04 从等级结构到神经元交响乐 科学家如何测量并解读大脑信号

让我感到惊讶的是，大多数人，包括很多神经科学家都乐意接受“中枢神经系统需要按照某种等级或次序进行组织”的观念。不知为什么，人类很喜欢这种刻板的、军事化的结构，并自然而然地认为“事情就应如此”。然而在我看来，大脑遵从某种等级的臆断更多是一种空论，而不是大自然真实运作的方式。难怪历史学家菲利普·保利（Philip Pauly）会在他的论文《大脑的政治结构：俾斯麦时代的大脑功能定位》（The Political Structure of the Brain: Cerebral Localization in Bismarckian Germany）中将局部论者的教条追溯至非常有秩序的源头。保利指出，发现运动皮层的希齐西和弗里施，都急切地借用他们喜爱的普鲁士的政府体制来比喻中枢神经系统的运作。

毫无疑问，对19世纪末、20世纪初创建这一领域的大多数神经科学家来说，等级化的大脑显然更合他们的心意，无论是单一神经元还是布洛德曼的52个皮层区域。除了观念之外，语言的局限性可能也是人类倾向于对大脑产生思想的方式进行归类和组织的原因之一。当然，给大脑中的东西命名也是19世纪的神经解剖学家得以名垂青史的最快捷路径。我在杜克大学的同事罗伯特·埃里克森坚持认为，由于我们总是搜寻合适的词来定义自然现象，包括大脑的行为和功能，因此，我们会在不知不觉中进行逻辑的跳跃，而每一个有关联且不连续的“词语功能”类别（埃里克森这样称呼它们），都应该由特定的脑区来表征。然而，正如我20多年的研究所发现的，大脑活动与重叠且广泛分布的神经回路有关，它们会发生跨时间的相互作用。单单是词汇或许还不能公正地体现大脑的功能，它比我们用来表情达意的许多词语具有更大的或然性。

第一条脑电图记录

第一位认识到思维分布式特性的科学家是查尔斯·谢林顿。他证明了基本的神经功能，比如脊髓反射需要依靠多种周围神经结构及中枢神经结构的合作。这一发现让他获得了1932年诺贝尔生理学或医学奖。谢林顿将这种神经合作定义为一个整合系统的运作，因此，他对今天被称为系统神经科学的创立发挥了推动作用。谢林顿不是一个只热衷实验室研究的人。在他的著作《人性》（Man on His Nature）中，谢林顿用诗一般的华丽文字描述了大脑的内在活动：“大脑正在醒来，它的心智正在回归，就像银河开始了宇宙之舞。它仿佛是一台被施了魔法的织布机，几百万个闪亮的梭子编织出令人倾倒且饱含深意的图案，尽管这些图案很快就会改变。这是一种变换中的和谐。”

谢林顿的系统神经科学重新促使人们开始运用分布策略来描述思维的生理机能。然而正如科学界经常发生的情况，科学家们缺少对大脑的整体性功能进行研究的技术，至少在谢林顿的研究成果享有盛誉的20世纪初是这样的。

1924年，事情开始发生改变。德国耶拿大学的一位医生汉斯·贝杰（Hans Berger）有了一个惊人的发现。贝杰曾与卓越的细胞结构学家奥斯卡·沃格特（Oskar Vogt）以及布洛德曼合作过。从第一次世界大战的战场上回来后，贝杰对不能将测量血液循环的方法用于大脑而感到懊恼，因为这样他就无法在神经活动与心理行为之间建立联系。于是他决定冒险尝试一个不同的方向：测量大脑的电信号。追溯到1875年，英国科学家理查德·卡顿（Richard Caton）曾记录了动物暴露在外的大脑皮层的电活动；而俄罗斯心理学家普拉维迪茨-纳明斯基（Prawidicz-Neminski）在第一次世界大战前曾记录过颅骨完好的狗的大脑皮层电活动。

