美国小朋友奎里——自从在一次意外的跌倒中摔到了头部,奎里就显出了种种常人不可能完成的奇特功能:他可以一边进行复杂的数学计算、一边吹奏口琴,或是在激情练习演讲的同时用手在本子上一笔一画的做记录,他会站在门口自己跟自己念念有词、分别用英语和法语跟自己对话,有时他在穿衣服,左手也会跟右手对着干,右手将裤子往上提,而左手则将已经穿上的裤子往下拉,右手系好了上衣的扣子,左手却将系好的扣子解开。
奎里之所以出现这些不可思议的症状,正是因为左右半脑的生物电流被中断,使得左脑和右脑能够各自发号施令——而承载这种生物电流的结构,便是胼胝体(Corpus Callosum)。
我们常说“一心不可二用”,这是因为,对于大多数人来说,大脑中的信息总是经过整合统一的。来自身体左半部分的信息传入我们的右脑,来自右半部分的信息传入左脑,然后通过连接两个半脑的“桥”----胼胝体,把左右半脑的信息交流协调起来。胼胝体由2-2.5亿个神经纤维组成,位于大脑半球纵裂的底部,是大脑中最大的连合纤维。
奎里具有先天性的胼胝体损伤,加上突然的剧烈撞击,使得胼胝体连接断裂。这种胼胝体缺损,常常会造成“右脑无法读取左脑资讯”的现象。重要的运动大脑皮层(motor cortex)无法联系,会使得左侧肢体可以模仿动作但不懂得遵循口语命令;虽然左侧视力正常且能描写文字,但因无法与左大脑语言区(Broca’s area)相通,病人无法理解及朗读文字;或者,他们可以找出一组颜色中相同的那一对,但是大脑皮层视觉区(visual cortex)和语言区不通,使得无法为颜色命名。另外,胼胝体损伤的大脑左右半球还很可能会表现出决策上的矛盾性,比如奎里右手系扣子,左手解扣子。
伟大的发现
直到20世纪中叶,医学还停留在临床实验阶段,没有什么手段来深入健康人大脑内部研究胼胝体而不造成伤害。
有一天,美国神经生物学家Roger W. Sperry 坐在床头,盯着墙上的一幅巨大的大脑解剖图发呆:左脑和右脑看起来是那么相似,它们是彼此的复制还是各有各的功能?如果把它们之间的连接阻断,左脑还能知道右脑在想什么吗?
这些疑问引来了一个生理学上重要的发现,也为Sperry带来了1981年诺贝尔医学和生理学奖的荣誉。
Sperry是这样想的:猫拥有灵巧的身躯,优雅的步伐,敏锐的视觉——如果把猫的左右大脑之间的联系切断,这只猫在生活中会有什么不一样的变化呢?
他在实验室里为猫做了胼胝体切断手术。结果,这只猫还是如常地捉老鼠、睡懒觉。没有任何影响吗?不会吧。接着,Sperry用纱布蒙住这只猫的右眼,然后费尽心机地教他走迷宫,直到它能够非常熟练地通过这个迷宫。然后放开了猫咪的右眼,紧接着又蒙上了它的左眼,然后把猫咪重新了放入那个早已经非常熟悉的迷宫中。这时,奇怪的事情发生了,这只可怜的小猫咪,根本不知道自己该往哪个地方走,对迷宫中的各个地方竟然没有任何印象,很快就在迷宫中迷了路。先前学到的知识呢?没有了么?先前学到的知识不会凭空消失,那么,只能这样解释:由于连接左右脑的胼胝体被切断,左眼学到的知识不能传递到右眼中。
于是,Sperry想进一步研究人的胼胝体切断会发生什么。癫痫病人(Epilepsy)在切断胼胝体后(20世纪60年代治疗癫痫的一种医学手段),会出现左右侧身体的不同反应。很多病人都会对身体右侧的刺激更为敏感,比如会更加喜欢用右半边身体行动和观察(右半边的身体是由左脑控制)。相反,对于左半边的刺激(被右脑控制),他们好像无动于衷。如果能进一步设计实验,让病人左右大脑分开的被迫完成不同的任务,也许可以揭示它们的不同功能。
他们设计了这样的实验:
让病人盯着一个大屏幕的中心看,在左半边或者右半边屏幕依次放映文字或者图形。由于人的视觉会以中心为界限,左半边屏幕上的图像或者文字传入右脑,右半边传入左脑,如此,裂脑人的左脑和右脑,就分别接受了右半边和左半边的信息,但是却无法交流。有趣的结果发生了:
1、当光束被打到左半边屏幕上时,病人说他什么也没看见(左眼 =盲??)。但是,当要求病人指出光线的位置的时候,他竟然指出了左边的光源位置 (“我知道那有一盏灯”),并且仍然强调自己什么也没看见(“我真的什么也没看见”)。看来,他的右脑确实是“看”到了光线,只不过处理语言的区域在左脑,因此他没有办法表达。
2、让裂脑人右手握住一个物体,蒙上眼睛他们能够辨别,并且表达出他们拿的物体的名称 (“我的右手拿着一个苹果”)。但是,当他们左手握住物体时,他说他不知道拿的是什么 (“我不知道我拿的是什么”),但是可以从一堆物品中找出和摸过的相同的那一只 (“哈哈,这就是刚才我拿过的那一个”)。虽然不能表达,但是右脑记得住触觉?
