“我是誰？“
基因組的不同，決定了一個人與其他千千萬萬人在生理特征上的差異。然而，基因隻是一種出廠設定，離開母腹的“我”是如何變成今天的樣子？“我”的思想、“我”的行為，到底由什麼來決定？
神經科學家認為，答案就在人腦神經元的所有連接配接之中。
本文節選自《神奇的連接配接組》（人民郵電出版社，2022年9月版）引言，有删減，标題為編輯所加。
撰文 | Sebastian Seung
翻譯 | 孫天齊
圖靈新知
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4篇原創内容
公衆号
任何路，任何足迹，都不曾越過這片森林。隻有纖長而柔美的枝條，生生不息地，以令人窒息的樣子，占領着這片森林的一切空間。它們彼此糾纏，其間的縫隙之狹窄，讓陽光也望而卻步。曾有約1000億顆種子同時被播下，長出這片黑暗森林，而所有的樹木，又注定将在一朝赴死。
這是一片宏偉的森林，是喜劇的森林，也是悲劇的森林。這片森林包含很多，有時我想，這片森林是一切。所有的小說和所有的交響樂，所有殘忍的謀殺和所有仁慈的善舉，所有的愛情和所有的争執，所有的幽默和所有的憂傷，都來自這片森林。
你可能會訝異，這片森林存在于直徑不及1英尺（約30.48厘米）的空間裡。地球上有70多億片這樣的森林，你正是其中之一的主人，它就生長在你的顱骨裡。我所說的樹木，是一種特殊的細胞，叫作神經元。神經科學的目标，就是去探索它們那些奇異的枝條，征服這片心靈叢林（見圖1）。
圖1 心靈叢林—大腦皮層上的神經元。
通過卡米洛·高爾基（Camillo Golgi，1843—1926）的方法染色，由聖地亞哥·拉蒙·卡哈爾（Santiago Ramón y Cajal，1852—1934）繪圖
神經科學家們聽到了它們的話語，即大腦中的電信号。他們用精準的圖畫和照片，揭示了神經元的形态。可是，僅憑一些零散的樹，如何了解這整片森林？
17世紀，法國哲學家和數學家布萊士·帕斯卡（Blaise Pascal）這樣形容宇宙的廣袤：
讓一個人抛開眼前卑微的事物，望望整個自然界的偉大和莊嚴。讓他看那熾燃的大光，像一盞永恒的明燈照耀着世界。讓他看到地球，再讓他知道，相比于太陽的大圓，地球隻是一個點。讓他驚訝，太陽的大圓，在天穹上那些星宿看來，也是一個微小的點。
這些想法使帕斯卡感到震撼，感到自己的渺小，他承認“永恒的沉寂和無限的空間”使他恐懼。他思考的是外面的空間，然而我們隻需要想想“思考”本身，便能感受到和他一樣的恐懼。每個人的顱骨當中，都坐落着一個宏偉的器官，這個器官，恐怕亦是無限複雜。
作為一名神經科學家，我切身地了解帕斯卡的恐懼。與此同時，我還體會到某種尴尬。有時我面向公衆，講述我們領域的進展，每次這樣的演講之後，我都會被大量的問題轟炸：是什麼導緻了抑郁症和精神分裂症？愛因斯坦和貝多芬的大腦有什麼特殊之處？怎麼才能讓我的孩子學習更好？
對于這樣的問題，我無法給出令人滿意的答案，于是聽衆的臉色就變了。我很不好意思，最後隻能向聽衆道歉：“對不起，你們以為我當教授是因為我知道所有的答案；但實際上，我當教授恰恰是因為我知道我有多麼無知。”
研究一個像大腦這麼複雜的東西，看起來幾乎是徒勞。大腦裡面有上千億個神經元，它們就像很多不同種類、形态各異的樹。隻有最富決心的探險家，才敢走進這樣的森林去看一看，但他們走進去之後，卻隻能看到一點，而且看不清。
毫無疑問，大腦仍是一個謎。且不說我的聽衆所好奇的大腦的疾病和特殊優勢，哪怕是最平凡的問題，我們現在也很難解釋。我們每天都要回憶過去，感覺當下，想象未來，大腦是怎麼做到這些的？我敢明确地說，沒有人真正知道。
鑒于人類大腦的複雜性，有些神經科學家轉而去研究一些神經元特别少的動物。比如圖2中的蟲子，它并不具有我們稱為腦的器官，它的神經元分散在全身各處，而不是集中于一個器官中。它總共隻有302個神經元，這些神經元組成了它的神經系統。這聽起來很容易研究，我相信即使悲觀如帕斯卡，也不會對秀麗隐杆線蟲（C. elegans，這是這種約1毫米長的蟲子的學名）的“森林”感到恐懼。
