上期内容：神经科学原理-第一部分：总论引言

生物科学的最终前沿是理解意识的生物学基础，以及大脑在感知、行为、学习和记忆中的运作过程。在过去的几十年里，生物科学的显著整合为迎接这一巨大挑战奠定了基础。通过基因测序并推断其编码的蛋白质氨基酸序列，揭示了神经系统中的蛋白质与身体其他部位蛋白质之间的意想不到的相似性。由此，建立了一个细胞功能的整体框架，为包括细胞神经科学在内的所有细胞生物学领域提供了统一的概念基础。

当前生物学面临的一个关键挑战是整合心理学、心智科学、神经科学和大脑科学。在这种整合的方法中，思想与身体不再被视为独立的实体，而是基于这样一种观点，即所有行为都是大脑功能的结果。我们通常所说的心智实际上是大脑执行的一系列操作的产物。大脑过程不仅支撑着行走和进食等简单的运动行为，还构成了所有复杂的人类认知和行为的基础，包括思考、交流和创作艺术作品。因此，所有表征精神疾病的行为障碍，无论是情感上的感知障碍还是认知上的思维障碍，都是大脑功能紊乱的结果。

大脑中数十亿个独立的神经细胞如何产生行为和认知状态？这些细胞又如何受到环境，特别是社会经验的影响？将行为与大脑活动相联系是神经科学的核心使命，而在这一领域的研究进展构成了本书的核心内容。

神经科学始终面临一些基本问题。例如，为了理解思维过程、肢体动作或行动意图，我们需要在生物学描述中达到什么样的层次？在某些神经疾病的情况下，为什么动作会显得流畅或僵硬，甚至会出现不自主的动作？这些问题的答案可能在于观察神经细胞中DNA表达的模式，以及这些模式如何调控神经元的电学特性。然而，我们还需要理解由特定大脑区域中的神经元组成的神经回路，以及这些回路在不同大脑区域之间如何协同工作。

是否存在一个最适合的生物学描述层次？简短的回答是：视情况而定。如果目标是了解和治疗某些遗传性癫痫，那么DNA测序和单个神经元电特性的测量可能足以制定有效的治疗方案。但如果研究的重点是认知功能，如学习、感知和探索，那么可能需要对神经回路的系统性连接及其在不同大脑区域间的交互作用进行深入分析。

现代神经科学的目标是将各种专业领域的描述整合为一个连贯的科学体系。这一努力引发了一系列新的问题。如果心理过程能够定位到大脑的特定区域，那么这些区域的功能与其解剖结构和生理特性之间存在怎样的关系？我们是否需要不同类型的神经回路来处理视觉、语言和运动，还是所有功能的神经回路遵循某些共同的组织原则？必要的神经计算应该理解为基于单个神经元的信息处理，还是基于神经元群体的集体活动？信息是通过单个神经细胞的电活动来表达，还是分布在整个神经网络中，以至于单个细胞所携带的信息与计算机内存中的随机位元并无区别？如我们将要探讨的，关于组织层级、细胞特化和功能定位的问题在神经科学中不断重现。

为了解释这些观点，我们将探讨现代神经科学如何描述语言这一人类独特的认知行为。我们将广泛关注大脑皮层的功能运作——大脑皮层是人类大脑中最发达的部分。我们将看到大脑皮层如何组织成不同功能的区域，每个区域由大量神经元组成，并探讨这些区域内互连神经元的活动如何分析和实现高度复杂的行为。第3章将描述简单反射行为的神经回路在细胞层面上的运作，展示感觉信号和运动信号如何相互作用以引发运动行为。

1.1 大脑与行为之间的关系：两种相反的观点

我们对神经细胞、大脑与行为之间关系的理解，是在20世纪通过整合解剖学、胚胎学、生理学、药理学和心理学五大实验传统逐步形成的。

公元2世纪，希腊医生盖伦提出，神经是传递大脑和脊髓分泌的液体到身体其他部位的通道。这一观点在西方医学中占据主导地位，直到显微镜的发明揭示了神经组织的真实结构。然而，神经科学直到19世纪末才成为一个独立的研究领域。当时，意大利的卡米洛·高尔基和西班牙的圣地亚哥·拉蒙·卡哈尔对神经细胞进行了详细且精准的描述，但他们对大脑功能的工作原理得出了两种截然不同的结论。

