ONE 大腦是個什麼玩意兒
大腦是什麼，小腦是什麼，
腦的基本單位——神經細胞——又是什麼？
看了這一章，求別再說“人類大腦只開發了10%”，我已經忍了很久了！
真的要逼我展開完全體嗎？！
先來一口醫學科學！
難易程度
不管是說醫學，還是神經科學這個更專業一點的醫學科學領域，無論臨床、藥物研發還是科研，我們都是在圍繞兩個基本學科——解剖學和生理學。首先，你知道解剖學和生理學到底是什麼嗎？
解剖學（Anatomy）——關於身體部位的結構和它們之間的關係的學科（The study of the structure and
relationships between body parts）。
生理學（Physiology）——這些身體部位是如何一起工作並讓身體正常運轉的學科（The science of how those parts
come together to function, and keep that body alive）。
換句話說，若×指身上的某器官，解剖學就是關於你的×是什麼、長什麼樣、擱在哪兒的，而生理學是關於×是做什麼的、怎麼做的學科。
你為什麼活著？你是怎麼活著的？當你生病時，為什麼會感到“不舒服”？身體又是如何從疾病或手術之後恢復的？死亡、做愛（做愛做的事兒）、吃飯、睡覺……不管你是否有意識地去觀察思考，還是完全不想去想，反正身體的各個器官都照樣按部就班地工作。當然，只會比你想像中的複雜，也比你想像中的更奇妙。
學習解剖學，對於醫生必然重要：要是醫生都不知道正常的心臟長什麼樣、長哪兒，還談什麼診斷和治療？但為什麼研究醫學科學的人也要學呢？直接研究它們的作用和機理不就夠了嗎？最主要的一個原因是：一個細胞或器官或整個身體的形態總是反映出它的功能。換句話說是Function
follows form（即形態決定功能。很巧的是，建築學裡也有句非常像的但卻恰好相反的話，叫Form
follows function）。這一點在你身體裡到處都能看到：你的心臟中血液走的是“單行道”，確保了血液在心臟裡“交通順暢”，而這全靠心臟裡的瓣膜獨特的設計阻止了血液倒流；骨頭非常堅硬，因為這樣才能保護和支撐起你身體的其他軟軟的肉肉和皮皮。
總而言之，無論從整體或是單個器官，還是組織以及一個小小孤單的細胞，都圍繞一個主題——結構和功能的互補（the complementarity of structure and
function）。這一點如同一條基本規則：在我們的身體裡，從大（如整個人體）到小（如細胞）都是有效的。
細胞（cell）是生物體結構和功能的基本單位，也被稱為生命的積木。你的身體中最小的細胞是紅細胞（red
blood cell），就是在血管裡橫衝直撞跑來跑去的那個圓圓的、中間凹進去的細胞。長得很可愛，以至於我每次看到它都會腦補成柿餅。話說每次上高速公路時我都無法控制地認為自己是一個紅細胞，而公路就是血管。看到撞壞了的車還上路，我都會覺得，哎呀，會不會貧血了呢？紅細胞有多小呢？最寬的地方也只有5微米（µm）。而最長的細胞是一個從你的大腳趾沿著腿一直到你尾椎骨的運動神經細胞，大概有1米長（不過關於這個說法嘛，若求準確請看最短和最長的神經細胞）。
冷知識：人的身體裡最小的細胞是紅細胞，最長的則是神經細胞。
