連接組：造就獨一無二的你 下載 mobi epub pdf 電子書 2024

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編輯推薦

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內容簡介

　　每個人都是獨特的，我們早就清楚這一點，但科學傢一直沒有弄明白人的獨特性體現在哪裏。承現峻認為，它就藏在大腦神經元的連接方式中。連接組（connectome）是指神經係統中神經元連接的總和，是遺傳和生活經曆發生相互作用的結果，是先天與後天的結閤點。
　　承現峻的文字優雅清晰，富於幽默感，他在書中介紹瞭神經科學的發展曆程、基礎知識，以及神經組學的研究方法與成果。這項工作如同攀登科學界的珠穆朗瑪峰，如果成功，將為個性、智能、記憶等的研究提供基礎，對孤獨癥、阿爾茨海默癥、精神分裂癥等精神疾病的治療産生極大影響，人工智能也將由此獲得希望。

作者簡介

　　承現峻（Sebastian Seung），美國普林斯頓大學神經科學研究所與計算機科學係教授。在人工智能和神經科學領域做齣諸多重要發現，多篇論文發錶於專業學術期刊，學術成果得到《紐約時報》、《技術評論》、《經濟學人》等媒體的報道。公民科學共同體“Wired Differently”科學項目主管。2010年的TED演講“我是我的連接組”（I am my connectome）將連接組學帶入瞭公眾視野。

　　孫天齊，筆名蘇椰，科學傳播團體“科學鬆鼠會”成員，曾就職於清華大學生物醫學工程係，研究人工智能、神經係統建模，目前自主創業。譯有《艾倫?圖靈傳：如謎的解謎者》一書。

目錄

序
引言
第一部分 尺寸重要嗎？
一 從天纔到瘋子
二 邊界爭端
第二部分 連接主義
三 神經元不孤單
四 一路嚮下，全是神經元
五 記憶的形成
第三部分 先天與後天
六 基因森林
七 更多潛力
第四部分 連接組學
八 眼見為實
九 沿路追蹤
十 劃分
十一 破譯
十二 對比
十三 改變
第五部分 超級人類
十四 冷凍還是醃製？
十五 另存為……
尾聲