高尔基开发了一种用银盐染色神经元的方法，使得神经元的整个结构在显微镜下清晰可见。基于这些研究，高尔基得出结论，神经细胞并非独立的个体，而是通过一个连续的组织或合胞体网络共同作用。卡哈尔利用高尔基的染色技术观察到，每个神经元通常都有一个细胞体和两种类型的突起：一端是分支状的树突，另一端是长长的电缆状轴突。卡哈尔据此提出，神经组织并非一个合胞体，而是由离散的细胞网络组成。在这项研究中，卡哈尔发展了神经元学说的一些关键概念，并提供了早期证据，支持个体神经元是神经系统的基本构建块和信号传递元件的原则。

在1920年，美国胚胎学家罗斯·哈里逊证明了树突和轴突是从神经元的细胞体中生长出来的，即使在组织培养中，每个神经元也能够独立生长，不与其他神经元相连。哈里逊还证实了卡哈尔的假设，即轴突的尖端会产生扩展，称为生长锥，这个结构引导发育中的轴突找到目标，即其他神经细胞或肌肉。这两项发现都为神经元学说提供了强有力的支持。随着电子显微镜的引入，神经元学说的最终明确证据在20世纪50年代中期出现。桑福德·帕莱的一项具有里程碑意义的研究明确证明了突触的存在，突触是神经细胞之间进行化学或电信号传递的特殊区域。

对神经系统的生理学研究始于18世纪末期，当时意大利医生兼物理学家路易吉·加尔瓦尼发现肌肉和神经细胞能够产生电能。现代电生理学的起源可以追溯到19世纪的三位德国生理学家：约翰内斯·米勒、埃米尔·杜·博伊斯-雷蒙德和赫尔曼·冯·亥姆霍兹。他们成功地测量了神经细胞轴突上电信号传导的速度，并进一步证明，一个神经细胞的电活动会以可预测的方式影响相邻细胞的活动。

药理学在19世纪末对神经系统和行为的理解产生了深远影响。当时，法国的克劳德·伯纳德、德国的保罗·埃尔利希和英国的约翰·兰利证明，药物并非随机作用于细胞，而是通常与位于细胞膜上的特定受体结合。这一发现揭示了神经细胞可以通过化学信号进行相互通讯。

关于行为的心理学思考可以追溯到西方科学的起源时期，当时古希腊哲学家就开始探讨行为的原因以及心灵与大脑之间的关系。在随后的几个世纪里，逐渐形成了两种主要观点。到了17世纪，笛卡尔提出了身心二元论，他认为大脑负责调节知觉、动作、记忆、欲望和情感——这些在低等动物中也能找到的功能。但他主张，心智（更高的心智功能，即人类行为的有意识体验特征）并不属于大脑或身体的任何部分，而是代表灵魂，即一个独立的精神实体。笛卡尔认为，灵魂通过松果体与大脑沟通，松果体是大脑中线上的一个微小结构。笛卡尔的观点在现代哲学或神经科学中影响甚微。事实上，神经科学的基本前提是心智是大脑及其神经活动的产物。这并不是说神经科学的目标是将心智还原为生物学成分以否定其存在，而是为了揭示心智的生物学基础。

早在1800年，维也纳的医生和神经解剖学家弗朗兹·约瑟夫·加尔就开始尝试将生物学和心理学概念结合起来研究行为，并提出了一种全新的身心观念。他主张大脑是心灵的器官，所有的精神功能都在大脑中得以体现。因此，他反对笛卡尔认为思想和身体是独立实体的观点。此外，他提出大脑皮层并非单一器官，而是由多个专门的区域组成，每个区域控制着特定的功能。加尔列出了至少27个不同的大脑皮层区域或“器官”，后来又增加了更多，每一个区域都对应着一种特定的心智能力（图1.1.1）。他将智力过程（如因果关系的评估、计算和感知秩序的能力）归于大脑的前部，而将浪漫爱情和攻击性本能等特征归于大脑的后部。甚至最抽象的人类行为（如慷慨、隐秘和虔诚）也被他分配到了大脑中的特定位置。

图 1.1.1: 早期大脑功能定位图。根据19世纪的颅相学学说，诸如好斗、灵性、希望和责任感等复杂特征由大脑皮层的特定“器官”控制，并且这些区域随着这些特征的发展而扩大。据认为，这些大脑局部区域的扩大会在覆盖它们的头骨上形成特定的凹凸，从而可以推测一个人的性格。这张地图取自19世纪初期的一幅图画，展示了42个与智力和情感相关的“器官”。