細胞與細胞組織起來就形成了“組織”（tissue），如肌肉。當多種不同的組織聯合在一起有了某種特別的功能，就會形成“器官”。譬如說，心、肝、腎、肺、皮膚（是的，皮膚是器官哦）等，當然還有大腦啦。多個器官又聯合起來形成“系統”（system），譬如說消化系統由口、胃、肝、腸等器官一起形成。這個系統能夠在一夜之間，把草莓蛋糕變成臭烘烘的“米田共”（糞，即糞），並把有用的營養提取走，變成“貨幣”給其他器官使用。這個系統想必你已經非常熟悉了吧，相信沒人會在早上大便後抱著馬桶大哭：“香蕉君啊，一夜之間你怎麼成這幅模樣了！時間把你怎麼了？！”然而，各個系統又共同，不分你我他她，從形式到功能都複雜且有序地在一起形成一個完整的個體，而這個個體就是你。
所有的所有，無論是在細胞的層面，還是器官、組織的層面，所有單位都只有一個目標，那就是，體內平衡（homeostasis，或說穩態）。用人話說就是，當面對生存環境的變化時，器官與器官之間經調整和監管保持平衡狀態，以保持內部不變的狀態，使整個身體正常運作。
體內平衡這個詞，簡直就如同“生命的主題”一般。可以說，活著，就是為了保持平衡——保持資源和能量的平衡。也是因平衡而活著。平衡體溫、平衡血壓、平衡血糖……是不是太誇張了？完全沒有。死亡是什麼？對於學習文學、哲學、或是××學，你會有各類的答案。對醫學生來說，只有一個答案，死亡就是完全地、無法逆轉地失去體內平衡（extreme
and irreversable loss ofhomeostasis）。器官衰竭、體溫過低、極度饑餓、過度脫水……最後都導致平衡被打破。
舉個例子，下一刻，你的胳膊突然掉下來了（背景音：啊啊啊啊啊啊——），血奔湧而出（啊啊啊啊啊啊啊——），然後你光顧著喊，什麼也不做，過一會兒就Bye
bye了。但為什麼掉個胳膊就會死翹翹呢？簡單地說是失血過多。那為什麼失血過多會死呢，好孩子，就是要這麼問，因為失血過多會使血壓“嗖嗖嗖”地降低，血壓低後就會導致氧氣在全身中的供給減少，啊，我的意思是缺氧。（啊啊啊啊啊啊啊——）缺氧了，腦袋就不轉了……腦子不轉了本來也沒啥（啊——），但腦子是保持體內平衡的最重要大Boss，它一倒下，其他器官來不及反應就越變越糟，血繼續流啊流，器官一個兩個慢慢壞掉……然後你也靜音了（……）。
總而言之，關於醫學的任何問題，或者關於健康的任何問題，無論是身（Physical）還是心（Mental）上的，都是圍繞著這個平衡。
我個人認為，無論是否學過醫學，當你對某個生理現象產生疑問時，嘗試圍繞這個平衡問題去觀察和尋找，總能找到蛛絲馬跡。當然，完全理解一個生理現象，一定是需要全面的醫學知識的，因為學習絕無捷徑。
大學畢業時，我們在畢業典禮上開玩笑，寒窗苦讀幾年，學的全是假想和猜測，說不定沒過幾年，發現我們學的都是錯的。不錯，在我眼裡，我們在神經科學裡就是類似於“盲人摸象”。那為什麼還要學呢？這本小書也面臨同樣一個問題：既然我這裡寫的可能現在是有理有據，但沒過多久就可能被證明是錯的，或者我本身就寫錯了，那你為什麼還要看呢？
我認為對於這兩個問題，答案是一樣的：
雖然真相只有一個，瞭解它的路徑卻有多條，但時間是條單行道，我們只有帶著錯誤和問題不斷前進，不斷前進。
神經科學是什麼鬼？
難易程度
“你學什麼專業的？”“神經科學。”“喔——好厲害！”
這人心中多半在嘀咕：“神經科學是什麼鬼？研究神經病的？開顱的？”。稍微瞭解一點的，可能會問，是心理學嗎？是哲學嗎？
通俗一點說，神經科學（Neuroscience）是一門研究大腦功能的科學，是個跨專業範疇很廣的生物醫學領域。