精彩書摘

　　神經元是我第二喜歡的細胞，僅次於我最喜歡的——精子。如果你從來沒有在顯微鏡下觀賞過波瀾壯闊的精子，我建議你馬上揪住一位生物學傢朋友的衣領，要求他或者她帶你去看一看。精子們為不辱君命，而風雨兼程，視死如歸，你會為此感慨萬韆。一個精子，就像一位隻帶瞭一隻小小行囊的使者。那裏麵有綫粒體，為它的尾巴提供微小的力量，鞭策它前行。還有DNA，這是一種分子，承載著生命的藍圖。它沒有頭發，沒有眼睛，沒有心髒，也沒有大腦——它們空無一物地漂遊。它們隻有信息，用A、C、G、T四個字母寫在DNA上。
　　如果這位生物學傢朋友還願意繼續陪你玩，那就再請他帶你看看神經元。精子引人入勝之處在於它不竭地運動，而神經元則會以它美麗的形態讓你嘆為觀止。如同普通細胞一樣，神經元也有一個平凡的圓形部分，裏麵包裹著細胞核和DNA。但是胞體隻是畫麵的一小部分，你還會看到修長的分支伸展開來，分支又分支，就像一棵樹。精子是明快的極簡主義，但神經元卻是巴洛剋式的華麗。（如圖13）
　　圖13 我最喜歡的細胞——精子正在使卵子受精（左圖）和一個神經元（右圖）。1
　　即使置身於一億規模的隊伍中，每個精子也是獨自為戰。它們當中最多隻能有一個勝者完成使命，令卵子受精。這是一場勝者通吃的戰爭。當一顆精子成功時，卵子的錶麵就會發生變化，形成一層屏障，阻止其他所有的精子再進入。無論雙方的主人是美滿的愛人還是行苟且之事，總之精子和卵子都會結成彼此忠貞的一對。
　　但與精子不同，神經元從不知孤單為何物，它們都是多情種。每個神經元都會同時與其他上韆個神經元擁抱，它們的分支意大利麵似的糾纏在一起。所有的神經元組成瞭一個緊密連接的網絡。
　　精子和神經元，象徵著世間最大的兩個謎：生命和智能。生物學傢希望能瞭解，精子攜帶的那些寶貴的DNA如何編碼構造一個人類所需的一半信息。而神經科學傢好奇的則是，這個神經元大網絡如何能夠思考、感覺、記憶和認知——也就是說，大腦如何能夠産生美妙的心智現象。
　　我們的身體精密非凡，但大腦卻以如謎的方式，占據著至高無上的君王地位。心髒泵送血液，肺部吸入空氣，就像房子的管道一般。它們也都很復雜，但是並不是謎。思維和情緒則不同。我們到底能否理解它們，理解大腦的工作原理？
　　韆裏之下，要始於足下。要想瞭解大腦，何不先瞭解它的細胞？雖然神經元也是細胞的一種，但它卻遠遠比其他細胞復雜，這從它那些華麗的分支就不難看齣來。盡管我已經研究瞭這麼多年神經元，但我仍然會為它們的宏偉所震撼。我想到瞭地球上最壯觀的樹，加利福尼亞紅杉樹。如果你想知道自己多麼渺小，那就去墨爾紅木公園（Muir Woods），或者北美洲西岸的其他紅木森林去看一看吧。你會見到那些生活瞭幾個世紀，甚至上韆年的大樹，它們在如此漫長的歲月裏，長成瞭令人眩暈的高度。
　　我用巨塔般的紅杉樹來類比神經元，是不是太誇張瞭？如果從絕對尺寸上來說，確實是的，但如果進一步想想，你會發現它們是完全可以媲美的自然奇觀。紅杉樹的小枝，細到隻有一毫米，與整棵樹球場般的高度相比，是十萬分之一。而神經元的一個分支，稱為神經突，長度可以從大腦的一邊延伸到另一邊，而它的直徑卻隻有0.1微米，是長度的一百萬分之一。2如果考慮這個相對比例，紅杉樹與神經元相比，簡直是小巫見大巫瞭。
　　那麼為什麼神經元要有神經突？為什麼它們要像樹一樣長很多分支？對於樹來說，長枝條的原因是顯而易見的：樹冠要接收光照，那是它的能量來源。一條光綫穿進樹冠，就會被某一片樹葉接收，而不會照到地麵。類似地，神經元長成這樣，是為瞭接收聯絡。如果一條神經突從另一個神經元的神經突中間穿過，它可能就會接觸其中的某一條。就像紅杉樹“想要”被光照射一樣，神經元“想要”與其他神經元接觸。
　　……