尽管加尔提出的身心统一理论以及他关于某些功能局限于特定大脑区域的观点在某种程度上得到了验证，但今天的主流观点认为，许多高级心理功能可能是高度分布的。此外，加尔的本地化实验方法极为初级。他并没有通过经验性研究来定位功能，而是通过解剖研究大脑，并将心理属性的缺陷与肿瘤或中风后特定区域的病变相关联。事实上，他忽略了所有通过脑部病变研究获得的证据，无论这些证据是通过临床观察还是在实验动物中通过手术产生的。

受相面术（通过面部特征揭示性格的流行科学）的影响，加尔认为，具有特定认知能力的人在头骨上会有相应的隆起，而这些隆起标志着大脑中相应能力的中心。他假设大脑区域的大小与该区域所代表的心智能力的重要性成正比。因此，特定智力的锻炼会导致对应大脑区域的生长，而这种生长又会导致头骨的突出。

加尔小时候注意到，那些擅长背诵功课的同学通常都有突出的眼睛，于是他产生了这个想法。他推测，这可能是由于大脑前部与语言记忆相关的区域过度发育所致。后来，当他成为维也纳一家精神病院的年轻医生时，他进一步发展了这一想法。他开始研究患有偏执狂症的患者，这些患者通常对某些特定思想或行为表现出过度的兴趣或强烈的冲动，如盗窃、谋杀、色情或极端宗教信仰。加尔推断，由于这些患者在其他方面的行为表现正常，因此大脑的缺陷一定是局部的，并且原则上可以通过检查这些患者的头骨来定位。

加尔对大脑功能定位的研究催生了颅相学，这是一门试图通过头骨形状的细节来推断人格和性格的学科。

1820年代后期，法国生理学家皮埃尔·弗卢龙对加尔的观点进行了实验验证。弗卢龙通过在实验动物中破坏加尔所认为的大脑“功能中心”，试图分离出这些“大脑器官”对行为的具体贡献。根据这些实验，弗卢龙得出结论，特定的大脑区域并不单独负责某一特定行为，而是整个大脑，尤其是前脑的大脑半球，共同参与了每一次心理活动。弗卢龙提出，大脑半球的任何部位都对所有功能有所贡献，因此，任何区域的损伤都会均等地影响所有高级功能。基于这一发现，弗卢龙在1823年写道：“所有的感知、所有的意志都在这些（大脑）器官中占据同一位置；因此，感知、构想和意志的能力本质上构成了一种单一的能力。”

这种观点，后来被称为大脑的整体观，很快得到了广泛接受。这不仅部分归因于弗卢龙的实验成果，还反映了当时社会对将人类思想视为单纯生物器官的唯物主义观点的文化反击。整体观反映了对以下观念的抵制：灵魂不存在、所有心理过程都可以归结为大脑活动、以及通过锻炼可以提升心智等。这些观念在当时的欧洲宗教和贵族阶层中是难以接受的。

然而，到了19世纪中叶，法国神经学家皮埃尔·保尔·布罗卡、德国神经学家卡尔·韦尼克和英国神经学家休林斯·杰克逊对整体观提出了严峻挑战。例如，杰克逊通过对局灶性癫痫（即从特定身体部位开始抽搐的疾病）的研究，表明不同的运动和感觉功能可以追溯到大脑皮层的特定部位。布罗卡、韦尼克和杰克逊的区域研究被查尔斯·谢灵顿和卡哈尔进一步扩展到细胞层面，他们支持一种被称为“细胞连接主义”的大脑功能理论。根据这一理论，单个神经元是大脑的信号传递单元；它们按功能分组，并以精确的方式相互连接。韦尼克和法国神经学家朱尔斯·代热林的研究表明，不同的行为是由不同的、相互关联的大脑区域共同产生的。

关于大脑功能定位的第一个重要证据来自于研究大脑如何产生语言的过程。在讨论相关的临床和解剖学研究之前，我们需要先了解大脑的整体结构，包括其主要解剖区域。这要求我们掌握一些神经解剖学家用来描述大脑和脊髓部分之间三维空间关系的基本术语。这些术语在Box 1.1 和图 1.1.2 中进行了介绍。

中枢神经系统的各个部分在体内的位置和方向是通过三个轴来描述的：嘴侧-尾侧、背侧-腹侧和内侧-外侧轴（图 1.1.2）。这些术语帮助神经解剖学家准确描述大脑和脊髓部分之间的空间关系，也有助于在个体发育或疾病状态下，对同一物种的大脑进行比较。此外，这些术语还用于比较不同动物物种的大脑，以研究大脑的进化。

