這個或那個特定的洛奇影像，而且還代表“洛奇的柏拉圖式理想”。
奎羅加指出，一位阿根廷同胞豪爾赫·路易斯·博爾赫斯的一篇短篇小說闡明瞭如果我們缺乏這種壓縮能力會發生什麼。“博爾赫斯記憶宮殿”講述了一個青年的故事，他從馬背上摔下來撞到頭部後，變得有天賦，或者說是被詛咒，能夠攝影式地回憶起每一分鐘的經歷。他被他感知到的無限性淹沒，以至於退縮到一個黑暗的房間。“思考就是忘記差異，概括，抽象，”博爾赫斯寫道。“在博爾赫斯過度充斥的世界裡，只有細節。”與丹尼不同，博爾赫斯失去了感知洛奇的柏拉圖式理想的能力。
在丹尼的病房裡，沉重的哲學問題讓位於更實際的考慮，例如將帶滾輪的托盤正確地放在他的腿上。“我不是工程師，只是科學家，”奎羅加在努力搬動笨拙的托盤時歉意地說。在艾米麗·何（一位工程師）和團隊的首席故障排除員的幫助下，他最終成功了。
當其他研究人員來來往往時，何仍然留在丹尼的房間裡，操作放大器、計算機和其他裝置。當丹尼的微絲的讀數變得混亂時，何開始檢查可能引起電氣干擾的燈和其他電器。幾分鐘之內，她將問題追溯到丹尼用來使他的床升降的遙控器。在她拔下插頭後，讀數恢復正常。
房間裡的氣氛出奇地歡快。原因之一是丹尼的父親比爾經常在場，他是一家地毯公司的老闆。雖然實驗期間保持沉默，以免丹尼分心，但在實驗間隙，比爾會逗研究人員和他的兒子。有一次，何看著丹尼的神經元訊號在計算機螢幕上滾動，告訴他他有“很棒的腦細胞”。
“你在開玩笑吧？”比爾驚呼。“他的腦細胞很糟糕！”
丹尼咧嘴一笑，後來當他父親笨手笨腳地弄掉一個裝中餐的泡沫塑膠容器，把雞塊撒得滿地都是時，他笑得更開心了。“誰的細胞糟糕？”丹尼咯咯地笑著說。
當被問及他和他的妻子為什麼同意讓他們的兒子參加這些研究時，比爾變得嚴肅起來。“這是一種責任，”比爾說。比爾指出，丹尼已經受益，因為在他之前的許多其他患者都自願成為研究物件。將來，患有癲癇或其他腦部疾病的人可能會從加州大學洛杉磯分校團隊從丹尼身上學到的東西中受益。
就丹尼而言，他說他喜歡和科學家們一起玩，做實驗——“只要沒有數學就行”。
圖片來源：《大眾科學》；丹·塞林格；多米尼克·貝恩斯（道具造型）。