贝杰决定对人类使用同样的技术。一开始，他尝试将银制电极插入头皮来记录电信号。但后来贝杰意识到，把电极连接到头皮上，同时连接一台电流计便可以读取大脑产生的微弱电位了。这让他的被试（包括他的儿子）大大松了一口气。贝杰记录了各种人的大脑活动，其中包括癫痫患者。他发现一系列统一的大脑节律与日常的行为相关。他的最初发现之一是α节律。这是一种每秒10个循环（或10赫兹）的振荡。当患者闭着眼睛静坐不动时，在他们的枕骨上可以记录到这种大脑电位。贝杰将他的方法命名为脑电图或EEG（见图4-1）。

微电极的协助

尽管发明了脑电图以及另一种方法——躯体感觉诱发电位（SEP），即测量感觉刺激触发的皮层电活动，但局部视角的传统依然没有被撼动。其代表人物是剑桥大学的劳德·阿德里安以及他的同事们。他们也掌握了一种记录电信号的技术，即记录单个神经元产生的动作电位的技术。他们选择的工具是微电极（见图4-2）。最传统的微电极由一根细细长长、没有弹性、顶端很尖的金属棒构成。除了它的尖端，整个微电极的杆部都被套在一种绝缘材料中，比如树脂、玻璃或塑料。大脑皮层暴露出来后，便可以将一个微电极放入大脑组织中，形成穿入轨迹。沿着这个轨迹，神经科学家便可以在微电极尖端放置的细胞外空隙中记录单个神经元的电活动。与硬脑膜连接的地线被用来提供电信号的参照点。由于神经元动作电位所产生的细胞外电压非常小（大约1毫伏），因此，为了记录某个特定神经元的活动，微电极发出的信号必须经过过滤和放大。

20世纪40年代末，这种方法的变形第一次使神经生理学家记录下了来自神经元细胞内间隙的电活动。这需要使用一种新型的微电极。这种新型的微电极由很细的玻璃吸管制成，管内充满了能够导电的电解溶液（例如氯化钾）。它的顶端尖锐，能够穿透某个神经元的细胞膜和细胞质，而不会造成很大伤害。这使得神经科学家能够准确测量神经元静止膜电位，即由存在于细胞外环境与细胞内空间之间的正离子流、负离子流以及离子浓度差异导致的微弱电压。

在之后10年中，细胞内的记录被用来描述大量的突触电流，这些电流不停地冲击着神经元的细胞膜，并导致了动作电位的产生。一旦被触发，动作电位会迅速地传导至神经元的轴突，并流经它的所有分支。这些分支可以使大脑回路中的突触与其他神经元联结。这就是某个神经元的放电影响与之相连的其他神经元的生理机能的方式。

很多有关突触电位及其在产生动作电位方面的作用的研究，是由谢林顿以前的学生、澳大利亚神经生理学家、诺贝尔生理学或医学奖获得者约翰·埃克尔斯（John Eccles）实施完成的。埃克尔斯充分利用细胞内记录的新方法，发现突触电位能够对神经元的膜电位发挥刺激性或抑制性的影响；发现刺激脊髓中发射向神经元的不同的周围神经纤维，能够产生突触电位。埃克尔斯还发现，如果这些突触影响的总和达到特定的电压临界值，那么脊髓神经元会予以回应，从而产生动作电位。

之后的20年里，神经科学家在他们心爱的微电极的协助下，采用阿德里安的实验方法，带着对主要感觉区域的热心投入，征服了各种各样的大脑结构。那个时代的主角之一是具有传奇色彩的美国神经科学家弗农·芒卡斯尔（Vernon Mountcastle）。他因为将微电极插入被麻醉的猫和猴子的初级躯体感觉皮层（S1）而闻名。在进行一系列艰苦的实验时，芒卡斯尔与他在约翰霍普金斯医学院的学生，用微电极穿过初级躯体感觉皮层的表面，连续记录了在他们将电极逐渐深入大脑组织的过程中单个神经元的触觉反应。这些实验被发表在1957年的《神经生理学杂志》（Journal of Neurophysiology）上。在每一次插入微电极的过程中，他们遇到的多数单个神经元都具有类似的生理特征，比如当同一块皮肤受到机械性刺激时，这些神经元都会放电。由此，芒卡斯尔为“躯体感觉皮层是由一系列功能柱，即垂直相连的细胞群组成的假设提供了生理学上的证据。他认为，功能柱是构成“皮层功能的基本单元”。