在臨床方面，比較令人熟知的研究話題有，帕金森病、阿爾茨海默病、漸凍症、精神分裂症，或是更加稀有、更少見的神經疾病如失語症；也有更加基礎的以“大腦功能是如何運轉、為什麼這麼運轉”為中心的理論性研究，譬如說：為什麼睡覺時會做夢？你怎麼知道我看到的花兒和你看到的是一樣紅？為什麼聽到一些音樂、聞到一些氣味，會讓我們產生很複雜的情緒？基本上，這群神經科學家最喜歡幹的事兒，就是讓一切文藝和浪漫的事兒，變得不文藝不浪漫。
換句話說，前者全力想解決大腦功能出岔子後“怎麼辦”，後者想回答正常大腦“為什麼”會這樣做。
這麼說，臨床研究豈不是比基礎研究更為重要？這一點估計很多人都有自己的想法，但我覺得完全相反。治療疾病好比是修一個儀器，只有先知道了正常的儀器是怎麼樣的，你才知道哪裡出了問題，才知道該怎麼修、如何修才能減少對儀器的傷害。雖然很多人都覺得基礎科學很深奧很酷炫，但很可惜的是，大多數人並不理解它的重要性。我們的研究絕對不僅僅是為了滿足好奇心而已（雖然對大多數的科學家來說，這個原因就足夠了）。
那到底什麼是“神經”呢？
神經系統相當於整個身體的聯絡和控制系統，它收集感知資訊（對外和對內，對外指看到、聽到、聞到什麼，皮膚的感知等等，對內指身體內的血壓、血糖等等的變化）、對收集到的資訊即時分析整理，給出決策，並由運動神經再將決定好的反應（譬如說迅速逃跑）執行下去。
神經系統又分為中樞神經和周圍神經。而負責思考、學習、記憶、情感等認知功能的大腦，僅僅只是中樞神經的一個部分。中樞神經是指腦（包括大腦、小腦、腦幹）和脊髓，而周圍神經就是除此以外的神經組織。簡單地講，中樞神經就是負責分析資訊做決策的中央政府，而周圍神經就是分佈在各地收集資訊、並且執行中央政府下達的指令的地方單位。整個神經系統在成人體重中僅占3%，但它毫無疑問是人體中最複雜，也是我們現在瞭解得最為有限的系統。
既然神經系統是一個聯絡和控制系統，那它是通過什麼來傳遞資訊的呢？答案是電。神經系統最重要的基本單位叫神經細胞。雖然有各種各樣的神經細胞，形狀也各異，不過它們大致長得很像長了很多條腿的章魚，然後它們“腿牽著腿”形成一張可以傳遞資訊的網路。當神經系統一頭的一個神經細胞被“啟動”之後，它的腿裡就會形成電流，電流沿著腿傳遞到牽著的下一個神經細胞的腿裡。就這樣一個傳一個（或多個），電信號就會傳遞到大腦裡，並通過相似的傳遞機制，完成各式各樣的認知功能。神經細胞這條大長腿叫作軸突（axon），為了讓電流能夠沿著腿傳得更快，軸突一般都會被一種叫“髓鞘”的東西裹住。髓鞘的主要功能是電絕緣，就像是在腿上裹上厚厚的口香糖一樣，一方面這樣相鄰的腿就不會相互干擾，而且電流就只能在髓鞘與髓鞘之間跳躍式前進，加速了傳遞速度，同時髓鞘還起著保護大長腿的作用。廢話這麼多，就是想說這“軸突”就是神經細胞的命根子，這要是斷了的話，真的會很麻煩。
其實，神經細胞只占神經系統的10%，大多數實際上是膠質細胞（glial
cells）。膠質細胞是神經細胞的好伴侶，已知功能主要是為其他神經細胞提供支援、營養供給、維持穩定的環境以及絕緣（髓鞘實際上就是一種膠質細胞的小手）。
那麼，大腦到底有多大？這一點很多人都沒有直觀感受。下次家裡做小雞燉蘑菇時你可以去瞅瞅，你的大腦大概和一隻光溜溜的小母雞一樣重、差不多大。在英國，超市里賣的雞都是收拾好的，去毛、去頭、去爪、清空內臟，重量大概差不多是1.5千克。當然，每個人的大腦的重量和體積略有差異，但區別並不是太大。
要注意的是，神經科學和心理學是兩個不同的學科。心理學是以研究人的行為（為什麼我會這麼想、這麼做）和發展（對同一個事物，小時候這麼做，長大後那麼做）為主的，簡而言之，心理學研究的是“mind”。雖然神經科學也要研究人的行為，但研究的角度是不一樣的，神經科學家更關心的是，是什麼導致了這個行為，並從基因、細胞、組織、系統、認知各個層面來研究它。
