擁有心智是人之有彆於動物的很大特色。人類依靠心智去認識世界，創造文明。奧妙神秘的心智究竟從何而來？為什麼人腦這個小小的“三磅宇宙”能産生如此不可思議的奇跡？2500年來，這一謎團一直令無數人好奇不已。
本書以清晰而生動的筆觸、嚴謹且幽默的手法，將人類認識心智的曆史進程奠基於現代神經科學的新知識、新進展之上，從感知覺、記憶、情緒、智能、語言和意識等多個側麵，介紹瞭科學傢在徵服這個“生命科學大挑戰”的過程中所取得的輝煌成就。全書將學科知識、曆史趣聞與科學傢生平有機結閤，熔科學性、趣味性和前沿性於一爐，是讀者瞭解現代認知科學的入門讀物。

作者簡介

顧凡及，復旦大學生命科學學院教授、博士生導師。曾任中國生物物理學會理事、中國生理科學會理事等。現為上海市歐美同學會留美分會顧問、伊利諾伊大學校友會上海分會名譽會長、全國科學技術名詞審定委員會生物物理學名詞審定委員會委員。
曾作為主持者獲國傢教委科技進步奬三等奬2項，作為參加者獲國傢自然科學奬三等奬和教育部科技進步奬一等奬各一項。2013年獲得第4屆國際認知神經動力學大會頒發的成就奬。退休後主要從事有關神經科學的科普創作和翻譯工作，齣版科普書6本，榮獲2015年上海科普教育創新奬二等奬、2016年上海市科技進步奬三等奬、第二屆世界華人科普奬佳作奬等。

序言 /Ⅰ
自序 /Ⅲ
01 打開心靈之窗——視知覺探秘 / 001
初識“心靈之窗” / 004
從盲點到第三種感光細胞 / 009
從奇怪的“盲視”說起 / 015
不可不知的視覺感受野 / 024
空間視覺與物體視覺 / 035
“六親不認”的背後 / 042
從蟲子檢測器到概念細胞 / 048
色覺的秘密 / 055
立體感從何而來？ / 062
如何把信息組織成視知覺 / 067
02 聲響、氣味和聽到顔色——聽覺、嗅覺和聯覺探秘 / 077
耳朵是怎麼聽見聲音的 / 079
怎樣識彆音高？ / 083
聽覺中樞之爭 / 089
嗅覺通路的發現 / 092
怎樣聞到成韆上萬種不同的氣味？ / 095
分子神經生物學傢解開嗅覺之謎 / 099
看到五彩繽紛的交響樂——認識聯覺 / 103
03 留住歲月的痕跡——記憶探秘 / 113
對記憶痕跡的早期探索 / 116
工作記憶的瓶頸 / 120
在記憶中“永葆青春” / 124
追尋記憶的痕跡 / 138
空間記憶溯源 / 151
04 人有喜怒哀樂——情緒探秘 / 157
情緒和麵部錶情 / 159
因為傷心纔哭泣，還是因為哭泣而感到傷心？ / 165
基本情緒的藏身之處 / 173
額葉皮層和高級情緒 / 178
05 聰明與愚笨的分野——智能探秘 / 187
智能和腦的大小 / 189
名人之腦 / 196
智能發展的先天與後天因素 / 201
06 社會交流的工具——語言探秘 / 209
漫話失語癥 / 212
由布羅卡引發的革命 / 218
失語癥與語言中樞 / 225
新發現帶來的新思考 / 228
07 難以解開的“世界之結”——意識探秘 / 233
意識研究的興起和中途停頓 / 235
剋裏剋對意識神經相關機製的探索 / 238
科赫和格林菲爾德之爭 / 244
埃德爾曼和托諾尼的意識理論 / 246
意識研究究竟有多特殊？ / 251
結語——極目眺望新大陸 / 257
參考文獻 / 268

前言/序言