圖2 秀麗隐杆線蟲
這種蟲子的每一個神經元都有特定的位置和形态，并且被賦予了唯一的名稱。這種蟲子就像工廠流水線上大規模生産出來的一種精密機器：每隻蟲子的神經系統，都由一套相同的零件組成，其中的每個零件，總是按照同樣的方式組裝。
此外，這個标準化的神經系統的結構，已經被我們完全測繪出來了。其結果就是圖3，看起來很像航空雜志封底的航線圖。每個神經元都有一個由四個字母組成的名稱，就像每個機場都有一個三個字母的代碼。
那些線段表示神經元之間的連接配接，就像航線圖中的線段表示城市之間的航路。如果兩個神經元之間有一個叫作突觸的交會點，我們就說這兩個神經元是“有連接配接的”。通過突觸，一個神經元可以把資訊傳遞給另一個神經元。
圖3 秀麗隐杆線蟲的神經系統結構圖，
或稱為連接配接組
工程師們都知道，要制造一台收音機，就要把電阻、電容、半導體這些電子元件連接配接起來。類似地，要組建一個神經系統，就要通過神經元的那些纖細的枝條，把它們連接配接起來。
是以，像圖3這樣的圖，最初被稱為線路圖。而最近，我們提出了一個新的術語：連接配接組（connectome）。這個詞不再是受電子工程師的啟發，而是受基因組學的啟發。你可能聽說過，DNA（脫氧核糖核酸）是一個由分子組成的長鍊條，這個鍊條上的每個點叫作核苷酸。核苷酸有四種，分别用字母A、C、G和T來表示。
而你的基因組（genome），就是你的DNA上這些核苷酸組成的全體序列，或者你可以把它看成由四種字母組成的一個很長的字元串。這個字元串總共有大約30億個字元，如果寫成一本書，将有100萬頁的厚度，圖4展示了其中一個小片段。
圖4 人類基因組的一個小片段
同樣，一個連接配接組，就是一個神經系統中，各個神經之間的連接配接的全體。這個術語與基因組一樣，意味着全體。一個連接配接組不是一條連接配接，也不是很多連接配接，而是所有的連接配接。從理論上來說，你的大腦也可以用一個線路圖表示出來，就像那條蟲子一樣，但是你的大腦要複雜得多。那麼，你的連接配接組，能夠說出什麼有趣的事情呢？
首先，它能夠說明一個道理——你是獨一無二的。你可能會說，你早就知道這一點（那是當然），不過在以前，要想搞清楚你的獨特性是由什麼帶來的，存在驚人的困難。你的連接配接組與我的連接配接組之間存在巨大的差異，這與那些蟲子的标準化連接配接組不同。從這個角度來說，每個人都是獨特的，但那些蟲子并不是。（我無意冒犯蟲子們！）
參差多态，乃是幸福本源。研究大腦的工作原理時，最讓我們感到有趣的就是，每個人的大腦運轉得竟然如此不同。為什麼我不能像那個外向的朋友一樣開朗？為什麼我的兒子讀書就是趕不上他的同學？為什麼我的小表弟産生了幻聽？為什麼我媽媽失憶了？為什麼我的夫妻（或者我自己）不那麼善解人意？
心靈與思維之不同，正是因為連接配接組之不同。有些報紙的标題常常暗含着這個理論，例如《孤獨症患者的大腦與常人不同》。連接配接組也許還能解釋個性和智商，可能還有你的記憶。你的記憶是你身上最為獨特的部分，而它們也許就編碼在你的連接配接組裡。
雖然這個理論已流傳了很長時間，但是神經科學家們仍然不知道它是否正确，不過很顯然，這個理論的意義非常重大。如果它是對的，那麼治療精神障礙的根本方法就是修複連接配接組。事實上，一個人的任何改變，比如提高素質、減少喝酒，或者挽救一段婚姻，其實都是對連接配接組的改變。
再來看一個不同的理論：心靈與思維之不同，是因為基因組之不同。簡而言之，你的基因組使你成為你。現在這個時代，個人基因組測序已經不是什麼難事，再過不久，就可以便宜又快速地測出我們自己的DNA序列。而且我們還知道，在精神障礙或者一些常見特質，比如個性和智商中，基因确實有其作用。那麼，既然對基因組的研究已經如此深入，為什麼還要研究連接配接組呢？