但是這裡也必須要強調一點，至少在現階段，神經科學上的種種發現，並不等同于對心理現象的解釋。不能盲目地用神經層面來取代心理層面，這樣的舉動就像是試圖用一個治療方法來治療所有的癌症一般。
非常膚淺也不太準確地打一個比方。若有一朵紅花，心理學家感興趣的是人在看這朵紅花時的想法和行為，是撕碎它呢，還是將它贈予喜歡的人呢？這樣的行為又與花、與此人本身、與社會有什麼關係呢？而神經科學家就會逮著你問，你怎麼看到這個東西的？眼睛是怎麼運作的？大腦又是怎麼分析這個圖片的？整個過程花了多長時間？用了哪些細胞？你怎麼知道是“紅色”的呢？又怎麼知道它是“花”呢？
來來來，坐下來，不要怕，讓我們來看看你大腦裡哪些細胞在處理這些信號，再和小白鼠和猴子的大腦做一下比較……欸欸欸，別跑啊……夥計們，快抓住那個實驗志願者！
關於大腦的十大流言
難易程度
流言一：正常人的大腦只開發了10%
在愛因斯坦死後，科學家研究發現，他的大腦有20%被開發，遠遠超過了正常人被開發的大腦比例（10%）。
不好意思，只要你是個正常人，即使你睜著眼睛，什麼都不想，整個大腦仍然都在使用中。如果是做一些稍微複雜的工作，如起身走路、說話，那你的大腦包括小腦、腦幹，每一個部位都在運行。
這個流言只要做一個簡單的功能性核磁共振成像就不攻自破了。可能有人會問，那很多腦成像實驗中說當人做某件事情時，某某大腦區域被啟動是怎麼回事呢？實際上，你所看到的腦成像圖是經過分析之後的結果，通過對比多組實驗所得的腦成像掃描，它會發現你在做某一件事情時，某個大腦區域相比其他情況、其他區域更為活躍。
2014年女神斯嘉麗·詹森的《超體》（Lucy）上映的時候，我連預告片都沒看就激動地花了60元人民幣去了電影院。到了那個偽科學家開始講正常人的大腦只被開發了10%時，我心中就想，“藥丸藥丸（要完要完）”。整個故事講的就是女主機緣巧合下大腦被急速開發，一路開外掛，當大腦被開發了28%時，成了萬磁王；到了100%時，呃，變成了一個U盤。我愛女神，也很喜歡此電影的各種酷炫的鏡頭。但是，導演你怎麼能用這個20世紀最傻的大腦流言來做科幻電影的梗呢？會誤導多少小朋友啊！
流言二：我們只有“看聽聞嘗觸”五種感知
欸欸欸，難道不是嗎？實際上，除了這五種，我們還有其他的感知，譬如，由耳朵裡的前庭系統負責的平衡感知（equilibrioception）。這個感知時刻負責我們的平衡狀態（譬如說是站直了還是彎著腰，還是在倒立），以及運動情況（譬如是靜止的，還是突然快速地被撞飛）。當我們在做任何動作，從簡單的走路到困難的瑜伽動作，平衡感知能夠幫助大腦去精准地調節動作的角度，從而順利完成這些運動。當平衡感知出現問題的時候，最嚴重的情況是連走路都會覺得很困難，每走一步都覺得非常眩暈，或是容易摔倒。這些資訊都能夠説明大腦瞭解身邊的環境，並掌握自己的身體狀況，並能夠迅速地對環境的改變（有輛車迅速向你靠近）做出合適的反應（快跑）。
流言三：人類的大腦有1000億個神經細胞
別說大眾了，估計問一些神經科學家，不少人還是會回答是“1000億”。實際上，2009年，已經有科學家更加精確地計算出，人的大腦有860億個神經細胞。你說四捨五入就差不多了？140億個神經細胞可等於一個狒狒的大腦！我們人類的大腦可不是“買一贈一狒狒腦”，這又不是在燙火鍋！
流言四：左腦人更嚴謹，右腦人更有創意
現在已經擋不住“快來測試你到底是左腦人還是右腦人”這類以偏概全的解讀了。的確，在很多情況下，大腦的使用情況並非一成不變永遠對稱的。最經典的例子是，在大腦的語言系統中，負責組織和產生語句的布若卡氏區（Broca's