图 1.1.2: 中枢神经系统的三个主要轴。A. 嘴侧表示朝向鼻子，尾侧表示朝向尾巴。背侧是指朝向动物的背部，腹侧是指朝向腹部。在低等哺乳动物中，这两个轴的方向在发育到成年时保持不变。在人类和其他高等灵长类动物中，纵轴在脑干处弯曲了约110度。由于这一弯曲，相同的位置术语在弯曲的上下方表示不同的含义。在弯曲下方，在脊髓中，嘴侧意味着朝向头部，尾侧意味着朝向尾骨（脊柱的下端），腹侧（前侧）意味着朝向腹部，背侧（后侧）意味着朝向背部。在弯曲上方，嘴侧意味着朝向鼻子，尾侧意味着朝向后脑勺，腹侧意味着朝向下巴，背侧意味着朝向头顶。术语“上位”通常与“背侧”同义，“下位”通常与“腹侧”同义。B. 内侧表示朝向大脑的中部，外侧表示朝向大脑的侧面。C. 在对大脑进行切片分析时，切片通常是在三个基本平面之一进行的：水平、冠状或矢状平面。

1.2 大脑的功能区域

中枢神经系统是一个双侧且基本对称的结构，主要由脊髓和大脑两部分组成。大脑包括六个主要结构：延髓、脑桥、小脑、中脑、间脑和大脑（见Box 1.2 和图 1.2.1）。每个结构都包含具有特定连接方式和发育起源的独特神经元群体。在延髓、脑桥、中脑和间脑中，神经元通常聚集成不同的簇，称为细胞核。大脑和小脑的表面由一大片折叠的神经元组成，分别称为大脑皮层和小脑皮层，其中神经元以固定的连接模式分层排列。此外，大脑还包含许多位于皮层下方的结构，如基底神经节和杏仁核（见图 1.2.2）。

中枢神经系统由七个主要部分组成。脊髓位于中枢神经系统的最尾部，负责接收和处理来自四肢和躯干皮肤、关节和肌肉的感觉信息，并控制四肢和躯干的运动。正如图1.2.1所示，脊髓被细分为颈部、胸部、腰部和骶骨区域。

脊髓向上延伸形成脑干，脑干由延髓、脑桥和中脑组成。脑干接收来自头部皮肤和肌肉的感觉信息，并控制头部肌肉的运动。此外，它还在脊髓与大脑之间传递信息，并通过网状结构调节唤醒和意识水平。

脑干内包含多个神经细胞体的集合，称为脑神经核。这些核团中的一些接收来自头部皮肤和肌肉的信息，另一些则控制面部、颈部和眼睛肌肉的运动，还有一些专门处理来自听觉、平衡和味觉等特殊感官的信息。

延髓位于脊髓的前端，包含控制消化、呼吸和心率等重要自主功能的中心。

脑桥位于延髓的上方，负责将大脑半球的运动信息传递到小脑。

小脑位于脑桥后方，调节运动的力度和范围，并参与运动技能的学习。小脑在功能上与脑干的三个主要部分——延髓、脑桥和中脑——相连。

中脑位于脑桥的前方，负责控制多种感觉和运动功能，包括眼球运动，以及视觉和听觉反射的协调。

间脑位于中脑的前方，由两个主要结构组成：丘脑和下丘脑。丘脑处理从中枢神经系统其他部分传递到大脑皮层的大部分信息。下丘脑则调节自主神经、内分泌和内脏功能。

大脑由两个大脑半球组成，每个半球由高度褶皱的外层（大脑皮层）和三个深层结构（基底神经节、海马体和杏仁核）构成。基底神经节包括尾状核、壳核和苍白球，负责调节运动执行和习惯学习，这些记忆形式被称为内隐记忆；海马体对存储关于人、地点、事物和事件的记忆至关重要，这类记忆形式被称为外显记忆；杏仁核则协调情绪状态下的自主神经和内分泌反应，尤其是与威胁记忆相关的内隐记忆。

大约三分之二的大脑皮层位于脑沟内，许多脑回被覆盖的皮层叶所掩埋。通过分离大脑半球以观察大脑的内侧表面，或者在尸检中对大脑进行切片，可以看到大脑皮层的完整范围（图1.2.2）。现代大脑成像技术还可以在活体大脑中可视化这些信息（图1.2.3；第6章）。这些视图还提供了白质和皮层下灰质的观察。

大脑皮层表面看不到的两个重要区域是扣带皮层和岛叶皮层。扣带皮层位于胼胝体的背面，对情绪、疼痛感知和认知调节起着重要作用。岛叶皮层位于覆盖它的额叶、顶叶和颞叶内，在情绪、稳态调节和味觉感知中发挥着关键作用。这些内部视图还展示了胼胝体，这是连接两个半球的主要轴突纤维束。