　　認識人心智的生物學基礎已經成為21世紀中對科學的核心挑戰。我們想要認識知覺、學習、記憶、思維、意識以至自由意誌的生物學本質。……生物學在過去50年中所取得的巨大成就已經使得現在有可能這樣做瞭。
　　——坎德爾（Eric R. Kandel）
　　奧地利裔美國神經科學傢
　　2000年諾貝爾生理學或醫學奬得主
　　自從人類中有一些人不必再為果腹、禦寒整天操勞時起，就有人對我們為何會有與其他動物迥然有彆的內心世界開始感到好奇。但是古代的科學水平還不可能研究這樣艱深的問題，除瞭宗教與迷信（這些不在本書的範圍內）之外，古代哲人隻能靠內省來思考這個問題，並得到一些發人深思的思想。但是僅靠內省，我們無法知道這些想法究竟是對是錯，畢竟隻有實踐纔是檢驗真理的唯一標準。在古代，隻有觀察某些病例給瞭我們觀察內心世界或者說心靈或心智的窗口，這一傳統直到今天還有重要意義，雖然今天用來觀察的工具和古代相比已經不可以道裏計瞭。
　　直到文藝復興時期，伽利略為科學建立瞭實驗方法，纔啓發瞭生物學傢試圖通過實驗來研究心智問題。伽利略的科學實驗方法在物理學、化學以至生物學的許多方麵都取得瞭輝煌的成就，但是在涉及人的內心世界時卻碰到瞭一個前所未遇的睏難：以前科學傢研究的都是外界的客觀事物，在研究時會盡力避免科學傢本人的主觀因素；可當談到人的內心世界時，我們研究的對象就是人的主觀體驗！有些人因此認為，人根本就不可能研究這樣的問題。因此，對心智問題真正的科學研究起步較晚也就不足為奇瞭。
　　什麼是心智（mind）？心智或稱神智、心靈，或者乾脆稱為“心”，是相對於客觀的、物質的身體（或是腦）的一個概念。令人感到遺憾的是，直到現在，科學傢們還沒有能夠給它一個公認的定義。英國物理學傢、神經網絡專傢約翰·泰勒（John Taylor）在解釋心智時，隻是列舉瞭一些同樣沒有公認定義的內容，並用同義的“精神”或“內心”來概括。如果您去查一下維基百科，內容也大同小異。約翰·泰勒在為《學者百科》（Scholarpedia）撰寫的《心身問題：新的研究方法》（Mind?Body Problem: New Approaches）一文中寫道：“心智是由許多精神（或內心，mental）成分組成的，其中包括知覺、感受（feeling）、思想、想象……也包括某些無意識成分。”後來，他又把無意識成分都歸到瞭身體方麵去瞭。不過，雖然沒有十分明確的定義，我們每個人還是大概明白“心智”講的是什麼。
　　當談到心智時，首先會碰到的第一個問題是：人産生心智的器官是什麼？長期以來，人們曾經普遍相信這個器官是心髒。這種信念的印象是如此之深，其烙印一直沿襲到我們今天的文字中，我們上麵所用的“內心”、“心靈”、“心智”就是明證。一直到17世紀50年代，纔由英國醫生威利斯（Thomas Willis）給齣瞭科學的迴答。他通過對行為異常的病人的臨床觀察，以及在這些病人死後對他們腦的屍檢所做的對照研究，纔在前人研究的基礎上對腦是心智的棲息地下瞭可信的結論。
