本文发表于《大众科学》的前博客网络，反映了作者的观点，不一定代表《大众科学》的观点
我之前的帖子暗示，考虑到科学家对大脑中的生理过程如何产生感知、记忆、情感、决策和思维的其他组成部分知之甚少，欧洲和美国的两项大型、雄心勃勃的脑图绘制计划可能为时过早。《人类基因组计划》是在研究人员破译了遗传密码后才开始的，但神经科学家离破解“神经代码”（大脑的操作系统）还很远。一位聪明的评论员指出，《大众科学》最近发表了一篇关于神经编码的文章，题为“单个脑细胞存储单个概念”，作者是罗德里戈·奎罗加、伊扎克·弗里德和克里斯托夫·科赫。我对奎罗加等人的研究很熟悉，并且很着迷。事实上，我在2005年为《发现》杂志撰写了一篇关于他们工作的文章，我将在下面重新刊登。这项研究提出的关于大脑如何产生思维的问题多于答案。但是，当我重读我的文章时，我想知道我是否也像我指责的一些神经科学家那样进行了炒作。
在加州大学洛杉矶分校大卫·格芬医学院的神经外科病房里，丹尼，一个身材矮壮的21岁大学生，穿着蓝色睡衣，留着稀疏的山羊胡子，坐在床上看着笔记本电脑屏幕上闪过的一张又一张照片。几位男子气概十足的电影明星快速连续出现，包括阿诺·施瓦辛格、史蒂文·西格尔、西尔维斯特·史泰龙和T先生，这位莫霍克发型的斗士在拳击电影《洛奇3》中扮演史泰龙的对手。
乍一看，人们可能会猜测丹尼是自愿参加好莱坞调查：谁是你最喜欢的动作英雄？但是，从他头上缠绕的白色头巾中伸出的黑色电缆暗示了他在调查一个深刻的科学问题中的角色：思想是如何在人脑中形成的？
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丹尼患有癫痫，他暂时将电极植入大脑以监测癫痫发作；理想情况下，电极将查明引发他癫痫发作的神经缺陷，以便可以通过手术切除。在电极留在丹尼大脑中的一周左右的时间里，他自愿参加旨在了解认知基础的实验。这种研究非常罕见；由于明显的伦理原因，神经科学家很少有机会从活人脑深处收集数据。
这项特殊的实验触及了神经科学中最具挑战性的难题之一：脑细胞如何识别像烤面包机、数字九、斑马、比尔·克林顿或电影角色洛奇这样复杂的项目？单个细胞是否像计算机中的晶体管或电视屏幕上的像素一样，仅贡献微小的信息片段，只有当与其他成千上万或数百万个其他细胞的输出组合时，才能形成意味着洛奇的复杂模式？或者单个神经元能否学会识别那张脸？
大多数神经科学家坚持神经元的像素观点，认为单个细胞不可能聪明到足以理解像洛奇这样微妙的概念；毕竟，世界上最快的超级计算机也很难执行这种模式识别壮举。但是，伊扎克·弗里德，这位将电极植入丹尼大脑并领导加州大学洛杉矶分校研究项目的神经外科医生，认为他在像丹尼这样的受试者的大脑中找到了“思考细胞”。如果他是对的，神经科学家可能不得不彻底修改他们对人脑工作方式的看法。
一个真正的思考细胞应该能够识别一个人或虚构人物，即使在许多不同的伪装下也能识别出来。丹尼是好莱坞动作英雄的忠实粉丝，尤其是洛奇；他拥有该系列所有四部电影的DVD，并且百看不厌。因此，在笔记本电脑屏幕上闪烁的图像中，研究团队 включены 了显示洛奇在费城街头奔跑、渴望地看着他的女朋友艾德里安或在击败他的俄罗斯对手后披着美国国旗的镜头。为了测试细胞的识别是否跨越感官模式，洛奇或某个其他名字有时会在笔记本电脑屏幕上拼写出来，或由一个怪异的合成声音说出来。