在他的经典论文中，芒卡斯尔坦承，这种垂直的皮层模块化组织之前已由知名西班牙神经解剖学家拉斐尔·罗伦特·德诺（Rafael Lorente de Nó）提出过。在20岁时，德诺开始了自己的职业生涯，他一上来便发起了与圣地亚哥·拉蒙-卡哈尔“大鼠的皮层组织与人类的皮层组织完全相同而且同样丰富”的科学论战。他向卡哈尔创办的一份杂志投稿，在文章中对卡哈尔提出的“大鼠的皮层组织与人类的皮层组织完全相同而且同样丰富”的观点提出了强烈反对。卡哈尔没有故意回避，而是发表了一篇回应文章，尽管这两位西班牙科学家之间的关系非常紧张。遗憾的是，芒卡斯尔煞费苦心的注脚被很多试图揭示哺乳类动物大脑皮层奥秘的科学家忽视了。

在完成生理学的使命上，芒卡斯尔并非孤军奋战。由大卫·休伯尔和托斯坦·维厄瑟尔组成的跨国搭档也在忙着记录被麻醉的猫的单个神经元，但他们记录的是视觉皮层（V1），而不是躯体感觉皮层。采用相同的系列抽样技术，休伯尔和维厄瑟尔显著地扩展了他们的导师——美国神经科学家斯蒂芬·库夫勒（Stephen Kuffler）的研究工作。库夫勒描绘了视网膜神经节细胞的感受野（RFs）。视网膜神经节细胞位于靠近视网膜表面的位置，它们基本上是圆形的。

当休伯尔和维厄瑟尔对单个视觉皮层神经元进行抽样时，他们发现，每个神经元主要对某个特定角度或方向的光束做出应答。如果光束向某个方向移动，其他视觉皮层神经元会做出更强烈的应答。休伯尔和维厄瑟尔通过穿入猫的视觉皮层中，辨别出一系列神经元的方向偏好，制做出了这些偏好的完整示意图。在示意图中，他们标注了很多皮层柱。当某个方向的光束射入眼睛时，位于皮层柱垂直方向上的神经元都会做出最大程度的应答，并产生类似的放电反应。休伯尔和维厄瑟尔的视觉皮层示意图为霍勒斯·巴洛（Horace Barlow）所捍卫的理论框架提供了重要的基石。霍勒斯·巴洛是剑桥大学三一学院的神经科学家，他是达尔文的曾孙。巴洛倡导的观点是，单个神经元的作用就像“特征检测器”，它会对复杂刺激中的特定成分做出应答。

微电极的局限性

从早在20世纪20年代劳德·阿德里安进行的单一神经元记录，到休伯尔和维厄瑟尔实施的突破性实验，再到20世纪80年代微电极技术发展至鼎盛时期，用于探索大脑如何产生知觉体验的基本实验方法并没有很大的发展。最初的研究者总是从外部观察者的视角来探究知觉，他们发出控制良好的单一刺激，并将刺激的目标设定为被试动物的某种外围受体（例如皮肤、视网膜、内耳或舌头）。实验者还负责测量由此激发的动物大脑的反应，并控制大脑的内在状态。这也是在大多数研究中动物都处于深度麻醉状态的原因，这样做方便控制实验条件。

这种实验方法使神经科学家倾向于得出大脑处于静止状态时的种种结论。这种方法缺乏历史数据，也不会专注于将外部物理刺激的固有信息分解成各个构成要素的特性，以破解这些信息。例如视觉刺激中各个部分的特征，包括方向、颜色和动态。还原论者的范式将任何合并大脑内部观点的可能性都去除了。任何一个单一刺激的简单实验都包含：

