02 弗农·蒙卡斯尔的伟大构想

Vernon Mountcastle's Big Idea 弗农·蒙卡斯尔的伟大构想

《有意识的大脑》（The Mindful Brain）是一本薄薄的小书，只有一百页。它出版于1978年，收录了两位杰出科学家关于大脑的两篇论文。其中一篇出自约翰·霍普金斯大学的神经科学家弗农·蒙卡斯尔（Vernon Mountcastle），至今仍是关于大脑最具标志性和最重要的专论之一。蒙卡斯尔提出了一种思考大脑的方式——它优雅得如同伟大理论的标志——但同时又如此出人意料，以至于至今仍在神经科学界引发分歧。

我第一次读到《有意识的大脑》是在1982年。蒙卡斯尔的论文立刻对我产生了深远的影响。正如你将看到的，他的提议深刻地影响了我在本书中呈现的理论。

蒙卡斯尔的文字精确而博学，但读起来颇具挑战。他那篇论文的标题就不太吸引人——"大脑功能的组织原则：单元模块与分布式系统"。开头几行就很难理解；我把它们引用在这里，让你感受一下他的论文是什么风格：

"There can be little doubt of the dominating influence of the Darwinian revolution of the mid-nineteenth century upon concepts of the structure and function of the nervous system. The ideas of Spencer and Jackson and Sherrington and the many who followed them were rooted in the evolutionary theory that the brain develops in phylogeny by the successive addition of more cephalad parts."

蒙卡斯尔在这开头几句话中说的是：大脑在漫长的进化过程中，通过在旧脑区之上不断叠加新脑区而变大。较古老的部分控制更原始的行为，而较新的部分则创造更复杂的功能。这听起来应该很熟悉，因为我在上一章已经讨论过这个观点。

新皮层的独特扩张方式

然而，蒙卡斯尔接着指出：虽然大脑的大部分确实是通过在旧部分上叠加新部分而变大的，但新皮层（neocortex）占据我们大脑70%体积的方式并非如此。新皮层变大的方式是大量复制同一样东西：一个基本回路。想象你在观看一段大脑进化的视频。大脑一开始很小，一个新部件出现在一端，然后另一个部件叠加在上面，接着又一个部件附加在前面的部件之上。在某个时刻——数百万年前——一个我们现在称为新皮层的新部件出现了。新皮层起初很小，但随后不断增大，不是通过创造任何新东西，而是通过反复复制一个基本回路。随着新皮层的增长，它的面积越来越大，但厚度并不增加。蒙卡斯尔认为，虽然人类的新皮层比大鼠或狗的新皮层大得多，但它们都由相同的基本元素构成——我们只是拥有更多这种元素的副本。

蒙卡斯尔的论文让我想起查尔斯·达尔文的《物种起源》。达尔文担心他的进化论会引起轩然大波，所以在书中，他先用大量篇幅讨论动物界变异的密集而相对枯燥的材料，最后才在接近结尾时描述他的理论。即便如此，他也从未明确说进化适用于人类。当我读蒙卡斯尔的论文时，我有类似的感觉。他似乎知道自己的提议会遭到反对，所以在写作中格外谨慎和审慎。以下是蒙卡斯尔论文后面的第二段引文：

"Put shortly, there is nothing intrinsically motor about the motor cortex, nor sensory about the sensory cortex. Thus the elucidation of the mode of operation of the local modular circuit anywhere in the neocortex will be of great generalizing significance."

在这两句话中，蒙卡斯尔概括了他论文的核心观点：新皮层的每个部分都按照相同的原理运作。我们认为属于智能的所有东西——从视觉、触觉到语言、再到高级思维——在本质上都是相同的。

皮层区域的统一性

回想一下，新皮层被划分为数十个区域，每个区域执行不同的功能。如果你从外面看新皮层，你看不到这些区域之间的分界——没有任何标记，就像卫星图像不会显示国家之间的政治边界一样。如果你切开新皮层，你会看到复杂而精细的结构。然而，无论你切入皮层的哪个区域，细节看起来都很相似。负责视觉的皮层切片看起来像负责触觉的皮层切片，也像负责语言的皮层切片。

蒙卡斯尔提出，这些区域看起来相似的原因是它们都在做同样的事情。使它们不同的不是其内在功能，而是它们的连接对象。如果你把一个皮层区域连接到眼睛，你就得到视觉；如果把同一个皮层区域连接到耳朵，你就得到听觉；如果把区域连接到其他区域，你就得到更高级的思维，比如语言。蒙卡斯尔进而指出：如果我们能发现新皮层任何一个部分的基本功能，我们就能理解整个新皮层的工作方式。

与达尔文的类比

蒙卡斯尔的观点与达尔文发现进化论一样令人惊讶和深刻。达尔文提出了一种机制——如果你愿意的话，可以称之为一种算法——来解释生命令人难以置信的多样性。表面上看起来是许多不同的动物和植物、许多类型的生物，实际上都是同一个底层进化算法的不同表现。

而蒙卡斯尔提出的是：我们与智能相关联的所有东西，表面上看起来各不相同，实际上都是同一个底层皮层算法（cortical algorithm）的不同表现。我希望你能体会到蒙卡斯尔的提议是多么出人意料和具有革命性。达尔文提出生命的多样性源于一个基本算法；蒙卡斯尔提出智能的多样性同样源于一个基本算法。

像许多具有历史意义的事物一样，关于蒙卡斯尔是否是第一个提出这个观点的人存在一些争论。以我的经验，每个想法都至少有某些先例。但据我所知，蒙卡斯尔是第一个清晰而严谨地阐述通用皮层算法论证的人。