当丹尼盯着笔记本电脑时，信号从100多个超薄电极中流出，每个电极都足够灵敏，可以检测到单个细胞的低语——并进入从他头部伸出的电缆中。电缆将信号传送到房间另一端的装满放大器的柜子里。柜子顶部的计算机将丹尼细胞的读数显示为一系列在屏幕上展开的彩色线条。时不时地，一条线会向上猛地一跳，就像丹尼的某个细胞对图像或名字做出反应一样。负责本次研究的阿根廷神经科学家罗德里戈·奎安·奎罗加指着一个特别活跃的弯曲线条，低语道：“那是洛奇。”
现代大脑研究的绝大多数涉及磁共振成像、正电子发射断层扫描和脑电图等技术。所有这些技术都是从颅骨外部测量神经活动。用外部扫描仪弄清楚大脑如何工作就像用卫星研究云雾笼罩的星球上的生命。相比之下，植入电极就像落到行星表面的探测器。对猴子和其他大脑与我们相似的动物进行的电极研究已经产生了有价值的见解，但这些生物无法描述它们的主观感觉。
少数其他医院正在进行电极研究，这些研究是利用癫痫、帕金森病和其他神经系统疾病患者的临床治疗进行的。但加州理工学院的神经科学家克里斯托夫·科赫说，没有哪个研究项目在经验、复杂程度或已发表的成果方面能与加州大学洛杉矶分校的项目相媲美，科赫自1998年以来一直与加州大学洛杉矶分校的研究小组合作。“没有任何一种技术能够给你所有关于认知谜题的答案，”科赫说。“但这是一种非常非常好的技术，而且我们正在做得更好。”
弗里德，这个项目的干劲十足但和蔼可亲的总指挥，在1992年离开耶鲁大学后创立了这个项目。从那时起，他100多名因诊断目的而将电极植入大脑的癫痫患者自愿成为基础研究的受试者。从一开始，弗里德就保护他的患者及其隐私；这是他第一次允许记者观看他和他的团队工作。
弗里德在以色列出生和长大，他每年有几个月在特拉维夫的一家医院以及加州大学洛杉矶分校工作。他周日从以色列飞往洛杉矶，并在周一进行了三个小时的手术，在丹尼的头骨上钻了十个孔，并将电极插入他的大脑。第二天，弗里德穿着白色实验服，外面套着水蓝色手术服，大步走进挤满了研究人员的会议室，他们聚集在一起讨论丹尼的计划。团队成员包括两名从宾夕法尼亚大学飞来的本科生、几名来自加州大学洛杉矶分校和加州理工学院的研究生、几名博士后和两名医生。
弗里德迅速提供了患者的背景信息：他说，丹尼是一个聪明、友好的年轻人，他期待与研究团队合作，以此来“打破住院的沉闷”。“好了，让我们开始讨论实际问题，”他用他独特的以色列口音继续说道。他语速很快地询问研究人员他们的“范例”的进展情况。他更喜欢用“范例”这个词来代替“实验”，因为“实验”可能会让人觉得电极植入丹尼的大脑主要是为了研究而不是诊断目的。
讨论不断回到数据存储和分析的问题。几位研究人员要求升级用于存储数据的设备——微电极实验产生了TB级的数据——弗里德说他会看看他能做些什么。研究人员还收到了关于如何应对一个主要技术挑战的详细说明：患者大脑中的电极经常同时检测到来自两个或多个附近神经元的脉冲，这可能会在计算机中显示为一个大的信号。奎罗加编写了一个程序，可以对重叠的脉冲进行数学分解。这个过程称为聚类切割，原则上可以从数据中提取更多信息。但是奎罗加的一些同事仍在努力熟悉该团队称为“罗德里戈代码”的精细之处。