上述的大脑区域通常分为三个更大的部分：后脑（包括延髓、脑桥和小脑），中脑（包括顶盖、黑质、网状结构和中脑导水管周围灰质），以及前脑（包括间脑和大脑）。中脑和后脑（不包括小脑）组成了脑干的主要结构。神经系统的详细解剖组织将在第4章中进一步描述。

图 1.2.1: 中枢神经系统的划分。

A. 中枢神经系统分为七个主要区域，从最尾部的脊髓，到脑干（包括延髓、脑桥和中脑），再到间脑（包括丘脑和下丘脑），最终到端脑或大脑（包括大脑皮层、底层白质、皮层下核和基底神经节）。

B. 大脑的四个主要叶以覆盖它们的颅骨部分命名。图中显示的是左侧大脑半球的侧视图。中央沟将额叶与顶叶分开，外侧沟将额叶与颞叶分开。初级运动皮层位于中央沟前方的脑回上，而初级体感皮层位于中央沟后方的脑回上。

C. 在右半球的内侧视图中，分开半球后可以看到大脑的更深入结构。胼胝体包含一束连接两个半球的主要轴突纤维。扣带皮层是大脑皮层的一部分，环绕着胼胝体。初级视觉皮层位于距状沟周围。

图 1.2.2: 大脑半球的主要皮层下和深部皮层区域（基于死后组织的脑切片图）。四个连续的冠状切片（A–D）沿着右上角插图中所示的大脑侧视图的前后轴（嘴侧-尾侧轴）制作。这些切片展示了大脑的深层结构。基底神经节包括尾状核、壳核、苍白球、黑质和底丘脑核（底丘脑核未显示）。丘脑负责将感觉信息从外围传递到大脑皮层。杏仁核和海马体位于颞叶内部，是对情绪反应和记忆形成至关重要的大脑皮层区域。脑室系统包含并产生脑脊液，脑脊液流经脑沟、脑池和脊髓，起到保护和支持中枢神经系统的作用。

现代脑成像技术可以实时观察活体大脑中这些结构的活动（详见第6章）。当人们在受控条件下执行特定任务时，脑成像通常用于评估大脑特定区域的代谢活动。这些研究提供的证据表明，不同类型的行为会激发大脑不同区域的活动，且某些行为比其他行为更能激活特定的大脑区域。脑成像生动地展示了认知操作主要依赖于大脑皮层，即覆盖在两个大脑半球上的褶皱灰质（图 1.2.3）。

图 1.2.3: 活体大脑的主要皮层和皮层下区域成像。

A. 这张示意图展示了大脑的主要表面和深层区域，包括脊髓的延髓末端作为参考。

B. 在活人体内，通过磁共振成像可以清晰地看到A部分中绘制的大脑主要分区。

在每个大脑半球中，皮层被划分为四个叶，这些叶的名称来源于覆盖它们的颅骨：额叶、顶叶、枕叶和颞叶（图 1.2.1B）。每个叶都具有多个特征性深度折叠的区域，这是一种将大量皮层结构紧凑排列在有限空间内的进化策略。这些褶皱的顶部称为脑回，而褶皱之间的凹陷称为脑沟或裂隙。某些更为显著的脑回和脑沟在人与人之间高度相似，并且有特定的名称。例如，中央沟将中央前回（一个与运动功能相关的区域）与中央后回（一个处理感觉功能的区域）分开（图 1.2.1B）。正如第6章所述，无论是在死后组织中（图 1.2.2）还是通过磁共振成像（图 1.2.3），某些突出的脑回只在两个半球的内侧表面可见（图 1.2.1C），而其他脑回则深藏在脑裂和脑沟中，只有在大脑切片时才能被观察到。

每个大脑叶都有其特定的功能。额叶主要负责短期记忆、规划未来行为以及运动控制；顶叶调节躯体感觉，构建身体形象，并将其与外部空间联系起来；枕叶主要处理视觉信息；而颞叶则负责处理听觉、识别物体和面孔，并通过其深层结构——海马体和杏仁核——参与学习、记忆和情感的处理。

大脑皮层的组织有两个重要特征。首先，每个半球主要控制身体对侧的感觉和运动功能。例如，来自身体左侧的感觉信息在传递至大脑皮层之前，会在脊髓中交叉到右侧。同样，右半球的运动区控制着身体左侧的运动。第二个特征是，尽管两个半球在外观上相似，但在结构和功能上并不完全对称。