area）在大多數人的大腦中位於左半腦，而負責理解語言（譬如說聽到別人說話或閱讀）的語言中樞，韋尼克區（Wernicke's
area）則位於右半腦。但這是因為大多數人都是右撇子，在左撇子的大腦中，布若卡氏區在右邊，韋尼克區在左邊。不過，這個被公認的結論也開始受到爭論，感興趣的可以參考第五章的《讀心術真的可以實現嗎？》。即使如此，不管怎樣，到現在也沒有任何研究發現，這種偏向對人的性格和創造力有什麼影響。所以別再說什麼“左腦人”“右腦人”啦。
流言五：隨著年齡增長，大腦的所有功能都會因老化而越變越差
Aging is
horrible（衰老是可怕的）。因為很多器官都會隨著年齡的增長有無法避免的功能性衰退，譬如說耳朵、眼睛等等，很多神經性疾病也與年齡有無法忽視的關係，但這些並不代表隨著年齡增長，大腦的所有功能都會變差。
流言六：聽西方古典音樂，會讓寶寶更聰明
也就是“莫札特效應”，這在育兒話題中最為火爆。但令人失望的是，這個概念只是大眾科普的誤讀。第二章節的《聽覺：聽不聽得到，就這個旋律》中的《聽莫札特的音樂，小孩更聰明？》將會專門來解析這個問題。
流言七：玩智力遊戲能夠讓你的記憶力和思辨能力提高
常常聽到說每天做些智力遊戲，會幫助我們避免失憶症或阿爾茨海默病。實際上，至今為止我們並沒有找到任何令人信服的證據。至少我們還沒有發現我們常玩的這些智力遊戲能給我們帶來任何長久的認知幫助。
流言八：你的IQ從生下來就不會再改變
不，IQ是會變的——至少在目前的IQ測試檢測中，跨度從60年到3～5年的各個大型實驗中，都發現了IQ明顯改變的證據。
最近由倫敦大學學院（University College London，簡稱UCL）做的一個實驗1，組織了33名健康的青少年志願者（12～16歲）。在2004年，科學家檢測了這些青少年的智商並用核磁共振掃描了他們的大腦。在不告訴他們還會被測試的情況下，4年後，又聯繫到這33名受試者，邀請他們再來測試，結果發現33%的志願者的IQ測試結果都有明顯變化，其中有一名在4年之間增長了21分，而另一位減少了18分。這一方面說明了現有的IQ測試有很多不穩定性，另一方面也說明了IQ可能不是一直不變的。
雖然我們現在並不確定是什麼在後天影響了IQ，即使有些人可能天生因為大腦與別人的不同，從而得到一些我們所謂的才能。但正常的情況下，正如日本教育家福澤諭吉的名言：“天不造人上人，亦不造人下人。”雖然這句話本意和這裡的內容並不相符，但我想說的是，不要盲目地認為人的才智是不能改變的。
流言九：大腦在壓力下發揮會更好
Deadline（死線）的確是第一生產力。但實際上外界壓力只是讓你集中注意力，而集中注意力肯定會讓你避免愚蠢的失誤，或是被網路資訊分散注意力。但實際上，在做任何工作時，本就應該集中注意力。當注意力集中時，壓力往往並不會讓你更快更準確地解決難題。
流言十：大腦損傷是永久性的
現在的神經科學和臨床醫學的確不能完全恢復中樞神經的創傷。
但這並不絕對——至少我們已經知道有多個病例，在切除某一塊大腦或半邊大腦後，神經細胞重新產生了新的連接，使得理論上應該消失的大腦功能重新出現。（不過必須強調的是，這種奇跡往往出現在年齡較小的病患身上。）