3、向屏幕上投影一个物体的图像。如果图像出现在右边,他可以描述图片的内容,比如,“屏幕上出现了一个汽车模型”。但是如果图像出现在左边,他说他什么也没看见 (“屏幕上什么也没有”),但是,让他尝试用左手挑出刚才出现的物体,他又能够莫名其妙的选出那件物品,却说,“我不知道我为什么要拿起这个东西”。说明,虽然不能用语言表达,触觉感觉和视觉感觉还是能够一致的。
4、让他的两只手分别绘制立体图形,左手画出的图形有模有样,而右手的作品却毫无立体感可言。难道处理空间立体思维也在右脑?
5、突然给一个女裂脑人左脑呈现一个裸体女人的照片,女裂脑人大笑,并说这个是裸体女人。而呈现在右脑,裂脑人说自己啥都没看见,但是非常明显的是,她开始莫名其妙地格格笑,问她笑的原因,她吞吞吐吐,然后说机器真有趣。这个实验说明虽然右脑无法说出物体的名字,但是存在着情绪反应。
通过这些实验,Sperry做了这样的结论:我们的左脑主要回应于书面的指令,而右脑则比较喜欢接受动作和方向性的指令。左右脑大有不同,左脑负责交流中的语言和表达,而右脑负责三维空间想象力和情绪产生。在大多数人中,左脑才是控制精细语言的主要处理器,但是右脑也能处理一些简单的语言指令,还能为语言加入情绪化的色彩等。这项研究开启了人们对左右脑语言控制的研究,Sperry也因此获得了1981年诺贝尔生理学奖。
从那以后,科学家们对左右脑的分工和联系越来越好奇。仅仅用裂脑的病人做实验远远不能解答对于正常大脑功能的疑问,研究人员更加关心完整胼胝体的作用。1960年,加拿大蒙特利尔的一名神经科学家Juhn Wada利用一种短期麻醉技术,将麻醉药注入正常胼胝体实验者的左颈动脉,于是病人的左脑被麻痹了。这时,病人正在进行的语言能力会消失。比如,让病人从开始一直数数,然后同时注射麻醉,当药随着血液流经左脑时,病人就会突然“失语”;当麻醉剂被换成生理盐水以后,病人又重获语言功能。这说明左脑确实在语言表达上占主导作用。但是,这种试验方法有极大的危险性,被麻痹的部位如果不能及时清醒将会对神经细胞产生损伤。
后来,大脑扫描技术的发展使得对正常工作的大脑的研究成为可能。通过记录大脑局部代谢和血流的变化,可以得知大脑兴奋的特定区域,从而确切的知道各种行为活动的“司令部”。当实验者执行说话、辨别图像、空间想象等不同的任务时,左右半脑不同的大脑皮层会产生兴奋;而当执行某些命令的时候,比如认字和写作,两个半脑是同时兴奋的。这也说明,虽然有分工上的不同,左右半脑工作还是整合统一的。
进化学观点
我们毫不费劲的长大成人,学习工作生活,一切的成长都是自然而然。可是,如果把镜头拉长,把个人仅仅作为进化中的一个小小分子,你就会发觉,一切发展都是有因有果,并不是理所当然的那么简单。
胼胝体结构的出现,仅仅发生在胎盘哺乳动物(placental mammals, the eutherians)之后。在那之前的脊椎动物,包括鸟类,两栖类,爬行类,鱼类等,并没有胼胝体这样的结构。它们的左右脑也要沟通,但它们利用的是大脑中的另一结构,叫前缘联合(Anterior commissure)。这个结构和胼胝体的功能相似,也是通过纤长的神经束来连接左右两个半球。但是,这个结构的效率远远不及胼胝体,首先,它的髓鞘化(myelination) 程度(一种神经纤维上的电绝缘物质)不高,神经传导速度不够快;其次,他的神经束不够粗壮,而且当大脑在进化的过程中逐渐扩大体积时,以前缘联合的结构来连接两个大脑皮层,会需要神经束跨越越来越长的距离,这往往导致了信息传输速度减慢或不稳定。
高等智能动物需要更快更精准的判断和分析,这需要身体进化出更加强大的“桥”结构,以“钢筋混泥土之身,横跨大江之稳”来保证左右脑连接和正常功能。于是,胼胝体出现了,它的体积是前缘联合的10倍,是大脑中最大的神经纤维连接。在灵长类动物里,这些神经的髓鞘化大大增加,神经变得更粗,保证了快速的信息传递,真正实现了智能的飞跃
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