研究人员准备了足够多的研究，以防止丹尼感到无聊。其中一项研究要求他观看计算机生成的名人照片相互变形：T先生变成威尔·史密斯，史泰龙变成阿诺。目的是：看看为一个史泰龙亮起的细胞是否随着照片逐渐变形为阿诺而放慢速度，或者只是突然沉默。换句话说，面部识别细胞是像简单的开-关开关，还是可以像调光器一样工作？
另一个范例，称为X-Cab，旨在深入了解我们如何导航。十多年前，对大鼠和猴子进行的微电极研究揭示了当动物移动到迷宫中的特定地点时会亮起的地点细胞。先前版本的X-Cab（涉及驾驶虚拟出租车穿梭于网络城市）已经证实，人类也有地点细胞，以及对特定地标做出反应的视图细胞，以及对驾驶员的最终目的地做出反应的目标细胞。
加州大学洛杉矶分校的博士后阿恩·埃克斯特罗姆和研究生英德拉·维斯科塔斯已经为丹尼测试驾驶新版本的X-Cab程序做了准备，该程序允许驾驶员接送乘客。弗里德询问他们是否完成了他在范例中要求的更改。维斯科塔斯回答说：“几乎所有都完成了，”并补充说她和埃克斯特罗姆“恭敬地”不同意弗里德的一些要求，并希望与他讨论这些要求。
弗里德点点头。“还有其他问题吗？”他最后一次扫视房间问道。“如果没有，就开始工作。”
回到他的办公室，弗里德回忆起他是如何最终负责这个不寻常的项目的。他的榜样之一是怀尔德·彭菲尔德，这位加拿大外科医生在20世纪50年代和60年代对癫痫患者进行了开创性的手术。在取出患者的颅骨盖后，彭菲尔德用电线轻轻触碰他们大脑的不同部位，并询问他们的感受；由于大脑缺乏疼痛感受器，患者不需要麻醉。他们可能会报告感觉到左手食指刺痛、看到蓝色闪光、听到低沉的嗡嗡声。
这个程序不仅有助于指导彭菲尔德对每位患者的手术治疗；它还提供了大脑不同部位功能的线索。“这个人真的在研究人类思维，”弗里德说，“但同时他也在帮助一个人。”弗里德的方法比彭菲尔德的方法精细得多。弗里德通常在患者的头骨上钻十几个孔，并插入十几个空心宏电极，这些宏电极可以检测来自癫痫发作的大规模电波。
每个宏电极的末端突出多达十个柔性微电极，可以检测单个神经元的脉冲。患者的临床状况决定了宏电极的放置位置。在丹尼的案例中，测试表明他的癫痫发作起源于他的额叶，因此弗里德将大部分宏电极插入该区域。他在丹尼的海马体中嵌入了一个宏电极，海马体是支持记忆的微小区域，通常与癫痫发作有关。
弗里德强调，患者的临床健康和舒适优先于研究目标。即使是最精心计划的范例，如果患者感到无聊、疲倦、沮丧、头痛，或者只是想独处，也必须搁置一旁。弗里德仔细筛选未来的同事，以确保他们将他的患者视为人类，而不是实验动物。
“那些表现不好的人，”他说，“是强迫症动物生理学家，如果他无法控制所有变量，就会崩溃。”但弗里德也表示，他认为“有责任”利用这些难得的机会来更多地了解单个神经元的行为，他称神经元为认知的基石。
继彭菲尔德的榜样，弗里德偶尔会进行涉及用微小的电击刺激脑细胞的研究。1998年，他和三位同事发现，每当他们刺激一位女性患者大脑顶部的补充运动区时，她都会 burst into laughter。她的 hilarity 不仅仅是生理上的；这位女性感受到了“快乐或愉悦”的主观感觉。她表现出一种称为虚构综合征的症状——她为自己的 hilarity 编造理由，一度告诉研究人员，“你们这些人真有趣……站在这里。”