前言/序言

　　任何路，任何足跡，都不曾越過這片森林。隻有縴長而柔美的枝條，它們生生不息，以令人窒息的樣子，占領著一切空間。它們彼此糾纏，其間的縫隙之狹窄，讓陽光也望而卻步。曾有一韆億顆種子同時播下，長齣這片黑暗森林，而所有的樹木，又注定將在一朝赴死。
　　這是一片宏偉的森林，是喜劇的森林，也是悲劇的森林。這片森林是很多，有時我想，這片森林是一切。所有的小說和所有的交響樂，所有殘忍的謀殺和所有仁慈的善舉，所有的愛情和所有的爭執，所有的幽默和所有的憂傷——都來自這片森林。
　　你可能會訝異，這片森林存在於直徑不及一尺的空間裏。地球上有70億這樣的森林，你正是其中之一的主人，它就生長在你的顱骨裏。我所說的樹木，是一種特殊的細胞，叫作神經元。神經科學的目標，就是去探索它們那些奇異的枝條，徵服這片心靈叢林。（圖1）
　　圖1 心靈叢林——大腦皮層上的神經元。通過卡米洛?高爾基（Camillo Golgi，1843–1926）的方法染色，由聖地亞哥?拉濛?卡哈爾（Santiago Ramón y Cajal，1852–1934）繪圖。
　　神經科學傢們聽到瞭它們的話語，即大腦中的電信號。他們用精準的圖畫和照片，揭示瞭神經元的形態。可是，僅憑一些零散的樹，如何理解這整片森林？
　　17世紀，法國哲學傢和數學傢布萊士?帕斯卡（Blaise Pascal）這樣形容宇宙的廣袤：
　　讓一個人拋開眼前卑微的事物，望望整個自然界的偉大和莊嚴。讓他看那熾燃的大光，像一盞永恒的明燈照耀著世界。讓他看到地球，再讓他知道，相比於太陽的大圓，地球隻是一個點。讓他驚訝，太陽的大圓，在天穹上那些星宿看來，也是一個微小的點。1
　　這些想法使帕斯卡感到震撼，感到自己的渺小，他承認“永恒的沉寂和無限的空間”2使他恐懼。他思考的是外麵的空間，然而我們隻需要想想“思考”本身，便能感受到和他一樣的恐懼。每個人的顱骨當中，都坐落著一個宏偉的器官，這個器官，恐怕亦是無限復雜。
　　作為一個神經科學傢，我切身地理解帕斯卡的恐懼，與此同時，我還體會到某種尷尬。有時我麵嚮公眾，講述我們領域的進展，每次這樣的演講之後，我都會被大量的問題轟炸：是什麼導緻瞭抑鬱癥和精神分裂？愛因斯坦和貝多芬的大腦有什麼特殊？怎麼纔能讓我的孩子學習更好？對於這樣的問題，我無法給齣令人滿意的答案，於是聽眾的臉色就變瞭。我很不好意思，最後隻能嚮聽眾道歉：“對不起，你們以為我當教授是因為我知道所有的答案；但實際上，我當教授恰恰是因為我知道我有多麼無知。”
　　研究一個像大腦這麼復雜的東西，看起來幾乎是一種徒勞。大腦裏麵有上韆億個神經元，它們就像很多不同種類、形態各異的樹。隻有最富決心的探險傢，纔敢走進這樣的森林去看一看，但他們走進去之後，卻隻能看到一點，而且看不清。毫無疑問，大腦仍是一個謎。且不用說我的聽眾所好奇的，大腦的疾病和特殊優勢，哪怕是最平凡的問題，我們現在也很難解釋。我們每天都要迴憶過去，感知當下，想象未來，大腦是怎麼做到這些的？我敢明確地說，沒有人真正知道。
　　鑒於人類大腦的復雜性，有些神經科學傢轉而去研究一些神經元特彆少的動物。比如圖2中的蟲子，它並不具有我們稱之為“腦”的器官，它的神經元分散在全身各處，而不是集中於一個器官中。3它總共隻有300個神經元，這些神經元組成瞭它的神經係統。這聽起來很容易研究，我相信即使悲觀如帕斯卡，也不會對秀麗隱杆綫蟲（C. elegans，這是這種一毫米長的蟲子的學名）的森林感到恐懼。
　　圖2 秀麗隱杆綫蟲。4
　　這種蟲子的每一個神經元都有特定的位置和形態，並且被賦予瞭唯一的名稱。這些蟲子就像工廠流水綫上大規模生産齣來的一種精密機器：每隻蟲子的神經係統，都由一套相同的零件組成，其中的每個零件，總是按照同樣的方式組裝。
　　此外，這個標準化的神經係統的結構，已經被我們完全測繪齣來瞭。其結果就是圖3，看起來很像航空雜誌封底的航綫圖。每個神經元都有一個由四個字母組成的名稱，就像每個機場都有一個三個字母的名稱。那些綫段錶示神經元之間的連接，就像航綫圖中的綫段錶示城市之間的航路。如果兩個神經元之間，有一個叫作突觸的交會點，我們就說這兩個神經元是“有連接的”。通過突觸，一個神經元可以把信息傳遞給另一個神經元。
　　圖3 秀麗隱杆綫蟲的神經係統結構圖，或稱為“連接組”。5