原因很簡單：單憑基因無法解釋大腦為什麼這樣工作。早在蜷縮在母親子宮裡的那一刻，你就已經擁有了你的整個基因組，可是在那時，你并沒有對于初吻的回憶。你的記憶是在一生中不斷形成的，而不是先天就有的。有些人會彈奏鋼琴，有些人會騎自行車，這些都是後天學會的技能，而不是随着基因而來的本能。
從你的母親受孕的那一刻起，你的基因組就已經固定了，但與此不同，你的連接配接組在你的一生當中始終在改變。神經科學家們指出了這些基本的改變是如何發生的。
首先，神經元會調整彼此之間的連接配接，使它們變得更強或更弱，進而給這些連接配接重新賦予權重。其次，神經元還能建立新的突觸，或者去掉一個突觸，這樣它們就能重新連接配接，它們還能通過生長新的枝條或收回原有的枝條來改變連線的結構。最後，新的神經元會不斷地産生，舊的神經元會不斷地死去，這些會使連接配接發生重建。
我們還不知道你的生活經曆——比如你父母的離異，或者你傳奇的海外經曆——具體是如何改變你的連接配接組的。但是，有很多證據能夠表明，這四個“重新”——重新賦權、重新連接配接、重新連線、重新生成——會受到你經曆的影響。與此同時，四個“重新”也受基因的指揮。基因确實會影響心智，尤其是在幼年和童年，大腦開始建立連接配接的時候。
連接配接組是由先天的基因和後天的經曆共同塑造的，要解釋大腦如何運轉，就必須考慮到這兩種影響和作用。“連接配接組不同論”是相容于“基因組不同論”的，隻是比後者更加豐富、更加複雜，因為它考慮到了你活在這個世界上的後天作用。相比來說，連接配接組理論不那麼具有命運色彩，因為它相信，我們的連接配接組可以由我們的行為和思維來塑造。大腦的連接配接結構，使我們成為我們，但反過來，我們也在影響大腦的連接配接結構。
這個理論總結起來就是：
你不隻是你的基因組，你是你的連接配接組。
如果這個理論是正确的，那麼神經科學最重要的目标就是去駕馭四個“重新”。需要知道，連接配接組發生什麼樣的改變，才能使我們表現出我們所希望的行為，然後需要開發出相應的方法，來制造這種改變。如果我們成功了，神經科學就能夠有效地治療精神障礙，治療大腦的損傷，并且使生活更美好。
然而，鑒于連接配接組的複雜性，這是一個艱巨的挑戰。秀麗隐杆線蟲隻有7000條連接配接，但是測繪它的連接配接組卻花了我們10多年時間。而你的連接配接組的規模，是它們的1000億倍，其中的連接配接數量，是你的基因組字母數量的100萬倍。與連接配接組相比，基因組簡直就是小孩子過家家。
今天，我們終于具備了有力的技術和工具，能夠面對這項挑戰。配合最尖端的顯微鏡，我們的計算機能夠采集并存儲巨大的腦圖像資料庫，幫助我們處理和分析滾滾而來的資料流，進而測繪神經元之間的連接配接。依靠這樣的機器智能，我們最終看到了為難我們多年的連接配接組。
我相信，在21世紀結束之前，我們有機會測出人類的整個連接配接組。我們會從線蟲到果蠅，然後到小鼠，接着是猴子，最後會面對最終極的堡壘——人類大腦。當後代追溯我們這一系列成就時，一定會驚歎這是多麼重要的科學革命。
是否必須再等幾十年，連接配接組才能向我們透露一些關于大腦的奧秘呢？幸運的是，并非如此。現在的技術，已經足以讓我們看到大腦的一個小局部的連接配接關系，而這樣的局部的知識，也是非常有用處的。
另外，老鼠和猴子也能夠讓我們搞清楚許多問題，因為我們在進化上有很近的親緣關系。它們的大腦和我們的很像，而且很多運作原理是相同的，研究它們的連接配接組，也會給了解我們自己的大腦帶來許多啟發。
公元79年，維蘇威火山爆發，成噸的火山灰和岩漿掩埋了羅馬的龐貝城。龐貝城的時間凝固了，它從此長眠于地下，直至将近兩個千年之後，才被建築勞工意外發現。18世紀的考古學家把它挖開，異常興奮地看到了一幅栩栩如生的羅馬生活圖景——奢華的度假别墅，街道上的噴泉景觀、公共浴室、酒吧、面包店、市場、健身館、劇場，反映衣食住行的壁畫等。這是一座死去的城，卻讓我們得以觀察羅馬生活的細節。