·　在遇到刺激时以及在刺激之前，大脑内部的动态状态、大脑产生的内在预期；

·　被试的进化史以及个体的知觉历史，它们是对大脑之前遇到的相似或不相似刺激的总结；

·　大脑的适应能力，这使它在遇到新奇的知觉体验时，能够改变反应方式；

·　与刺激相关的情感价值；

·　大脑产生的一系列动作，其中包括眼睛、手和头的动作，目的在于主动对刺激进行抽样。

与之相反，实验者专注于识别能够对原始刺激产生最大放电效应的神经元，而且秉持这样的观念：刺激的单一特征只会触发一个位于不连续皮层区域中特定而专门化的皮层神经元群。弗朗兹·加尔肯定会为下一代的局部论者感到骄傲。在很短的时间里，神经科学家便根据皮层神经元理论中的“特征抽取”能力，对其进行了分类。其中当然包括休伯尔和维厄瑟尔的视觉皮层神经元，它们专门检测不同方向的光束。同时，许多其他的神经元也会参与进来，它们的效应是逐渐递减的。

科学家在大脑皮层的视觉区域，而不是视觉皮层中，发现了检测颜色或运动的神经元。由此建立起了严格的视觉皮层等级。它起源于视觉皮层，并形成了不同的视觉加工流，即经过枕叶、顶叶和颞叶的背侧和腹侧通路。神经科学家认为，这两条加工流中的神经元的位置决定了它们在视觉加工中的作用，因此一开始就指明了哪里是背侧通路，哪里是腹侧通路。然而进一步的研究发现，这两条加工流之间存在着很大程度的互相串音。因此，今天的许多神经科学家都质疑这种结构划分的有效性。

神经科学家还提出，听觉系统、躯体感觉系统及运动系统中也存在着类似互相隔离的功能通路。然而，没有一种尝试能够与视觉系统中的结构相匹敌。生理学家通过探究顶叶、颞叶和枕叶，创立了这种结构体系，据说视觉皮层就位于这些脑区。

从20世纪80年代到90年代初，几乎没人有胆量反对加尔的后继者。系统神经科学家几乎在不知不觉间陷入了某种圈套，他们总是试图将所有神经元进行分类，用众所周知的，有时是拟人化的名称来为它们命名。

1969年，一种对熟悉的面孔（比如祖母的照片）会做出回应的神经元，被命名为“祖母神经元”。2005年，一个神经元的“名流”加入了平实的“祖母神经元”之列，那就是“哈莉·贝瑞神经元”。这种神经元会对“哈莉·贝瑞这个概念，这种抽象的存在”做出回应。加利福尼亚大学洛杉矶分校的神经科学家在一位男性患者的下颞叶皮层中发现了这种神经元。下一个“名流”神经元将首先出现在哪里呢？

乍看起来，当像你祖母或奥斯卡影后哈莉·贝瑞这种令人尊敬和喜爱的形象进入你的视野时，根据特征进行调整的单个神经元将发挥主要作用，这看起来是自然而然的事情。然而，这些名称只识别出了最佳视觉刺激，实验者可以利用它来让单个神经元达到最大放电效应；而其他一些被记录的神经元也会对其他视觉刺激做出应答，尽管强度有所降低。由于只专注于一种“高调的”刺激，神经科学家变得越来越固着于微电极所测量的目标——单个神经元。正如一流的美国神经生理学家、历史学家詹姆斯·麦基尔韦恩（James T. McIlwain）所说：“广泛采用微电极技术的研究都集中在了单个神经元的活动上，并专注于它们的个体特点在解释大脑诸多机能上的可能性……我个人可以证明这种观点的诱惑性。当你坐在昏暗的实验室里，将注意力都集中在监听器的声音上，探索着一个微小的视觉刺激在神经元感受野中引起的变化。你很容易忘记自己正在‘倾听’的神经元只是响应这个刺激的众多神经元中的一个。”

