可愛的細胞:大腦如何運作?《Mind Change》讀書筆記

Mind Change》是神經科學家 Susan Greenfield 的作品,旨在探討科技的進步如何改變人們的心智。

Greenfield 認為,心智改變(Mind Change)就像氣候變遷(Climate Change)一樣,是複雜而牽涉廣泛的議題。我們無法很快找到一個「確定」「說服」所有人的因果連結,但我們也不應該等到那個時候。—— 我們應該現在就開始探討各種改變中的現象、科技生活對心智的正負面影響,然後主動選擇、形塑我們所想要的未來。

書中對大腦如何運作的說明比喻很有趣,在這裡筆記摘錄。[1] [2]

就像一個繁忙的大都會

要理解大腦是怎麼運作的,我們可以想像一個繁忙的大都會,例如紐約。

解剖學裡大腦的不同區域,對應到不同的自治市(曼哈頓、布魯克林、皇后區等)。自治市裡的區域、鄰里,就像是越來越小的細胞群。

當我們來到一個街區、一條街、或是一排房子時,我們就來到了神經溝通最基本的單位:腦細胞之間的間隙(突觸)。

街上的房子,就是神經元(neuron)本身。房子裡面則有著讓細胞維持生命的各種構造組織。

「大都會」的比喻,描述了大腦在解剖學中呈現的階層式結構,但這個比喻也就到此為止了;這只是大腦結構的一個「靜態」圖像。

比起磚牆瓦片,腦細胞更像是人

比起「磚頭、房子」這些固定的結構,大腦細胞更像是人,他們是高度動態的居民。

因此,要了解大腦如何運作,我們不只需要「靜態」的解剖學階層構造,還需要知道這些結構、細胞如何「動態」運作。

神經元是大腦的基本單位,就像人是社會組織的基本單位。和人一樣,每一個神經元會有共同的特色,卻也同時是一個獨立的個體。

人會隨著時間改變,神經元也會適應改變。

細胞之間溝通的語言:化學信差(神經傳導物質)

神經元會跨越間隙(突觸)、逐漸建立起連結,方法為利用中介的「化學信差」(神經傳導物質 neurotransmitter);腦細胞之間直接的接觸雖然是可能的,但較為少見。

同樣地,人主要也是透過非直接接觸的方法 —— 語言 —— 和其他人建立連結;直接碰觸是比較少見的。

腦細胞用的「化學信差」和人使用的「語言」都有很多種,但都有個共同特點:兩個獨立個體之間、不涉及直接接觸的溝通方式。

在最簡單的情況下,一個神經元可以透過神經傳導物質發出「yes」或「no」的訊號,這個訊號將被翻譯成對目標細胞的「瞬間激發」或「瞬間抑制」。

它是這樣運作的:

當一個腦細胞「說話」時(或者,技術上來說 ——「活躍」時),會產生一道小小的電位變化,並持續大約千分之一秒(一毫秒)。

這個變化會一路傳傳傳,往下跑到細胞的末端,好跟隔壁的神經元溝通。

問題是,當這個訊號到達突觸時,就沒辦法再往前走了。於是它只好「變身」!電位能過不去了,於是轉成化學能的方式繼續前進 —— 訊號會讓細胞尖端釋放出化學信差。化學信差可以在突觸之間傳遞,如同我們說的話可以在空氣之間傳遞一樣。

當信差抵達目的地之後,便會和特定的感覺接受器進行「分子握手」。不同的神經傳導物質對應到不同的接受器,就像不同的鎖需要不同的鑰匙一樣,各自量身打造。這樣的「握手」會使得目標細胞的電位產生短暫的改變,有效地把化學信號翻譯回電位信號。

當細胞說「yes」的時候,會讓電位被短暫的「激發」;反之,「no」則會讓電位被短暫的「抑制」。

電位能 → 化學刺激 → 電位能|source

在情境之中解讀;隨時間逐漸改變

就像語言不是只是單音節的簡單溝通,而是「許多音節組成一個單字,許多單字組成一個句子,許多句子組成一個論述」一樣,神經傳導物質也是:最終的效果,將取決於一段時間內,所有抵達該細胞的神經傳導物質及其順序。

