大脑的工作方式

“你在实验室里见过的最奇怪、最无法解释的现象是什么?"我在 2007 年代表我哥哥威廉的全球健康基金会在阿斯彭组织的一次神经生物学会议休息时问了一位著名的神经科学家.

科学家在回答之前环顾四周，好像是为了确保没有其他人能听到. “好吧，"他几乎带着歉意地说，“我有时看到兴奋波以与任何已知轴突通路都不对应的模式缓慢地在大脑中传播."

我停下来思考我刚刚听到的内容.研究人员描述了一些不应该发生的事情，神经兴奋的长距离传输，不是通过轴突(相当于电子电路中的电线)，而是通过其他一些过程.我问，“你的意思是，通过体积传导传播?"

我得到的答案只是一个有趣的“谁知道?"耸耸肩.我正要问他为什么没有发表他的奇怪发现或进行进一步的研究，但当我意识到答案时我停下了自己的脚步:他不想被贴上自相矛盾的怪人标签而危及他的职业生涯确定了神经科学的“真相"，并且无论如何都不会得到资金去追求大脑中的长距离交流可能发生在轴突之外的古怪想法.

令人遗憾的事实是，在犹豫偏离神经科学正统道路的过程中，并非只有这位研究人员在犹豫.尽管许多神经生物学家(包括我自己)在他们职业生涯的某个阶段偶然发现了无法解释的现象，但很少有人因为担心这种追求会结束他们的职业生涯而追求他们的奇怪发现.尽管如此，多年来已经出现了大脑可能以“正常"神经科学未考虑的方式工作的迹象.以下是一些示例.

音量传导

传统观点认为，神经元通过以下两种方式之一相互传递信息:在连接一个神经元与另一个神经元的突触中释放神经递质，或通过跨“紧密连接"的离子电传导将不同神经元的膜结合在一起.此外，据信这种电激发的传播发生在单个神经元内，通过产生“分级电位"的膜离子电流在短距离内(例如在神经元细胞体内)和长距离内(例如脊髓中的主要神经束)通过全有或全无的“动作电位".

然而，我在阿斯彭的同事的研究结果表明，大脑内部可能有其他交流方式，这些方式源于将大脑视为单个神经细胞和非神经胶质细胞(例如神经绝缘体)的集合，而是，粗略地说，就像一桶凝胶状的盐水.在一桶咸果冻中，桶一个区域的电流源将不会通过树突或轴突扩散到桶的其他区域，而是通过三维离子(溶解盐)传导通道.电流的这种“体积"传播是我们称为 EEG(脑电图)的众所周知的医学诊断信号出现的原因.长期以来，科学家们一直认为，在头皮上接收到的 EEG 信号实际上并没有被大脑用来传输或处理信息，而只是反映头皮电极附近大量神经元活动的电“附带现象".

但是，如果我们的大脑实际上确实从体积传导的 EEG 类信号中提取信息呢?我们的大脑，至少在某种程度上，像他们自己的 EEG 机器一样工作，使得体积传导信号实际上对大脑意味着什么，而不是像人们普遍认为的那样是微不足道的伪影?

磁性信号

在我们讨论神经伪影和副现象时，我们不妨提出脑磁图 (MEG)，这是一种超导磁线圈感应大脑活动的磁性成分(所有电流都有相关磁场)的技术.

尽管 MEG 提供了比 EEG 更精确、更局部地表示头皮大脑活动的表示，但它们也被认为是附带现象，因为大脑实际上并没有传输和处理磁信息来完成它的工作.

但越来越多的证据表明，磁场本身确实在神经信息处理中发挥了作用.众所周知，鸟类等多种动物会利用地球磁场进行长距离导航，这可能是通过某些神经元中形成的铁化合物纳米晶体进行的.加州理工学院的 Shinsuke Shimojo 及其同事最近表明，人类大脑确实会直接对弱磁场做出反应，尽管人类并没有意识到这些反应.因此，与体积传导 EEG 信号一样，大脑内外产生的磁场变化可以被大脑用来创建、处理或检索信息.

量子力学效应

生物学家长期以来一直否认奇怪的量子力学效应的可能性，例如叠加(一个原子粒子可以同时在多个位置)和纠缠(改变一个原子粒子的状态瞬间改变另一个纠缠粒子的状态) ，即使其他粒子在数十亿英里之外)也不会出现在大脑或任何其他生物组织中.原因是活组织太“热和湿"，以至于无法以接近稳定、有用的方式发生超脆弱的量子效应.这就是为什么许多量子现象只能在超冷实验室环境中观察到.

然而，在某些类型的生物过程(例如植物的光合作用)中已经观察到了具有重要功能的量子力学效应，因此量子效应(例如纠缠或叠加)被用于大脑来处理、传输或回忆信息.

德国歌德大学的 Peter Jedlicka 指出，现在有充分的证据表明，通过光色素对量子光子的响应，在视网膜中产生神经信号中的“非平凡"(例如对产生可用的神经信息很重要)量子力学效应光，以及在嗅觉系统中，量子力学效应可能在气味辨别中发挥作用.Jedlicka 认为，由于视觉和嗅觉是神经过程，因此想象神经系统其他地方的“非平凡"量子效应并不过分.

终极讽刺

我相信，虽然我们并不真正了解大脑本身用来完成工作的所有物理学，但大多数神经科学家会认为体积传导、磁和量子现象是大脑功能的微不足道和不重要的副作用.而且，当然，这种怀疑可能是恰当的.但也可能是这样的情况，这些科学家和我们所有人一样，从认知偏见中形成这样的观点，导致我们——无意识地——只相信我们期望是真的和想要是真实的.

例如，很少有受过正规训练的神经生物学家期望“副业"(例如体积传导)实际上是“主要事件"，而且我相信更少希望这种凌乱的想法污染我们对大脑工作.如果像体积传导和量子效应这样奇怪的东西实际上被大脑以重要的方式使用，那么所有这些都是不幸的.这里所有讽刺的讽刺之处在于，阻碍我们最终理解大脑的最大障碍可能是寻求理解自己的大脑的偏见.