单一神经元特征检测器理论的支持者并没有直接的答案能回答马尔斯伯格的问题。他就好像在这个领域中打开了一个裂口，这个裂口与广义相对论和量子力学之间的差异非常类似。虽然马尔斯伯格这个不方便回答且十分尖锐的问题最初激怒了神经科学家们，但在此之后，大多数神经科学家又回到了旧技术、旧术语及原有思维上。

研究从单一神经元转向神经元群

从20世纪50年代早期开始，少数离经叛道的神经科学家尝试着对神经元群的活动进行取样。在这些早期的反对者中，最大胆的要属美国神经科学家、哲学家兼作家约翰·坎宁安·利利（John Cunningham Lilly）了。

1938年，利利在奖学金的资助下从加州理工学院毕业。之后他在宾夕法尼亚大学获得了医学学位，并接受了精神分析的训练。在第二次世界大战之后，利利来到位于马里兰州贝塞斯达（Bethesda）的美国国家卫生研究院，担任在当时显得很奇特的部门的首席科学家，这个部门就是皮层整合部。在国家卫生研究院的几年是利利投身探索非传统研究领域的开端。在接下来的50多年里，他涉足了一些不寻常的，通常也是具有很大争议性的研究，其中一些令人震惊。

利利一直对人类的意识非常感兴趣。1954年，他开始着手研究人类的大脑如何对没有感觉刺激的环境做出反应。在研究中，利利设计并广泛使用了一种设备，并将其命名为“感觉隔离舱”（sensory isolation tank）。利利和他的一位朋友爱德华·埃瓦茨（Edward Evarts）是最初的被试兼研究者。最初的研究后来被拍成了好莱坞电影《变形博士》（Altered States），由威廉·赫特（William Hurt）饰演变成怪物的科学家。

在研究中，利利和埃瓦茨轮流躺在感觉隔离舱里，舱内有缓慢流动的温热盐水。他们的身体被悬吊起来，头顶露出水面。他们头戴面具，这样可以进一步隔离感觉刺激。在水下，他们通过与面具相连的管子呼吸。为适应这种环境，他们进行了一些训练，之后便开始了实验。利利和埃瓦茨会独自待在感觉隔离舱里数小时，在此期间，他们会保持放松，尽量避免活动身体。在实验结束时，他们会报告对这段体验的感觉。利利用感觉隔离舱进行了10年实验，之后他将这个大胆的研究进行了扩展。在进入隔离舱之前，他会服用迷幻剂（LSD），有时他会独自身处舱中，有时和他非常喜欢的海豚一起待在里面。

利利在实验中使用迷幻剂及其他药物，并试着展示在人与海豚之间建立直接沟通的可能方式（这是他最离奇的想法之一）。这一切都使他与正统科学家之间的关系变得很紧张。由于这个原因，他的神经生理学研究即便不那么离经叛道、不那么具有革命性，也无法出现在神经科学的文献中。

自1949年开始，利利和一些合作者着手寻找记录大规模脑电活动的新方法，以及如何做到长期用电脉冲刺激脑区而不造成损伤。利利的目标是联合神经生理学和实验心理学，而当时这两门学科是完全割裂的。按照他的观点，除非这两个领域进行融合，否则就不可能“对非常短间隔内的中枢神经系统的电活动及行为做出准确的时间和空间描述”。他所做的第一步就是探索没有被麻醉的动物的大脑。

在利利所处的前计算机时代，要获得活体动物的数据，需要克服大量的技术瓶颈。在25通道电感受器的早期版本中，他把25个金属线电极穿入连成一串的25个玻璃管中，然后排成5×5的阵列，每个电极之间相隔2毫米。每根玻璃管都被嵌入了有机玻璃的圆筒中，圆筒又被安装在不锈钢桶里。不锈钢桶被放置在动物头盖骨上钻出的小洞里，洞的直径大约为1.9厘米。在实验期间，动物被放在一个隔音的箱子里，而这个箱子被放在一间有金属罩的房间里，目的是减少动物接收到的干扰刺激以及源于动物大脑之外的电磁“噪音”，包括收音机广播。为了进一步减少噪音，利利在玻璃管中倒满盐溶液，并轻轻地把它们放在大脑皮层表面。当不锈钢桶和电极安装好后，每一根电极线都被连接到一台有25个通道的前置放大器上。这些前置放大器获得的输出通过一根长长的电缆传递到金属罩房间之外的25台放大器上。一位在美国国家卫生研究院工作多年的科学家曾告诉我，这些放大器是当时国家卫生研究院的全部储备。

