想想你记得曾经见过的数百人。再加上那些你仅仅从电影、电视和照片中熟悉面孔的人——例如名人、政治家和其他知名人物。是否有可能，这些每个人，连同你从早期的相遇中可以轻松识别的成千上万的其他物体，都可以通过其自身的个人脑细胞捕捉在你的记忆中？
也许。最近，加州理工学院和加州大学洛杉矶分校的科学家在《自然》杂志上发表的一项研究表明，我们的大脑使用比以前认为的更少的细胞来解释任何给定的图像。例如，研究人员发现了一种“比尔·克林顿细胞”，它几乎只对这位前总统做出反应。另一个神经元只在演员哈莉·贝瑞出现时才会放电。
大脑究竟如何识别图像一直是一个争论的问题。存在两种截然不同的理论。其中一种理论认为，数百万个神经元协同工作以创建连贯的图像。另一种理论的极端版本认为，大脑为每个单独的物体和人包含一个单独的神经元。1967年，波兰神经生理学家耶日·科诺尔斯基描述了他的“认知神经元”理论——源自希腊语gnosis，意为“识别”。根据这一理论，一个或几个神经细胞的活动决定了某人是否想到他的老板、妻子或祖母。当时的麻省理工学院神经科学家杰罗姆·莱特文因此将这些神经元称为“祖母细胞”，这个名字就此流传开来。
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许多研究人员立即批评了这一理论：这种一对一的对应关系难道不会占用太多空间吗？二十年后，观点仍然大致相同。“很难认真对待祖母细胞理论，”神经生物学家和诺贝尔奖获得者大卫·休伯尔在1980年代评论道。
那时，甚至还不清楚如何着手探索意识的神经元基础的整个问题。当时，神经生理学家使用电极，设法追踪了猴子和猫大脑中单个神经元的活动。但是动物受试者无法与我们讨论他们的想法，这使得关于意识和感知的实验变得非常困难。由于将电极插入大脑的明显风险，尚未对人类进行类似的测试。
意外的志愿者
然而，近年来，意外地出现了一组人类志愿者：患有无法用药物治疗的癫痫症的患者。在1990年代初期，一些患者计划接受脑部手术，以切除大脑中负责癫痫发作的区域。有时，诸如脑电图和磁共振成像之类的技术无法足够精确地定位该区域。在这种情况下，神经外科医生可能会在大脑中植入多达10个细电极。这些精细的传感器日夜连续监测神经元活动，直到可以足够精确地定位癫痫发作区，然后由神经外科医生将其切除。
研究人员意识到，这种手术程序提供了一个独特的机会来研究单个细胞的活动。这一事实促使加州大学洛杉矶分校的神经外科医生伊扎克·弗里德（Itzhak Fried），作为当前研究的主要研究者之一，早在1992年就设计了一项研究，然后邀请其他无法治疗的癫痫患者参与这项基础神经研究。祖母细胞研究由英国莱斯特大学的生物工程师罗德里戈·基安·奎罗加（Rodrigo Quian Quiroga）担任首席实验员进行，非常简单。测试对象躺在床上观看照片，照片以一秒的间隔在计算机屏幕上闪烁。与此同时，奎罗加监测来自“连接的”神经元的电信号。
使用这种方法发现的首批认知神经元之一是比尔·克林顿细胞，它位于一位女性患者杏仁核深处——杏仁核是大脑中参与情绪的杏仁状区域。该神经元对克林顿的三张不同照片做出反应：一张素描、一张油画和一张与其他政治家的合影。当患者观看从乔治·华盛顿到乔治·H·W·布什的其他美国总统的照片时，该细胞保持沉默。
此后不久，弗里德的团队在内侧颞叶的其他患者中发现了类似的具有选择性的神经细胞，这些细胞对披头士乐队、电视卡通片《辛普森一家》以及一个仅在看到詹妮弗·安妮斯顿时才会被激活的神经元做出反应。在另一位测试对象中，右侧海马体中的一个神经细胞在哈莉·贝瑞出现在屏幕上时立即放电——即使她穿着猫女服装并且脸被遮住。显然，该细胞对她作为人的概念做出反应，而不仅仅是对她面部的看法：“哈莉·贝瑞”的字幕足以激活该神经元。