但弗里德的大多数发现，他已在《自然》、《神经元》和《美国国家科学院院刊》等顶级期刊上发表了十几篇以上的论文，涉及的不是电刺激神经元，而是被动地倾听患者在执行各种任务时神经元的喋喋不休。在一组实验中，弗里德、科赫和加州理工学院的研究生加布里埃尔·克里曼发现，当受试者看到图像（例如棒球或女性的面孔）以及当他闭上眼睛并在脑海中回忆图像时，细胞都会亮起。结果提供了迄今为止最令人信服的证据，证明人类的感知和想象力共享神经回路。
最受关注的实验是那些支持“思考细胞”存在的实验。自20世纪50年代以来，人们一直在争论这种细胞的可能性，当时研究人员在猫和其他动物的视觉皮层中发现了对简单刺激（例如，以特定角度定向或以特定方向移动的线条或特定波长的光）做出反应的单个神经元。一些理论家想知道单个神经元是否也可能对更复杂的刺激（例如特定的人）做出反应。
它们曾经被称为诺斯替细胞，以希腊语中的知识一词命名，在20世纪60年代后期被麻省理工学院的神经科学家杰瑞·莱特文称为祖母细胞。莱特文旨在嘲笑——如果不是驳斥——关于单个细胞可以专门用于识别家庭成员或其他在个人精神世界中占据重要地位的个人的推测。在一篇论文中，他开玩笑说，像菲利普·罗斯的小说《波特诺伊的怨诉》中的英雄波特诺伊这样的被母亲溺爱的神经质患者，可以通过清除他们大脑中所有的母亲细胞来治愈他们的恋母情结障碍。
许多神经科学家发现很难相信单个细胞可以识别无生命物体，更不用说人了。即使是像椅子、树木或建筑物这样简单的物体，也以几乎无限的形式出现，并且同一个物体从不同的角度或在不同的背景下看起来也不同。因此，当普林斯顿大学的查尔斯·格罗斯在20世纪70年代初对猴子进行的实验中发现对手和面孔有选择性反应的细胞时，神经科学家感到震惊——不是特定的面孔，而是普遍的面孔。
然而，直到20世纪90年代末，弗里德和他的同事开始报告癫痫患者对各种图像的反应时，才有人真正跟进格罗斯的发现。一些神经元显然足够聪明，可以理解高度抽象的概念“非人类动物”。当患者被展示老虎、鹰、羚羊和兔子的照片时，他们的神经元会放电，但当被展示人类或无生命物体的照片时则不会。其他细胞只喜欢食物、建筑物或人脸的图像。一些细胞对所有面孔都有反应，但另一些细胞很挑剔，对男性面孔而不是女性面孔放电，或者对皱眉的面孔而不是微笑的面孔放电——或者，最终，对特定个人的面孔放电。
其中第一个这种类型的神经元是所谓的比尔·克林顿细胞，它埋藏在一位女性患者的杏仁核深处。该细胞对前总统的三张非常不同的图像做出了反应：克林顿大笑的线条画；他的正式肖像画；以及他与其他政要合影的照片。当患者观看包括男性政治家和名人在内的其他人的图像时，该细胞保持静默。弗里德的研究小组在其他志愿者身上发现了以同样高度选择性的方式对演员（包括詹妮弗·安妮斯顿、布拉德·皮特和哈莉·贝瑞）做出反应的细胞。
名人在弗里德的实验中扮演突出角色的原因之一是，与患者自己亲戚的图像相比，他们的照片通常更容易获得。但是，作为她关于传记记忆的论文项目的一部分，加州大学洛杉矶分校的研究生维斯科塔斯多年来一直在向患者展示家庭成员的照片。维斯科塔斯不愿透露有关她的结果的细节，这些结果尚未发表。但她证实，她已经找到了对特定亲属做出反应的神经元：父亲、母亲、兄弟、姐妹、祖父和，是的，祖母。实验还发现了当患者看到自己的图像时会亮起的细胞。称它们为自恋细胞。