利利肯定在干一件大事。

通过过滤和放大这25个通道获得的数据，利利记录了某个电极获取的电位与整个阵列获取的平均电位之间的差异。这种设计可以使实验者将阵列中所有电极共同的信号从单个电极的记录中删减掉，也可以将相关的局部脑电活动与每个传感器隔离开。这种差别化记录的技术创新，直至今日仍被用来从活体动物的神经生理记录中去除运动伪影（movement artifact）及其他强烈的生物信号。

利利的洞见与创造性在这个系统中达到了最高峰。这一系统用25通道电感受器捕捉并记录了大脑活动的时间与空间波。在没有计算机或其他大型数据存储设备的条件下，利利将25台放大器的输出连接到由辉光管组成的正方形阵列上，辉光管的阵列也像大脑皮层表面的电极阵列一样，被安排成5×5的模式。在这套不可思议的设备中，电极所产生的不同电信号会调节相应辉光管发出的光线强度，使它或高于或低于平均值。因此，如果某个电极发出的电信号是负值（相对于整个阵列的评价电位），辉光管会变亮；相反，如果某个电极发出的电信号是正值，辉光管就会变暗。采用这种方法，利利便可以观察到与脑电活动的时间空间模式相应的时空光波。这里记录的是当被试动物完成某种动作、受到某种听觉刺激，或者只是在睡着后醒来时，它们的大脑皮层表面某个点的脑电活动。通过这种只有人类才能建立起来的无边无际、永恒的连接，待在与世隔绝的马里兰州的一个实验室里的约翰·利利成了第一位一窥神经元模式的绽放、蔓延及消逝的动态过程的神经科学家。这些神经模式是短暂的，很快会消逝，它们就像是被施了魔法的大脑织布机精心编织出来的。这种过程很像以前谢林顿爵士的想象。

似乎这一切还不够神奇。为了产出皮层活动的复杂时空模式的永久记录，利利采用贝尔–霍威尔公司（Bell and Howell）生产的、16毫米70G高速电影摄像机连续拍摄了辉光管阵列的发光模式。在描述这种方法的一篇论文中，利利隐晦地提到，摄像机发出了很大的“嗒嗒”声，他不得不在离动物所在的房间尽量远的地方安置摄像机，以避免噪音干扰它们制作“大脑电影”。后来，利利设计了一种方法，可以将“大脑电影”的单个画面转化为真实的木雕，将大脑的动态以固态的形式呈现出来。

在早些时候，利利借助被麻醉的猫进行了实验，主要目的是对电极阵列和整套的记录设备进行检验。利利在领先的神经生理学杂志上发表了一系列文章，分享他的研究发现。在此期间，他还引入了长期刺激大脑的新方法，那就是采用不会伤及组织、电荷平衡的双相电脉冲。这种技术至今有时仍被称为“利利波”。

后来，利利对清醒的动物——活动的猴子，进行了实验。猴子的头被记录设备限制着，不能乱动，但它们可以自由活动上下肢或者注意到感觉刺激，例如滴答声。不幸的是，很少有人知道他在研究中获得的这些结果。在某篇文章中，利利简要描述了他精心设计的一项实验——在一只成年猕猴的大部分皮层中植入了惊人的610个电极。由于设备的极限是记录25个电极的数据，因此他从来没能做到同时收集这610个传感器记录的大脑活动。