蒙卡斯尔和达尔文的提议有一个有趣的区别。达尔文知道算法是什么：进化基于随机变异和自然选择。然而，达尔文不知道这个算法在身体的哪里——直到多年后DNA被发现才揭晓。相比之下，蒙卡斯尔不知道皮层算法是什么，他不知道智能的原理是什么。但他确实知道这个算法存在于大脑的哪里。

皮层柱：智能的基本单元

那么，蒙卡斯尔认为皮层算法位于何处？他说新皮层的基本单元、智能的单元是皮层柱（cortical column）。从新皮层表面看，一个皮层柱占据大约一平方毫米的面积。它贯穿整个2.5毫米的厚度，体积约为2.5立方毫米。按照这个定义，人类新皮层中大约有150,000个皮层柱并排堆叠。你可以想象一个皮层柱就像一小段细意大利面。人类的新皮层就像150,000段短意大利面垂直地紧挨在一起。

皮层柱的宽度因物种和区域而异。例如，在小鼠和大鼠中，每根胡须对应一个皮层柱，这些柱的直径约为半毫米。在猫中，视觉柱的直径约为一毫米。我们关于人类大脑中柱的大小的数据并不多。为简单起见，我将继续把柱称为一平方毫米，这样我们每个人大约有150,000个皮层柱。虽然实际数字可能有所不同，但对我们的讨论来说不会有什么影响。

皮层柱在显微镜下是看不见的。除了少数例外，它们之间没有可见的边界。科学家知道它们存在，是因为一个柱中的所有细胞会对视网膜的同一部分或皮肤的同一块区域做出反应，而相邻柱中的细胞则会对视网膜或皮肤的不同部分做出反应。这种反应的分组就是定义柱的依据，在新皮层中随处可见。蒙卡斯尔指出，每个柱还进一步分为数百个微柱（minicolumn）。如果皮层柱像一根细意大利面，你可以把微柱想象成更细的丝——像一根根头发——在意大利面内部并排排列。每个微柱包含一百多个神经元，跨越所有层。与较大的皮层柱不同，微柱在物理上是独立的，通常可以在显微镜下看到。

蒙卡斯尔并不知道、也没有提出柱或微柱具体做什么。他只是提出每个柱都在做同样的事情，而微柱是其中一个重要的子组件。

总结与证据

让我们回顾一下。新皮层是一张大约餐巾大小的组织薄片。它被划分为数十个执行不同功能的区域。每个区域又被划分为数千个柱。每个柱由数百个发丝般的微柱组成，每个微柱包含一百多个细胞。蒙卡斯尔提出，在整个新皮层中，柱和微柱执行相同的功能：实现一个负责感知和智能各个方面的基本算法。

蒙卡斯尔基于几条证据线索提出了通用算法的假说。

争议与意义

还有更多证据支持蒙卡斯尔的提议。但尽管如此，他的观点在提出时就有争议，至今仍有一定争议。我认为有两个相关的原因。一是蒙卡斯尔不知道皮层柱具体做什么。他基于大量间接证据提出了一个惊人的主张，但他没有提出皮层柱如何能实际完成我们与智能相关联的所有事情。另一个原因是，他的提议的含义让一些人难以接受。例如，你可能很难接受视觉和语言在本质上是相同的——它们感觉起来并不一样。鉴于这些不确定性，一些科学家通过指出新皮层区域之间的差异来反驳蒙卡斯尔的提议。这些差异与相似性相比相对较小，但如果你专注于它们，你可以论证新皮层的不同区域并不相同。

蒙卡斯尔的提议在神经科学中如同圣杯一般矗立。无论一位神经科学家研究什么动物或大脑的哪个部分，在某处——无论是公开还是隐秘地——几乎所有神经科学家都想理解人类大脑如何工作。而这意味着理解新皮层如何工作。而这要求理解皮层柱做什么。归根结底，我们理解大脑的探索、理解智能的探索，归结为弄清楚皮层柱做什么以及它如何做到。皮层柱不是大脑的唯一谜题，也不是与新皮层相关的唯一谜题。但理解皮层柱是迄今为止这个拼图中最大、最重要的一块。

与蒙卡斯尔的会面

2005年，我受邀在约翰·霍普金斯大学做一场关于我们研究的报告。我谈到了我们理解新皮层的探索、我们如何接近这个问题，以及我们取得的进展。做完这样的报告后，演讲者通常会与个别教授会面。在这次行程中，我最后一次拜访的是弗农·蒙卡斯尔和他所在系的系主任。能见到这位在我一生中提供了如此多洞见和灵感的人，我感到非常荣幸。在我们交谈的某个时刻，蒙卡斯尔——他参加了我的讲座——说我应该来约翰·霍普金斯工作，他会为我安排一个职位。他的邀请出乎意料且不同寻常。由于我在加州的家庭和事业，我无法认真考虑这个提议，但我回想起1986年，当时我研究新皮层的提案被加州大学伯克利分校拒绝。如果是那时候收到这个邀请，我会多么迫不及待地接受。

离开前，我请蒙卡斯尔在我那本翻阅多次的《有意识的大脑》上签名。走出来的时候，我既高兴又难过。高兴的是见到了他本人，也松了一口气——他对我评价很高。难过的是我知道这可能是我最后一次见到他。即使我在探索中取得了成功，我也可能无法与他分享我所学到的东西、获得他的帮助和反馈。走向出租车的路上，我下定决心要完成他的使命。