维斯科塔斯对过度解读这些结果或加州大学洛杉矶分校项目中的其他结果持谨慎态度。例如，她不认为它们支持祖母细胞假说的最极端版本，即细胞专门且永久地分配给一个人、地点或事物。她补充说，过去几十年表明，脑细胞是多功能的，或者说是“可塑的”，会根据新的经验改变它们的角色。加州大学洛杉矶分校的实验可能没有检测到长期记忆，而是所谓的 工作记忆，其中细胞暂时分配给代表祖母、詹妮弗、安妮斯顿或洛奇的工作，这仅仅是实验提供的刺激的结果。
科赫不太确定。他认为，我们的大脑将一些细胞专门用于我们经常思考的人或其他事物是有道理的。他说，加州大学洛杉矶分校实验的更大意义在于，神经科学家可能不得不改变他们对神经元作为简单开关、晶体管或像素的看法。每个神经元可能更像一台复杂的计算机，运行定制的软件。毕竟，单个神经元可以接收来自数十万个其他细胞的输入，其中一些细胞会抑制而不是鼓励神经元的放电。神经元反过来可能会鼓励或抑制其中一些相同细胞的放电，形成复杂的正反馈或负反馈回路。
思考细胞结果最让科赫兴奋的是，它们有可能阐明认知的基本组成部分。他说，我们对世界的理解要求我们忽略通过感官涌入的大量数据。当我们打开电视或回忆电影时，我们的大脑会以某种方式立即将原始感官数据压缩成有意义的概念和类别。科赫说，这种壮举至少部分可以通过代表的细胞来实现，这些细胞不仅代表这个或那个特定的洛奇图像，而且还代表“洛奇的柏拉图式理想”。
奎罗加指出，一位阿根廷同胞豪尔赫·路易斯·博尔赫斯的一篇短篇小说阐明了如果我们缺乏这种压缩能力会发生什么。“博尔赫斯记忆宫殿”讲述了一个青年的故事，他从马背上摔下来撞到头部后，变得有天赋，或者说是被诅咒，能够摄影式地回忆起每一分钟的经历。他被他感知到的无限性淹没，以至于退缩到一个黑暗的房间。“思考就是忘记差异，概括，抽象，”博尔赫斯写道。“在博尔赫斯过度充斥的世界里，只有细节。”与丹尼不同，博尔赫斯失去了感知洛奇的柏拉图式理想的能力。
在丹尼的病房里，沉重的哲学问题让位于更实际的考虑，例如将带滚轮的托盘正确地放在他的腿上。“我不是工程师，只是科学家，”奎罗加在努力搬动笨拙的托盘时歉意地说。在艾米丽·何（一位工程师）和团队的首席故障排除员的帮助下，他最终成功了。
当其他研究人员来来往往时，何仍然留在丹尼的房间里，操作放大器、计算机和其他设备。当丹尼的微丝的读数变得混乱时，何开始检查可能引起电气干扰的灯和其他电器。几分钟之内，她将问题追溯到丹尼用来使他的床升降的遥控器。在她拔下插头后，读数恢复正常。
房间里的气氛出奇地欢快。原因之一是丹尼的父亲比尔经常在场，他是一家地毯公司的老板。虽然实验期间保持沉默，以免丹尼分心，但在实验间隙，比尔会逗研究人员和他的儿子。有一次，何看着丹尼的神经元信号在计算机屏幕上滚动，告诉他他有“很棒的脑细胞”。
“你在开玩笑吧？”比尔惊呼。“他的脑细胞很糟糕！”
丹尼咧嘴一笑，后来当他父亲笨手笨脚地弄掉一个装中餐的泡沫塑料容器，把鸡块撒得满地都是时，他笑得更开心了。“谁的细胞糟糕？”丹尼咯咯地笑着说。
当被问及他和他的妻子为什么同意让他们的儿子参加这些研究时，比尔变得严肃起来。“这是一种责任，”比尔说。比尔指出，丹尼已经受益，因为在他之前的许多其他患者都自愿成为研究对象。将来，患有癫痫或其他脑部疾病的人可能会从加州大学洛杉矶分校团队从丹尼身上学到的东西中受益。
就丹尼而言，他说他喜欢和科学家们一起玩，做实验——“只要没有数学就行”。
图片来源：《大众科学》；丹·塞林格；多米尼克·贝恩斯（道具造型）。