在生命的最后几年，利利也许还不知道（或不在意）自己为这个领域带来的变革，但这些实验已经深深地刻在他的生命里。在回忆隔离舱里度过的时间时，利利写下了他在第一次服用迷幻剂进行实验的过程中的感受。他感到好像在自己的大脑中航行，看到自己的神经元在放电。在美国国家卫生研究院制作关于大脑的电影的漫漫长夜，在利利的脑海中留下了难以磨灭的记忆。

20世纪60年代，曾在隔离舱研究中与利利合作的爱德华·埃瓦茨，引入了他自己记录非人类灵长类动物的大脑活动的方法。他的方法后来成为灵长类动物神经生理学研究的黄金准则。这种方法专注于记录猴子在完成特定行为任务时大脑中单个神经元的反应。大多数我们已知的灵长类动物的单一皮层神经元及皮层下神经元的生理特性，便是利用这种方法或这种方法的变形收集的。它的成功是毋庸置疑的。然而，如果没有多电极阵列，神经生理学家便无法弄清大脑回路中的神经元群在现实生活中是如何运作的，而这会造成一些不可忽视的局限性。

正如我们看到的，对于开创者来说，直到最近，神经科学家还在用单个微电极记录单个神经元。他们将微电极沿着某个皮层或皮层下结构的纵深方向慢慢移动，将单个神经元的电活动记录下来。一次记录一个，按照顺序依次进行。在传统版本的实验设置中，单个神经元的记录开始于动物的行为训练结束时。到记录神经元的活动时，动物已经接受了大量实验者感兴趣的任务的训练。这导致了问题的混淆，也就是说，微电极所记录的单个神经元的放电特征也许与动物接受的训练任务存在相关性。因此，实验者无法分辨这些发现究竟反映的是这些神经元的内在生理特性，还是仅仅在描述这些具有高度适应性的神经元已经依据任务的显著特征而调整了放电活动的事实。在某些情况下，神经生理学实验似乎已经变成了同义反复的练习。在连续几个月紧张的行为训练及辛苦地分析神经元放电模式之后，实验者通常会非常兴奋地报告，他们能够识别出其活动与任务的一些主要特征存在一一对应关系的神经元了。鉴于这些行为任务通常是被研究动物每天进行的最相关的活动，因此实验者的发现一点儿也不新奇。

更困难的问题在于如何确认这些神经元的放电模式是否与任务存在着因果关系。在埃瓦茨的实验范式中，研究重点也常常被放在了对单一大脑结构中的神经元活动进行抽样上。由于实验研究所面临的技术局限，因此，谢林顿整合脑的观念再一次被切割成许许多多的部分以及微观构成，而不是作为一个完整复杂的神经回路来表达它的丰富性。

然而，几乎没有人会相信，在探索大脑方面还有打破这种传统的其他方式。

多电极记录的“呼唤”

大约是1987年的一个下午，实验进行得不算顺利，我在休息间隙浏览着刚从圣保罗市中心我最喜欢的一家书店购买的一本书。这本书的作者是牛津大学萨维尔天文学讲席教授约瑟夫·西尔克（Joseph Silk），书名为《宇宙大爆炸：宇宙的创造与演化》（The Big Bang: The Creation and Evolution of the Universe）。我心不在焉地一页页翻看着，突然一幅插图吸引了我的注意。那幅图描绘的是由一台长达1英里（约1.61千米）的射电望远镜所捕捉到的无线电波源（见图4-3）。这台射电望远镜由英国某地一些被调为同步的小型射电望远镜共同构成。在图中，X轴和Y轴代表二维空间，Z轴上的山峰代表了无线电波源的大小（要注意，图中无法直接看到这3个坐标轴）。这幅图所对应的装置识别出了宇宙中一部分无线电星系及类星体的位置。我越看这幅图越觉得，对大脑活动的研究也可以采用同样的方法。

受到西尔克这本书的启发，我想到了一个主意：在给定大脑回路的多个位置植入若干“传感器”，从而产生三维的神经生理学图像。如果第四个维度代表时间，且也可以被加入图中，那么我便可以发明一种监控、测量以及呈现活动中的动物脑电活动的全新方法。