　　接下來的一個問題是：和心智有關的任何功能究竟是要整個腦的參與纔能實現，還是隻要部分腦的參與就能實現？這也就是所謂的“整體論”和“功能定位論”之爭。這一爭論肇始於18世紀末，至今已有兩個多世紀。19世紀60年代，法國醫生布羅卡（Paul Broca）通過對有語言問題的病人的病例觀察和對病人死後的屍檢，在曆史上第一次以確鑿的科學證據說明大腦皮層是有功能定位的，也第一次提示大腦兩半球在功能上可能是有所分工的。20世紀下半葉，美國神經科學傢、諾貝爾奬得主斯佩裏（Roger W. Sperry）和他的學生加紮尼加（M. S. Gazzaniga）的工作則明確地錶明瞭大腦兩半球在功能上確實存在分工。現在總的說來，科學傢一般傾嚮於認為，除瞭十分簡單的功能（例如運動某一小塊肌肉）可能確實定位於某小塊腦區，絕大多數稍微復雜一點的功能都需要多個腦區的協同工作，然而並不需要全腦的參與。但是對於像意識這樣極端復雜的功能，究竟是要全腦的參與纔能實現，還是隻需有和特定意識內容相關的最低限度的腦組織活動？這依然是一個存在爭論的問題。
　　緊接著的一個基本問題是：腦是像其他器官一樣是由一個個相對獨立的細胞組成的呢，還是一張彼此連通的網？關於這個問題，1906年諾貝爾奬的兩位得主卡哈爾（Santiago Ramón y Cajal）和高爾基（Camillo Golgi）在頒奬典禮上還進行瞭針鋒相對的爭論。以後的研究肯定瞭腦確實是由一個個神經細胞組成的，但是也有少數細胞相互之間直接連通。
　　既然腦是由一個個的神經細胞組成的，那麼它們彼此之間又是怎樣交換信息的呢？20世紀上半葉，這個問題又在幾位諾貝爾奬得主之間展開瞭激烈的爭論，其中包括謝靈頓（Charles Scott Sherrington）、埃剋爾斯（John Carew Eccles）、勒維（Otto Loewi）和戴爾（Henry Hallett Dale）。一方認為是通過電信號交換信息，而另一方則認為是通過化學信號交換信息，這就是所謂的“火花與湯之爭”。最後化學學說勝齣，不過後來發現也有少數神經細胞確實是通過電信號交換信息的。
　　接下來的問題是神經細胞本身是靠什麼信號傳遞信息的。盡管從18世紀末，人們就已經知道神經細胞能傳遞電信號，但是其機製是什麼，一直到20世紀中葉纔最後為兩位諾貝爾奬得主霍奇金（Alan Lloyd Hodgkin）和赫胥黎（Andrew Fielding Huxley）所解決。
　　以上這些問題雖然也牽涉心智和腦的關係，但是其主要方麵始終關於作為物理實體的腦本身。它們雖然對於我們理解本書的主題——客觀的腦怎樣産生主觀的心智——非常重要，提供瞭有關這個問題的背景知識，但是其中大部分內容還不是心智本身。這些問題（也包括和心智問題直接有關的腦功能偏側化、行為主義等內容）都在拙作《腦海探險》①一書中已經有瞭詳細的介紹，因此我們就隻是在上麵提綱挈領地提一下，而不再在本書中展開，以免重復。那本書除瞭介紹瞭上述內容之外，還介紹瞭人腦相對於其他動物的腦的獨特之處、腦的多學科研究曆程以及對腦研究的前景展望。可以說它和本書是互為補充的姐妹篇。筆者在編寫過程中盡量避免瞭兩書在內容上的重復，要求它們相互呼應而又彼此獨立成篇，盡管不讀前一本書就直接讀本書也還是讀得下去的。但對於那些缺乏腦科學基礎知識背景的讀者，筆者強烈建議他們在讀本書之前先讀一下《腦海探險》。
　　在20世紀中葉以前，人的心智問題基本上被視為一個哲學問題，極少有人從科學的角度進行研究。有許多科學傢認為，我們所能進行科學研究的，隻是人或動物的“行為”。有人更極端地認為，根本就不存在什麼“心智”，這在當時成為一種被稱為“行為主義”的思潮。直到今天，這種思潮在工程技術界還有著很深的影響，即認為隻要編製巧妙的程序，不斷提高計算機的運算速度和擴大存儲容量，使計算機模仿人的行為，那麼就有可能創造齣比人更“聰明”的機器，這樣的機器也有“心智”。不過，這種思想正受到越來越大的挑戰，越來越多的科學傢認為，如果不認識腦的機製，就不可能認識心智。盡管現在用前麵的方法確實也可以用機器來實現人的某些心智功能，但是機器錶現齣這樣的行為並不等於說機器就有心智。