「神經傳導物質」和「文字」一樣,其最終的影響,都取決於一個更大的情境(context)。

然後,隨著毫秒累積成秒、成分鐘、成小時、成天,最終,這些細胞溝通過程中所影響的連結 —— 神經元之間的連結 —— 也隨之改變。

神經元和人一樣,年輕時較為有彈性,然後會逐漸專門化,隨著其網絡的成長,而變得越來越「獨特」。隨著時間過去,人們長出了不同的個性,神經元也長出了自己特殊化的連結網絡。

「神經元之間的連結」和「人與人之間的關係」很像:重複使用會增強,不使用則會逐漸萎縮。

隨著人的成長,他會建立越來越複雜的人際網絡關係,有親近的、也有較為疏遠的,越來越大的團體互相關聯,最終形成一個社會。大腦也是如此:最終,腦中所有的區域會互相連結,作為一個整體運作。

要從微觀看,也要從巨觀看

這種「下到上」的方式,探索了這樣的組織是如何形成的。

如果你是專門研究神經傳導物質、感覺接受器、突觸的神經科學家,那麼你就像是大腦裡的「人際溝通專家」一樣。例如,多巴胺(dopamine )這種神經傳導物質,和不同的大腦過程有關,包括:激動(arousal)、成癮、獎勵、和採取行動。

但要了解多巴胺是如何運作的,我們還需要「上到下」的理解方式 —— 探索大腦如何共同運作,產生不同的行為和想法。這就像是「社會學」或「人類學」:專注在集體的趨勢、結果,而非單一個體的行為。

事情不只是表面上看起來的那樣

科學家們現在使用腦部掃描,來觀察在不同刺激、環境、行為時,大腦各個區域的活動情況。

在這樣的腦描中,你可能會看到灰色的大腦中,有些亮點;或者你會看到一張許多顏色的圖 —— 白色是熱點,以及黃色、橘色、紅色、到低活躍的紫色區域。

然而,在大腦神秘的協同運作下,各個不同區域之間所有正在進行的對話(chatter),實際上是看不到的。

腦部掃描的影像,是大腦在一段「長」時間內的運作狀況。這些掃描的解析度通常是數秒(最新技術可以達到數十毫秒),但大腦中實際運作的變化,比這還要快數百倍。

腦部掃描就像是維多利亞時代的相機,照出靜態的建築物,但照不出移動較快的人和動物。建築物是真的,但並不是完整的畫面。

不是「一個區域,一個功能」,也不是簡單的減法

當我們在觀察腦部掃描時,很容易會想將「亮起來的區域」想成是「負責該行為/反應」的區域。這種「運作中心」的概念很吸引人;如果事情真是這樣,理解大腦會簡單得多。

隨著醫藥發展,人們即使在腦部遭受極大創傷後(中彈、中風)還能夠存活,這也使得「一個區域,一個功能」的概念受到歡迎。—— 人們認為,只要把「損傷的區域」和「喪失的功能」連結起來,就可以推知大腦各區域的功能。

但正如同超過半世紀以前,一個心理學家舉的例子:如果你把收音機的真空管(是的,就是這麼老的譬喻)拔掉,收音機開始哀號亂叫;你不能因此推測說: 喔,這根真空管的作用是「抑制收音機哀號亂叫」。

如果大腦的某個區域受損了,整體的功能也會受損,但你不能用簡單的減法去計算該區域的功能。

再舉個例子,如果火星塞壞了,車子便無法發動;但你不能藉由研究火星塞而理解一輛車如何運作。[3]

就像演奏一首交響曲那樣

我們現在知道每一個功能,都由不只一個的大腦區域所控制。例如視力 —— 「看見形體、動作、顏色」的種種不同面向,就由大腦的三十多個不同區域負責。

每一個大腦區域,也都有不只一樣的功能。大腦的每個結構為整體貢獻的方式,就像交響樂團中,不同的樂器共同演出一首交響曲那樣。

大腦的這些過程會決定你如何看待世界,但任何時候的任何外在輸入、經驗,也會同時改變你大腦細胞組織的方式,進而改變你的思考。

頂尖腦科學家 Bryan Kolb 是這樣總結的:


任何改變你大腦的事,
就會改變未來的你。

你的大腦不只是由基因決定,
也是被一生的經驗所雕刻出來的。

經驗改變大腦活動,
而大腦活動的改變又改變了基因表達。

任何行為上的改變都反映了大腦的改變,
反之亦然,行為也可以改變大腦。」

附註

[1] 本篇文章參考、整理自《Mind Change》p.49-54。

[2] 如果你覺得有趣,但跳入一本書是太大的負擔,或許可以看看 Susan Greenfield 同主題的演講:Technology & the human mind | Susan Greenfield | TEDxOxfordSusan Greenfield on Mind Change

[3] 讀完之後,我有一個問題 —— 我記得以前上普通心理學的時候,好像就是學到「醫生根據腦部受損的病人,歸納出腦部各區的功能」這件事,也就是 Greenfield 所反對的「一區一功能」說法。一個大腦圖畫著:語言、動作、藝術、邏輯的圖片好像也常常看到,所以到底哪個是對的呢?

(2019.03.09 更新)讀了《打破大腦偽科學》,這本書對大腦如何運作的論點和《Mind Change》描述的相似。主要相關的論點是:

  • fMRI 的極限

彩色大腦圖顯示的是腦袋各區域間血流量的差異,其假設是「思考活動多、所需的能量也較多、所以該區的血流會變大」,但這個假設有兩個缺點:1. 這是一種間接的推測。2. 太慢 —— 大腦裡正常脈衝的速度約為每小時四百公里,而 fMRI 要完成一張片子,需要近兩秒的時間。這兩秒內可以發生的活動太多了,大腦辨識一張圖片或一個臉孔大概只需要千分之幾秒。

“ 這就好比在一級方程式的賽車場上,找個固定的位置站好,每兩秒拍一張照片一樣。你可能會拍到一堆充滿藝術氣息的模糊照片,但是賽車本身卻是看得不清不楚。”(頁19)

  • 「右腦有創意,左腦懂邏輯分析」是迷思

腦的確發展了某些模組處理特定任務(例如:視覺感官有特定的神經細胞群處理顏色、方向等資訊),但更複雜的大腦運作,例如情緒、感覺或人格特質、特定的思考過程、智力、創意都不能歸納在特定的模組裡,而需要與其他網絡合作才能達成。

神經科學家研究「創意」時發現,受試者的任務不同,活化的腦區也有所變化:有時在左腦、有時在右腦,端看被賦予的創意任務而定。科學家沒有發現任何腦區是所謂的「創意中樞」。

同樣地,科學家也沒有發現有哪個腦區是所謂的「數學中樞」,當兩個腦半球合作的越密切時,數學問題解的越好。

不過「語言中樞」的確是存在的:布羅卡區和沃尼克區。雖然語言中樞大都在左腦(96% 的右撇子、70% 的左撇子語言中樞在左腦),但右腦也負責了語言的音律,兩個腦半球彼此合作,共同完成整個腦的功能。

但除此之外,很少有神經網絡會(像布羅卡區一樣)集中在單一腦半球,大部分的實驗任務都需要兩個腦半球的不同腦區合力完成,而且有些腦區還相距甚遠。腦子活動時並不是活化兩個「腦模組」,而是不同腦區之間的資訊交換。

“ 儘管你說出口的話經常(但不一定)是由左腦產生的,但這不表示你說話時右腦正在當啞巴。左右腦絕對不是時時競爭、爭奪主導權的關係。相反的,左右腦和睦相處,永遠保持最佳溝通狀態。”(頁58)

  • 互相合作的腦袋

腦幹並不是「只會干擾大腦思考有意義的事」的「爬蟲類腦」,「原始」並不代表「構造簡單」或「比較低等」,而是在演化史上類似的構造已經存在很久了。

「理性的大腦對抗本能的腦幹」是一派胡言,腦的運作原則只有一個:為生存做出最佳安排。

“ 腦裡面並不存在競爭關係(理智 vs 本能)。腦比較像是一支完美的球隊(沒有教練!)—— 誰都少不了誰。沒有彼此,什麼都做不到。”(頁36)

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