就像龐貝古城一樣，如今我們也隻能通過分析死去的大腦的圖像來尋找連接配接組。這項工作本來的名稱是神經解剖學，但我們可以把這項工作想象成大腦考古學：一代又一代的神經科學家，凝視着顯微鏡下那些冰冷的神經元的屍體，思考着它們的過去。
一個死去的大腦，其中的分子被防腐藥水凝住，就像一座紀念碑，紀念那些曾經由它産生的思想和感受。在過去，神經解剖學的工作十分類似于通過硬币、墳墓或陶罐之類的零散證據來重建一個古代文明，而現在，連接配接組就像龐貝古城一樣，是大腦的一個凝固的全景。這些全景使神經解剖學家獲得了革命性的能力，去研究和重構活體大腦的功能。
你也許會問，既然有很酷的技術能夠直接研究活體，為什麼還要研究死去的大腦？假如有時間旅行，直接穿越到當年完好的龐貝城去看看，豈不是能夠了解更多？其實，未必如此。
想象一下就不難發現，遊覽和觀察一個活動的城市，存在很多限制。當你觀察一個活人的行為時，你就錯過了其他人同一時間的行為。或者你可以通過紅外衛星圖檔去觀察一個區域的平均活動情況，但就看不到更具體的細節了。因為這些限制，是以直接去考察一個活動的城市并不像我們想象的那麼暢快。
我們用以直接研究活體大腦的技術，同樣存在着這樣的限制。把顱骨打開，可以觀測神經元的形态和電信号，可是大腦有上千億個神經元，我們每次隻能觀測極少的一部分。如果采用非侵入的成像技術，透過顱骨去觀測大腦内部，就沒辦法觀測單個的神經元，隻能得到一個區域的形态和活動等粗糙的資訊。
或許将來有一天，會有更先進的技術使我們突破這些限制，直接觀測活體大腦的每一個神經元，但就今天而言，這還隻是一個幻想。研究活體大腦和死亡的大腦其實各有優缺點，在我看來，最好的方法是同時結合這兩種手段。
然而，确實有一些神經科學家認為研究死亡的大腦是沒有意義的，隻有研究活體大腦才是神經科學的王道，他們的理由是：
你是你的所有神經元的活動。
這裡的“活動”是指神經元的電信号。這些電信号能夠給出大量的資訊，即神經元在任意時刻的活動，這些資訊編碼了你在這一時刻的思考、情緒和感覺。
前面說過，你是你的連接配接組，現在這裡又說你是你的所有神經元的活動，那麼你到底是什麼呢？這兩種說法看起來是沖突的，但實際上它們是相容的，因為它們涉及對自我的不同認識。
活動論所指的自我，是動态的自我，是時時在變的，可能現在很生氣，過一會又會變得興奮，然後去思考人生的意義，做些家務活，欣賞外面的落葉，再打開電視看球賽。這個自我是與意識分不開的。因為大腦的神經元活動始終在變化，是以這種自我的本質是變化不定的。
而連接配接組論所指的自我，是一種靜态的自我，就像你童年的記憶會伴随你的一生。這種自我的本質——通常稱為個性——是穩定的，這個事實會讓我們的家人和朋友感到舒服。你的個性會表現在你的意識中，但是當你沒有意識的時候，比如睡覺的時候，你的個性仍然持續地存在。這種意義上的自我，就像連接配接組，随着時間推移，隻會有很緩慢的變化。這就是連接配接組論所指的自我。
在過去，意識的自我吸引人們做了大量的研究。在19世紀，美國心理學家威廉·詹姆斯（William James）提出了“意識流”，即意識就像一條河流，始終在心靈當中流淌。但是詹姆斯忘了一件事，那就是所有的河流都需要河床。如果沒有地上的那些凹糟，水根本不知道該往哪裡流。正是連接配接組提供了路徑，神經活動才能夠流動，從這個意義上說，應該把它稱為“意識河床”。
這是一個非常好的比喻。随着時間的推移，水流也會慢慢地塑造河床，正如神經活動會塑造連接配接組。這兩種關于自我的不同概念，一種是快速移動、時刻在變化的河水，一種是穩定、緩慢變化的河床，其實是誰也離不開誰的。
頭圖：freepik.com
作者簡介
承現峻（Sebastian Seung），美國普林斯頓大學神經科學研究所與計算機科學系Anthony B. Evnin講席教授，三星電子社長、三星研究院院長，連接配接組學領域先驅。
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