几周之后，我鼓起勇气跟我的导师艾瑞尔博士谈起了这个想法。他花了很长时间来审视我画的草图，并仔细阅读了我对新实验方法的概括描述——从大脑自己的视角来观察大脑的运作。

“我认为你完成毕业论文的时机已到，走吧，去国外。”他的结论简短而直接。

“我做错什么了吗？”我不敢相信他的反应。

“一点错都没有。你只是已经为离开做好准备了。我，或者巴西的任何一个人都无法帮助你实现你想做的事情。”

我发出了50封申请信。10个月后的一天下午，我看着蔡平发来的欢迎信陷入沉思。在信里，我发现了很多吸引人的内容。其中一个是详细的研究计划，由美国国家卫生研究院的基金资助，目的是创造一种新的神经生理学研究方法。这种方法可能在某一天会产出我所设想的大脑时空图。这个计划充满独创性，而且很大胆，包含了一些我在任何一篇科学论文中都没有读到过的技术创新。蔡平的目的是将神经科学从记录单个神经元转向一种新技术。这种技术能够监测单个神经元群，一次监测数周，乃至数月。在接下来的5年中，他会去寻找神经科学的“圣杯”。

乍看起来，这个计划的每一步似乎都几近疯狂，不可能实现。例如，蔡平不打算采用神经生理学家使用了近50年的坚硬的金属微电极，而提出要利用新型的记录传感器。那是一个阵列或线束，包含8根或16根像头发一样具有柔韧性的不锈钢微传线阵列。为了绝缘，每根微传线，除了线的顶端，都会被涂上薄薄一层聚四氟乙烯。当把它植入大脑后，蔡平相信这套设施能让我们同时监控十几个神经元，既可以监控处于麻醉中的大鼠，也可以监控自由活动的大鼠。为了实现这一壮举，微传线阵列或线束必须被植入特定的大脑结构中，比如大鼠的躯体感觉皮层。这是一个要求非常高的神经外科操作，且与当时的常规做法相反，整个记录设备会被长期植入动物的大脑中。

蔡平相信，利用没有尖锐顶端的柔韧微传线，这两个问题都可以解决，至少可以缓解（见图4-4）。他猜想，由于微传线阵列顶端暴露出来的面积比较大，炎性反应就不会完全阻塞整个顶端的表面。与之相反，经过两周之后，炎性沉积物实际上有可能改善记录的质量，因为它将低电阻的电极变成了高电阻的电极。

在蔡平的外科移植中，微传线阵列会被轻轻推入大脑组织中，这样它们暴露的并不尖锐的顶端便会停留在神经元的细胞外空间中。这种设计使得多个放大器可以连续记录许多单个神经元所产生的动作电位。在这项提议中，蔡平暗示，必须发明一个全新的硬件，以处理实验中数量大得惊人的数据。他还意识到，为了理解被记录下来的数据，必须开发各种新的分析技术。

蔡平将他的初步发现写在博士论文中，并且成功发表。基于这些发现，他注意到大鼠会很快从这种神经外科操作过程中恢复过来。事实上，在植入微传线阵列后，这些大鼠继续过着正常的生活。当它们恢复日常生活，在实验室里做着正常大鼠通常会做的事情，包括完成精心设计的行为任务时，蔡平便可以记录它们的脑活动了。

读着美国国家卫生研究院的批准函，我很快意识到，如果蔡平打算做的实验真的成功了，那么它必然会对神经生理学领域产生巨大的影响。有史以来第一次，人类有了通向最神秘莫测的大脑研究的科学路线图。在大脑中，分散在各处的神经元群所产生的电风暴汇聚成了思维之流。然而想要到达那里是非常困难的，也许是不可能的。不过这是一次值得尝试的旅行，充满了冒险。

1989年，我以博士后的身份来到了费城哈内曼恩大学。在那里，作为多电极记录的最新实习者，我加入了蔡平正痴迷于其中的研究项目，那是一个平凡得多的挑战——我们俩都迫切地想知道，大鼠到底是怎么躲过猫的。