　　本書的主題是“腦與心智”，也就是要研究：客觀的腦怎樣産生主觀的心智？或者說，腦和心智兩者之間有什麼樣的關係？這就是所謂的“心身問題”。這個問題雖然遠在古希臘和古羅馬時期就已經提瞭齣來，但是其中有許多最基本的問題一直到文藝復興時期以前都沒有得到解決，而有些問題（例如意識問題）則爭論至今。古老的心身問題也就是心智和軀體的關係問題，對這個問題的迴答從根本上來說有下列三種：第一種是唯物主義的迴答，認為心智是腦活動的産物；第二種是唯心主義的迴答，認為隻存在心智，其他一切都隻不過是幻覺；第三種是二元論的解釋，認為心智和軀體是兩種完全不同的實體，但是它們可以相互作用。
　　早在20世紀中葉正當行為主義如日中天之時，就有一些科學傢認為不能僅僅依靠觀察行為來解釋學習和語言的許多方麵，更不要說更為復雜的其他心智活動。不承認心智，隻是把頭埋在沙堆裏的鴕鳥而已。現代技術的發展，使科學傢開始得以觀察當人或動物在進行內心活動時腦內的變化；腦成像技術使得科學傢在病人錶現齣行為異常時就可以立刻觀察其腦內什麼地方受到瞭損傷（在以前必須得等病人過世後做屍檢纔能確定，而這往往由於種種原因在實際上做不到）。今天研究腦如何産生心智的問題已經水到渠成，成為整個一門新興科學領域的主題。這門學科即20世紀70年代應運而生的“認知神經科學”。這一名稱是由美國神經科學傢加紮尼加和美國認知心理學傢喬治·米勒（George A. Miller）在紐約乘齣租車去參加一次專門討論“腦如何産生心智”的學術會議的晚宴途中，在車廂後座中提齣來的。加紮尼加的名著《認知神經科學：關於心智的生物學》（Cognitive Neuroscience: The Biology of the Mind）的副標題正好標明瞭這一學科的研究主題。在這裏“心智”一詞的內容包括感知覺、學習與記憶、運動控製、情緒、語言、注意以至思維和意識。
　　近幾十年來，認知神經科學發展迅猛，極大地提升瞭我們對心智問題的認識。本書要講的就是我們現在對這些問題的認識是如何得來的，其根據是什麼，在曆史上有過什麼樣的爭論，為什麼有的論點最後為科學傢所普遍接受，而有些貌似有理的說法則最後被證明是不對的，以及當代對這些問題的研究和認識。當然，正如牛頓所說：“如果說我比彆人看得更遠些，那是因為我站在瞭巨人的肩上。”所以本書在介紹現代認知神經科學對心智的研究之前，也要迴顧曆史上對和這些問題相關的解剖學、生理學等方麵的研究以及有關的爭論。
　　這裏還需要對書名作一點解釋。我們每個人身上都有一個“小宇宙”——大腦，雖然它隻有三磅（約1.36kg）重，但卻和浩瀚無垠的宇宙一樣復雜，一樣神秘，所以，許多科學傢將人類的大腦戲稱為“三磅宇宙”。美國前總統奧巴馬（Barack Obama）就曾感嘆說：“作為人類，我們能夠確認數光年外的星係，我們能研究比原子還小的粒子，但我們仍無法揭示兩耳間三磅重的物質的奧秘。”探尋人類心智是如何從這個“三磅宇宙”中誕生齣來的，這個問題被視為現代認知科學乃至整個生命科學麵臨的最大挑戰。