　　工程師們都知道，要製造一個收音機，就要把電阻、電容、晶體管這些電子元件連接起來。類似地，要組建一個神經係統，就要通過神經元的那些縴細的枝條，把它們連接起來。因此，像圖3這樣的圖，最初被稱為“綫路圖”。而最近，我們提齣瞭一個新的術語，把它稱為“連接組”（connectome）。這個詞不再是受電子工程師的啓發，而是受基因組學的啓發。你可能聽說過，DNA是一個由分子組成的長鏈條，這個鏈條上的每個點叫作核苷酸。核苷酸有四種，分彆用字母A、C、G和T來錶示。而你的基因組（genome），就是你的DNA上這些核苷酸組成的全體序列，或者你可以把它看成由四種字母組成的一個很長的字符串。這個字符串總共有大約30億個字符，如果寫成一本書，將有100萬頁的厚度，6圖4為你展示其中一個小片段。
　　圖4 人類基因組的一個小片段。
　　同樣，一個連接組，就是一個神經係統中，各個神經之間的連接的全體。這個術語與基因組一樣，意味著全體。一個連接組不是一條連接，也不是很多連接，而是所有的連接。理論上來說，你的大腦也可以用一個綫路圖錶示齣來，就像那條蟲子一樣，但是你的大腦要復雜得多。那麼，你的連接組，能夠說齣什麼有趣的事情呢？
　　首先，它能夠說明一個道理——你是獨一無二的。你可能會說，你早就知道這一點，那是當然，不過要想搞清楚你的獨特性是由什麼導緻的，這曾經是驚人地睏難。你的連接組與我的連接組之間存在巨大的差異，這與那些蟲子的標準化連接組不同。從這個角度來說，每個人都是獨特的，但那些蟲子卻並不是。7（我無意冒犯蟲子們！）
　　參差多態，乃幸福本源。研究大腦的工作原理時，最讓我們感到有趣的就是，每個人的大腦運轉得竟然如此不同。為什麼我不能像那個外嚮的朋友一樣開朗？為什麼我的兒子讀書就是趕不上他的同學？為什麼我的小錶弟産生瞭幻聽？為什麼我媽媽失憶瞭？為什麼我的愛人（或者我自己）不那麼善解人意？
　　這本書會提齣一個簡單的理論：心靈與思維之不同，正是因為連接組之不同。有些報紙的標題常常暗含著這個理論，例如《孤獨癥患者的大腦與常人不同》。連接組也許還能解釋個性和智商，可能還有你的記憶。你的記憶是你身上最為獨特的部分，而它們也許就編碼在你的連接組裏。
　　雖然這個理論早已流傳瞭很長時間，但是神經科學傢們仍然不知道它是否正確，不過很顯然，這個理論的意義非常重大。如果它是對的，那麼治療精神障礙的根本方法就是修復連接組。事實上，一個人的任何改變，比如提高素質，少喝點酒，或者挽救一段婚姻，其實都是對連接組的改變。
　　再來看一個不同的理論：心靈與思維之不同，是因為基因組之不同。簡而言之就是，你的基因組使你成為你。現在這個時代，個人基因組測序已經不是什麼難事，再過不久，就可以便宜又快速地測齣我們自己的DNA序列。而且我們還知道，在精神障礙或者一些普通特質，比如個性和智商中，基因確實有其作用。那麼，既然對基因組的研究已經如此深入，為什麼還要研究連接組呢？
　　原因很簡單：單憑基因無法解釋大腦為什麼這樣工作。早在你蜷縮在母親的子宮裏的那一刻，你就已經擁有瞭你的整個基因組，可是在那時，你卻並沒有對於初吻的迴憶。你的記憶是在一生中不斷形成的，而不是先天就有的。有些人會彈奏鋼琴，有些人會騎自行車，這些都是後天學會的技能，而不是隨著基因而來的本能。
　　從你的母親受孕的那一刻起，你的基因組就已經固定瞭，8但與此不同，你的連接組在你的一生當中始終在改變。神經科學傢們指齣瞭這些基本的改變是如何發生的。首先，神經元會調整彼此之間的連接，使它們變得更強或弱，從而給這些連接重新賦予權重。其次，神經元還能創建新的突觸，或者去掉一個突觸，這樣它們就能重新連接，它們還能通過生長新的枝條或收迴原有的枝條來改變連綫的結構。最後，新的神經元會不斷地産生，舊的神經元會不斷地死去，這些會使連接發生重建。
　　我們還不知道你的生活經曆——比如你父母的離異，或者你傳奇的海外經曆——具體是如何改變你的連接組的。但是，有很多證據能夠錶明，這四個“重新”——重新賦權，重新連接，重綫連綫，重新建立——會受到你的經曆影響。與此同時，這四個重新也受基因的指揮。基因確實會影響心智，尤其是在幼年和童年，大腦開始建立連接的時候。
　　連接組是由先天的基因和後天的經曆共同塑造的，如果要解釋大腦如何運轉，就必須考慮到這兩種影響和作用。“連接組不同論”是兼容於“基因組不同論”的，隻是比後者更加豐富、更加復雜，因為它考慮到瞭你活在這個世界上的後天作用。相比來說，連接組理論不那麼具有命運色彩，因為它相信，我們的連接組可以由我們的行為和思維來塑造。大腦的連接結構，使我們成為我們，但反過來，我們也在影響大腦的連接結構。
　　這個理論總結起來就是：
　　你不隻是你的基因組，你是你的連接組。

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