我大一時學過一個病例，有個小女孩天生就有嚴重的癲癇，一生下來醫生就說她活不過一歲。結果她吃力地活到三歲，已經能說話和走路了，但由於癲癇過於嚴重，醫生說為了減輕癲癇只能把左腦切掉。這時對一個語言已經發展成熟，且是右撇子的小女孩來說，面對的選擇就是：要麼因癲癇而死，要麼永遠不能說話，且很有可能癱瘓，但最後他們還是決定做半腦切除手術。術後十年，有人採訪這個已經13歲的小姑娘，她早已完全康復，說話正常，能走能跑能跳，一切OK，只是有點瘸。而且她的夢想是當芭蕾舞演員。
這真是個令人感動的奇跡。大腦精細而脆弱，但有時也有讓我們自己意想不到的堅強和神奇。在這本書的最後，我也討論了關於“換頭術”這個一直以來都讓人覺得是天方夜譚的計畫。
實際上，無論在生活中還是在科研中，有太多關於大腦的流言了。當然，我們現在所知道的也並不一定是正確的。可能只是用一個錯誤推翻了另一個錯誤罷了。但科學就是這樣，我們所做的無非就是不斷地尋找證據，不斷懷疑，再不斷尋找。
然而，真正需要意識到一個流言是錯誤的人，往往也最不會因此吸取教訓。
裝×必備：透視大腦的技術
難易程度
為了研究大腦的運作機制，僅僅通過觀察一個人的行為是遠遠不夠的，我們得將大腦“打開來看看”。慢著慢著，別拿著榔頭在你小夥伴的腦袋上比畫！（友誼的小船說翻就翻！）
你可以把大腦想成一個封閉的盒子，你給它一顆糖，它能給你唱首歌、念首詩，也可能從你身邊逃跑。你想看看盒子裡是什麼，可一打開，它就受了傷，甚至會死掉，更別說維持正常的工作了。你也可以僅僅通過研究它靜止、已失去活力的形態來研究它，通過它的結構、形狀來推測它的作用（解剖學），或是將每一個零件拿出來單獨培養、看一個或是幾個相關的零件是怎麼相互作用的（神經細胞學）。
過去，想要將大腦和一個行為聯繫起來，只能通過分析大腦有損傷的患者（俗名“腦殘”）的行為來推測。譬如，一名病人某個大腦區域在事故中受到了損傷，結果這位病人在行為上出現了很奇怪的變化，譬如說他再也無法形成新的記憶了，但其他行為卻沒有受到任何影響。這說明這位元病人大腦受傷的那個區域和記憶的生成至關重要。
為了更深入地研究這個區域，科學家不得不通過動物實驗進一步地證實、確認更深層的機理。但問題是，其他的動物，即使是與我們最像的猩猩，和人還是有很多不同的，特別是在大腦這個器官上面。當我們想研究一些人類特有的，更為複雜的認知功能時，如情感、閱讀、決策等等，很難僅僅通過動物來研究。所以，還是得看看人的大腦哪（科學家之間友誼的小船在風雨中搖曳）。
好在最近30年，腦成像技術越來越成熟，科學家終於可以在不損傷志願者的身體的前提下，甚至在人的大腦正在工作時，通過各種各樣的腦成像技術來即時觀察大腦的活動。
功能性核磁共振（fMRI）
用簡單的人話來講，核磁共振就是能夠用來看到當你在幹某事的時候，大腦的哪些區域會變得活躍。
它是怎麼做到這一點的呢？當神經細胞活化時，細胞會消耗氧氣，而氧氣是借由血液中紅細胞裡的血紅素，沿著微血管，送至每個細胞附近的。當一個區域的神經細胞們一起變得活躍，這個區域所需要的氧氣增大，這樣附近的含有氧氣的血液就會流向這裡，來補充消耗掉的氧氣。所以，伴隨著神經細胞的活化，這個大腦區域會有血流的變化，而且血氧濃度也會與周圍的區域有所不同。如果我們能夠測量這個血氧濃度變化，就能夠推測到，大腦的哪些區域變得活躍了。
那怎麼來測量呢？我們在中學時就學過，當電荷沿著導線運動時，會在導線周圍產生磁場。如果我們把電荷換成一個帶有正電荷的質子，當它繞軸旋轉的時候，也會形成磁場。人體約70%都由水組成，每一個水分子中含有兩個氫原子，而氫原子的原子核的自旋角動量不為零。當你將它放入一個均勻的磁場中時，如果控制好這個磁場的能量，就能使得這個原子核產生共振，放出電磁波。而這個電磁波可以被檢測到，經過處理，便能夠知道發出這個電磁波的原子核的位置，並繪製出精確的圖像。