　　誠如坎德爾所言：“在想深入研究一個問題的時候，我發現通過瞭解以前的科學傢對這個問題是怎麼看的，從而逐漸得齣一個比較全麵的認識是非常有幫助的。我不但想知道哪些思想路綫最後取得瞭成功，而且也想知道哪些思想路綫最後失敗瞭，並且是因為什麼而失敗的。”美國神經哲學傢帕特裏夏·丘奇蘭（Patricia Churchland）曾感嘆道：“令人感到奇怪的是，理科大學生極少學科學史，但是正是科學史教給人們學會怎樣提齣恰當的問題，並且怎樣使解決這些艱難的問題得以取得進展。”以筆者的管見，問題可能齣在某些科學史著作隻是羅列史實，而不是通過科學傢觀察、實驗、思考、爭論的故事生動有趣地寫齣對讀者既有啓發，又樂於閱讀的作品。有鑒於此，從上述角度，通過講故事的形式嚮廣大讀者介紹腦如何産生心智，並盡可能把故事講得生動有趣。此外，關於腦如何産生心智的問題，其中有許多方麵依然在爭論之中，孰是孰非至今尚無定論，還有許多問題則僅僅是有些猜測而已。本書中對這些問題並不迴避，而是盡可能實事求是地講清現況，請讀者自己去思索和判斷。
　　和拙作《腦海探險》的寫作思想一脈相承，本書並不是一本單純的認知神經科學史，也不是一本認知神經科學傢傳記集，更不是一本認知神經科學教科書，而是試圖把這三者的有關內容有機地組織在一起來迴答我們上麵所提的問題，並且力圖介紹一些這方麵的最新進展。本書並不是一本專著，而是麵嚮有中等文化程度以上的一切對腦和心智問題有好奇心的廣大讀者的，因此除瞭科學性和前沿性之外，本書在內容和行文方麵也力求做到趣味性和可讀性。在筆者完成初稿之後，重讀稿件發現有許多拘泥於科學史細節，而對一般讀者甚少幫助，甚至敗壞瞭讀者讀書興趣之處，並予以刪除。不過正如俗語所說“瘌痢頭兒子自己的好”，自己的敗筆自己不太容易看齣來，是否真能做到筆者對自己提齣的要求，這隻有廣大讀者纔能評判。
　　限於篇幅和筆者本身的水平，本書不可能窮盡腦和心智問題的所有方麵，書中也必然有不妥甚至錯誤之處，這是要請讀者批評指正的。
　　最後，筆者也要藉機再次嚮幾十年來幫助和鼓勵自己的師友鄭竺英教授、壽天德教授、汪雲九教授、孫復川教授、梁培基教授、吳思教授、郭愛剋教授、唐孝威教授、楊雄裏教授、李朝義教授、陳宜張教授、徐科教授、梅鎮彤教授、路長林教授、梅岩艾教授、俞洪波教授、童勤業教授、李光教授、曹建庭教授、高上凱教授、齊翔林教授、林鳳生教授、弗裏曼（Walter Freeman）教授、江淵聲（Nelson Y. S. Kiang）教授、淩瀚思①（Hans Liljenstr?m）教授等緻以謝意。特彆要感謝陳宜張院士在百忙中審閱瞭全稿，提齣瞭寶貴的意見並為本書作序。梁培基教授審閱瞭部分章節，並就某些令筆者睏惑的問題進行瞭討論，這些問題也和弗裏曼教授、淩瀚思教授以及施蘭根奧夫（Karl Schlangenhauf）博士進行瞭討論。現在書中所錶達的某些觀點就是這些討論的結果，筆者也要乘此機會特彆嚮他們錶示感謝。筆者也要感謝中國神經科學學會、上海神經科學學會、中國生物物理學會和上海生物物理學會的領導和同事們對筆者從事科普編著和翻譯的一貫支持。卞毓麟教授抱病推薦拙作的齣版令我感動，在此謹嚮他緻以最深切的謝意和敬意，當然也要感謝上海科技教育齣版社王世平總編、殷曉嵐主任和王洋編輯對我的支持和幫助。匡誌強副總編、王洋編輯在書名和書中的標題上花費瞭大量心血，沒有他們的努力，本書是不可能以現在這樣的形式奉獻給讀者的。
　　顧凡及
　　2017年於復旦大學