肖静宁:泛脑网络学说与认识论

选择字号:   本文共阅读 1908 次 更新时间:2009-06-14 11:40:15

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肖静宁 (进入专栏)  

  

  对于大脑这块处女地的开垦、耕耘、收获,是揭示包括认识在内的人类精神活动的奥秘的必要条件与基础。通过对脑的总体理论模式现代转变的勾画,不难看出,哲学认识论与脑科学的相互结合与渗透是不可避免的。

  回顾历史,随着近代实验科学的兴起和摆脱了神学的羁绊而以自然科学为基础的近代机械唯物主义哲学的形成,才真正开始了人类对大脑的认识。在从18世纪到20世纪的二百余年中,科学家就已经在直接的科学材料的基础上展开了对脑的总体认识,从而产生了定位论与反射论这样两种理论模式。它们对于大脑本身认识的深入和认识论的发展,都有重要的意义。定位论确立了大脑的结构与功能紧密相关的观点。反射论在神经元学说(西班牙学者Cojal于1909年提出)建立后获得了充分的发展。巴甫洛夫在探索脑的高级功能方面写下了划时代的篇章。他创立了条件反射研究方法与条件反射学说以及第二信号系统学说。这些科学成就给马克思主义哲学反映论提供了当时水平的自然科学基础。

  20世纪中期以来,脑研究突破了传统的由神经解剖学、组织学及神经生理学分别研究结构与功能的单打一的局面,首先在医学与生物学范围内出现了高度综合的神经生物学,从各个角度,在各个水平上,并采用各种新的技术手段,从宏观到微观把结构与功能紧密结合起来,开辟了众多新的研究领域。接踵而来的新情况是,脑的综合研究又在不断超越生物学与医学的范围。当触及意识、精神等脑的高级功能时,也就迫切需要吸收其他学科的语言、概念、技术、手段,特别是一般系统科学的方法论,这样就与人工智能科学、思维认识科学、理论物理学等在一定程度上交汇融合,形成更高层次、更大范围的新的综合。中国医学科学院解剖学教授万选才,根据国际上脑科学的新进展,结合自己的实验研究成果,以独创的新见解,在第二届世界神经科学会议(布达佩斯,1987.8)上首次提出了脑的总体理论的新模式:“泛脑网络论”——“综合全层次的信息网络系统”,或称“泛脑层次网络论”、“泛脑网络学说”1。这一理论模式与苏联神经心理学家鲁利亚(A.R.Luria)在20世纪70年代创立的脑的三个机能系统学说2是相吻合的。鲁利亚从机能系统这一概念出发,对心理、行为产生的脑基础做了高度的概括。他主要从神经心理学、临床神经学角度总结了大脑生理学、细胞构筑学方面的成果,把脑分为三个基本机能系统;而复杂的心理活动是脑的三个机能系统协同作用的结果。万选才则注重从整体与系统角度对神经生物学在微观领域内关于神经网络研究的进展做了理论概括,提出了新的理论模式。

  科学家认识到神经网络的结构已有多年。随着研究手段的进步,脑科学在各个水平上对脑内神经回路网络的研究有了新的突破,对各种不限于神经元与神经元之间关系的各个层次的“泛脑关系”有了深入揭示,等等。只是在这以后,万选才站在理论思维的高度,从科学事实出发,才提出了“网络论”或全层次的“泛脑网络学说”的新理论。其核心就是把脑的功能活动——信息加工建立在神经网络的基础上,对于先前认识到的神经网络则赋予全层次、泛脑关系的新内涵。

  泛脑网络学说是继历史上的定位说与反射论之后出现的脑的理论模式,它代表着对脑认识的深化和现代水平。我曾在《脑科学的发展与哲学反映论》3一文中涉足过此理论模式,还有必要从认识论角度对它再做一些较为深入的分析。

  

  一、泛脑网络系统的特征

  

  泛脑网络学说把脑看成一个综合全层次的信息加工系统——泛脑网络系统。下面试从三个方面分析其结构功能特征:

  第一,泛脑网络理论模式从多元关系中重新考察了经典的神经元学说,提出了“泛脑关系(pan-brain relations)”、“泛脑层次(pan-brain levels)”、“泛脑网络(pan-brain networks)”的新认识,突出了泛脑网络系统非线性联系的特点,使传统的线性反射论根本改观。