奎罗加和他的同事们对此着迷。他们推测，这些特殊的神经细胞对于识别过程至关重要。它们的位置在海马体、内嗅皮层、海马旁回和杏仁核中——所有这些结构都位于已知与长期记忆有关的内侧颞叶中。但是，我们如何想象一个能够代表像比尔·克林顿的身份这样复杂的事物的单个神经元呢？
加州理工学院的计算神经科学家克里斯托夫·科赫（Christof Koch）认为，从信息论的角度来看，这个问题不难回答。科赫也参与了这项研究，并且自1998年以来一直与弗里德的团队合作。在他的著作《意识的探索》（罗伯茨公司出版社，2004年）中，科赫用一个类比来说明了这个前提。当我们打开电视时，屏幕上会呈现给我们一个明确的——即直接的——分布在显示器上的彩色像素图案。然而，在这种图案中隐含地隐藏着特定的信息，例如关于比尔·克林顿面部的数据。
让我们假设一个机器人的任务是确定前总统的图像当前是否在屏幕上。它的电子大脑必须消耗巨大的计算资源才能从像素阵列中提取隐藏的信息。计算涉及多次迭代，每次迭代都会对类似克林顿的信息进行某种程度的筛选，并且每次迭代都涉及通过越来越小的筛选数据集进行越来越复杂的克林顿搜索。虽然初始数据量随着每个计算步骤而缩小，但“处理的逻辑深度”却稳步增加。最后，只剩下一小部分信息——一位比特——明确地指示克林顿是否在场：1（比尔）或0（不是比尔）。
根据科赫和他已故的同事兼朋友、诺贝尔奖获得者弗朗西斯·克里克（Francis Crick）提出的意识理论，我们的大脑以类似的方式运作。从它在视网膜上的最初印象到实际意识，克林顿的面孔会引发神经元活动的风暴。但是，虽然在较低的处理级别上涉及许多神经元组，但在随后的步骤中，这种活动仅限于越来越少的神经细胞。
“我并不是声称单个细胞代表了比尔·克林顿的全部神经元相关物，”科赫强调说。“单个神经元的放电信号太弱了。” 然而，他认为，一小群神经元的协同活动很可能足以将克林顿弹射到意识中。因为这些细胞仅编码克林顿的抽象概念，所以头部相对于图片的倾斜度或克林顿是否戴着滑雪帽对细胞的行为没有任何影响。如果我们摧毁所有这些细胞呢？那么，“看，那是比尔·克林顿”的感知就会变成“看，那个人看起来很眼熟，但我不太确定他是谁。”
借助植入的电极，奎罗加已经能够同时监测多达40个神经元——这个数字是1980年代的研究人员甚至不敢梦想的。然而，问题仍然存在，即从构成颞叶的数百万个神经元中找到特定的“詹妮弗·安妮斯顿细胞”的可能性是否无限小。科赫同意：“但是，我们推测存在许多专门用于熟悉的人或物体的细胞：我们的祖母、狗、我的笔记本电脑等等”——关于什么是熟悉的知识可以帮助指导正在寻找单个细胞的科学家。因此，研究人员在测试之前询问了每个测试对象他或她的兴趣。仅在那时，他们才选择了大约100张图像向该患者展示。
科赫和他的同事们提出的稀疏编码与关于人和事物如何在意识中被表示的传统概念根本不同。根据分布式表示理论，对于任何给定的人或物体，大脑中都会有大量且广泛分散的神经元组放电。每个单独的细胞仅贡献总数据的一小部分——这就是为什么如果丢失其中一些信息并不太重要。
此外，细胞组并非专门用于识别一张特定的面孔，而是参与识别大量的人。强大的神经元放电的特定模式是信号，表明正在识别谁。研究人员毫不怀疑，对于某些任务而言，大脑中的分布式表示是现实。科赫解释说，这种类型的处理是大脑如何识别新面孔的方式。
科赫与克里克一起，提出了关于有意识地感知到的现象的神经元相关性的理论。例如，在处理视觉信息时，可能彼此广泛分离的神经元组会联合起来，因为它们会同步放电。各种神经元联盟代表对特定事物或事件的替代解释。哪种解释占主导地位取决于我们的大脑最关注图像的哪些特征。
科赫推测，祖母细胞的功能不同。“由于高度专业化的细胞，我们可以立即在养老院的其他老年妇女的人群中认出自己的祖母，而无需三思而后行。”