  经典的神经元学说只发现神经元与神经元之间的联结,只看到它们之间突触联系的极有限的三种通常的方式(轴突—树突、轴突—胞体、轴突一轴突),因而无法表明脑的庞大的三维网络是如何组成的。由于多种标记技术对神经元联系的追踪,特别是电子显微镜突触学的建立,使人们对突触的认识大大深化。不仅两相邻神经元的胞体、树突、轴突三部分任何两部分均可形成突触,而且同一神经元还可形成自身突触;此外在脑的某些部位,还有一些诸如连续的和复合的突触排列、并列的突触排列以及由于它们之间的难以限定的交互与混存的关系而构成各种突触系列。对突触排列的揭示及其基本功能的描述,是神经生物学超微结构研究的主要领域。研究表明:这种多样化的突触联系组成了极其错综复杂的微回路。估计整个脑内传递信息的突触点达到1014-15个的天文学数字。因此,仅就神经元与神经元的关系而言,就已突破了线性联系的格局。

  不仅如此,新近还发现脑内神经元与非神经元之间的各种微妙关系,过去长期被忽视的脑内非神经元成分正日益受到重视。例如神经胶质细胞,数量远远超过神经元,其总体积达脑的一半。神经胶质细胞与神经元的关系,绝非命名者在19世纪提出的由神经胶质细胞将神经元粘合在一起的简单关系。现在认为神经胶质细胞有许多突出的功能,与神经元存在着复杂的相互联系与相互作用,对神经系统的整合功能与信息传递有重要的影响,应当如实地把它看成代谢活跃、机能复杂的脑的必需成分,从而彻底改变其灰姑娘的地位4。又如日本学者在1975年创立了“旁神经元”这个新词,来称呼那些不是典型的神经元,而是神经元的亲属,具有神经分泌样和/或突触囊泡样颗粒的一大族细胞,它们与神经元具有密切的结构与功能联系5。此外,在脑室周围成分中有一些特别活跃的伸展细胞与神经元和脑脊液有着特殊的功能联系;还发现脑内有不少神经元伸出突起直接与脑脊液接触,把递质、调质送人脑脊液内,影响脑的功能。如此等等。

  所有这些都表明,脑内并非只存在神经元与神经元的关系,还存在着复杂的神经元与非神经元、神经元与旁神经元、神经元与脑内其他结构的种种过去不知道的联系方式。新的概念——泛脑关系(pan-brain relations,pan-表示“全”、“总”、“万”、“泛”)可以恰当地概括这种新的图景。建立在这种泛脑关系上的全面的、多层次的、非线性的神经网络系统组成了庞大的泛脑网络体系。泛脑网络体系是一个具有高度可塑性的开放系统,以经验为函数,可以有效地改变其输人—输出的关系,改变其内部对信息的收集、解释、综合与调控,从而构成人的情绪、行为、学习、记忆、思维、意识的基础。

  第二,泛脑网络论模式强调脑是综合全层次的信息网络系统,突出了脑的信息加工的整体性与层次性。

  在线性反射论模式下,巴甫洛夫与谢灵顿分别从宏观方面对大脑皮层与脊髓的反射活动进行了卓有成效的研究,但却形成了这最高与最低两级中枢之间的巨大断层。随着电生理学、微电极技术的发展与立体定位仪的应用,对皮层下中枢的研究出现了蓬勃发展的时代,不断加深对脑干网状结构、大脑边缘系统、丘脑、基底神经节的认识。利用各种精密的标记技术把动态与静态的研究结合起来,对皮层与皮层下各种结构相互之间以及各自内部的细胞构筑与网络联系愈来愈清楚了。关于各种微回路、巨回路、双向往返径路、横向联合纤维及各种反馈装置的证实,都从根本上改变了传统神经解剖学的单向线性联系的概念。这就为从整体上把握脑的综合全层次的信息加工活动提供了根据。

  脑是物质的,又是进化的,在机体与环境相互作用的漫长演化历程中,神经系统经历了最为剧烈的变化,继承了各个进化阶段的成果,形成了层次清晰的系统结构。人类的大脑受到自然与社会发展的双重洗礼,深深地打下劳动、语言的烙印。获得爆炸性增长的大脑皮层占了脑的总体积的90%以上,而把进化历史上的古老部分挤到脑的底层、边界和深部。就大脑皮层而言,功能明确的定位区只占1/4,具有多种高级功能的联络区竟占3/4,其中又以前额叶最引人注目。

  从微观到宏观,从低级到高级,可将综合全层次的泛脑网络系统概括为以下各个层次:分子,亚细胞,细胞构筑(功能柱),微回路,巨回路,一系列等级递阶的结构——脊髓,脑干(延髓、桥脑、中脑、网状结构),间脑(丘脑、丘脑下部),小脑,大脑(基底神结节、边缘叶、大脑皮层定位区、大脑皮层联络区)。它们与机体其他器官系统共同组成生理整体,在此基础上是绽开各种心理智慧活动的心理整体,并与环境(自然、社会)发生相互作用。也就是说脑网络是由范围和复杂性逐渐增大而又不可分割的各种等级的功能单位所组成。拿系统论观点来看,就是在一个巨系统之下分成各种亚系统和诸多要素,一个巨系统的功能绝不是各部分的简单叠加。

  综合全层次的信息网络系统是一个不可分割的整体,但不同层次、不同等级有不同的功能特征。正如美国神经生理学家麦克林(P.D. Maclean)根据大量生理学、心理学的材料,并结合种系发展与细胞构筑方面的研究所指出的,脑的低级而古老的部位(如边缘系统)在意识水平下工作,提供了个体生存与种族延续等本能活动以及情绪、情感等非理性活动的基础,单就这个层次的活动而言,人类与灵长类动物非常接近;而在进化上出现最晚、发展最快、联系更复杂的大脑皮层,特别是联络区,对于思维意识、策划预见等目的性智能活动至关重要,即一切使人成为人的东西都是高层次网络系统的功能表现。必须强调的是,泛脑网络系统高层次与低层次的活动是紧密配合、协调一致的。低级部位受到高级部位的多种离中控制;低层次为高层次活动提供条件和基础。例如,脑干网状结构是进化上的古老部分,结构简单,大小不过是小指的一节,但对于具有140亿神经元的广大的大脑皮层的觉醒状态的维持是一个十分关键的结构,起着控制大脑皮层意识水平总闸门的作用;而网状结构的活动又受到大脑皮层有效的反馈调节。又如边缘系统是主管情绪、本能活动的部位,令人瞩目的边缘系统中“愉快中枢”、“痛苦中枢”的发现,对情绪的两极性的合理解释提供了根据,而两个中枢的活动的极强的驱动力有时会给人的理性行为带来难以控制的影响。

  整个脑的活动具有高度的整合作用,从神经元水平的整合到整体的整合都是以泛脑网络系统不同层次的活动为基础的,低层次的整合活动又为高层次的整合活动提供基础。就脑的信息输入而言,特异性与非特异性投射系统相辅相成共同负责感觉的产生;就脑的信息输出而言,锥体系与锥体外系相辅相成共同负责运动指令的输出;就脑的信息加工编码而言,电信号系统与化学信号系统相辅相成共同负责庞大泛脑网络体系的动力学过程;就左右两半球的专门化活动而言,通过胼胝体等的川流不息的信息交换,使两半球的逻辑思维与形象思维有机地结合起来。

  最近,为纪念美国生理学会成立100周年,该会前任主席U.E.Morgan发表署名文章明确指出,“不管用什么技术或在哪一个层次进行研究,生理学家都应持整合的而不是还原论者的观点”;并强调“在系统水平工作的生理学家必须充分了解细胞和分子水平的进展,而研究分子机制的生理学家也应把自己的资料综合到系统功能原型中去理解”。6总之,对脑的认识不能只靠对脑的基本单元的不断微观化来达到,还要利用系统论的方法从宏观的、弄清各部分的相互关系出发研究系统和整体的效应。综合全层次的信息网络系统为不同水平、不同层次的实验研究成果的总结提供了可靠的理论框架。

  第三,泛脑网络论模式突出了泛脑网络系统双重信息编码的多元化,表明脑的基本神经过程不是单一的兴奋或抑制,而是多因素、多环节、多状态的动力学过程。

  与神经系统能在瞬间同时完成各种不同的神经信息的传递、调制和整合相适应,脑网络具有非常精密的信息编码方式。关于脑内信息编码问题,在线性反射论模式的时代,众多杰出的科学家开始创立并在日后蓬勃发展起来的电生理学、微电极技术,对生物电信息编码系统的精密实验分析及理论假说均具有里程碑的意义。研究表明:由神经元膜控制下的离子活动产生的定向传播的“全或无”式的动作电位是信息编码的基本方式。这就是通过遍布全身的各类感受器将各种刺激能量转变为统一的生物电信号,并以动作电位的频率编码来反映客观外界的参数。神经元不论其形态、大小、部位,也不论是简单的反射或复杂的整合活动,统统使用同样的电信号。因此,当时也就认为基本神经过程只是单一的兴奋或抑制。但是,随着研究方法的突破和新的科学事实的积累,(点击此处阅读下一页)

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