其實，核磁共振裡的“核”指的是氫原子核。但在臨床上，因為擔心病患會對“核”這個字產生畏懼感，國內也常將這種技術稱為“磁共振”。
因為缺氧和氧化狀態下的血紅素對磁場的反應是不同的，所以根據血液裡的含氧量就能夠產生不同的信號，這個信號叫作血氧濃度相依對比（Blood
oxygen-level dependent，簡稱BOLD）。
通過使用功能性核磁共振，通過繪製出大腦不同區域不同的BOLD信號，現在我們能夠得到相對精細的大腦掃描圖。更重要的是，因為這種成像方法對人體沒有任何傷害，所以在臨床和科研中都有廣泛的使用。
使用功能性核磁共振成像，科學家能夠定位大腦裡什麼位置負責怎樣的認知活動，換言之，核磁共振成像有傑出的空間解析度。但是，因為神經細胞的活化到產生BOLD信號，有1～5秒的延遲，所以核磁共振成像的時間解析度比較差。這對變化迅速的大腦認知功能，譬如說聽聲音（大腦活動是毫秒級），就不是特別完美。另外，核磁共振成像設備非常昂貴，維護、維修以及使用它都不便宜。在我所在的實驗室，使用一個小時需要300英鎊（友情價），也就是近3000人民幣。一個普通實驗一般至少需要10個人，每個人1個小時，也就是說光是使用就需要花費30000人民幣。這也是不能避免的，必須考慮在研究經費之內的重要因素。
如果你對這個技術很感興趣，想對它深入瞭解的話，我推薦一本很不錯的入門教材：Huettel, S.A.，Song, A.W.，McCarthy, G.，2009.Functional Magnetic Resonance Imaging.Freeman.（《功能磁共振成像》）
腦電圖（EEG）
神經細胞靠傳遞電流來傳遞資訊，即使在靜止不動、什麼也不想的情況下，大腦也如不夜城一般熱鬧。我們把能夠將大腦所產生微弱的生物電，在頭皮處收集，並放大記錄的一種曲線圖叫作腦電圖。收集腦電圖的時候，頭上要戴一個帽子，帽子上有很多感應器（電極），電極貼在頭皮上，就能收集到這個區域頭顱下方百萬千萬個神經細胞的電流活動。打一個比方，大腦就像是一個體育場。體育場裡在進行一場球賽，而每一個神經細胞就好像是一個時不時呐喊的觀眾。而你呢，就拿著一支錄音筆，站在體育場外，通過千萬個球迷的呐喊聲來瞭解球賽的狀況。
這個例子提供了幾條資訊：首先，腦電圖並不是直接記錄了每個細胞的活動，雖然它能夠呈現大腦的一些反應，但是在研究和分析腦電波時，有很多需要注意的地方。其次，腦電圖展現的並不是幾個神經細胞或是某一個大腦區域的活動，它記錄的是整個大腦中的神經細胞的電流產生的電壓波動。第三，雖然它在空間解析度上非常吃虧（也就是說，它並不能精准地展示大腦的某個特定區域的活動），但它在時間解析度上非常好（精准到毫秒，也就是基本即時記錄）。
在臨床上，常用腦電圖來診斷癲癇，有時對神經疾病的診斷也有很重要的作用。
舉一個簡單的例子，假設我已經給你戴好腦電圖帽子，開始記錄你的腦電波，然後你聽我念下面兩個句子：
第一句話：一個男人在自己的咖啡里加了牛奶。
第二句話：一個男人在自己的咖啡里加了襪子。
當你聽到“襪子”這個違反語境的詞語後400毫秒的時候，與聽到“牛奶”相比，腦電波會有一個更高的波峰。通過反復的測試，我們發現，這個波峰（實際上專業叫“成分”）和“違反語境”有關係，只要聽到或看到違反語境的詞語或物體，都能夠在腦電波裡看到這個“成分”。
收集腦電波不是一件難事，但是要解釋腦電波需要一定的知識儲備，所以這裡我沒辦法深入介紹。
自從1924年的首次人類腦電圖實驗之後，腦電圖基本上是發展得最成熟也最便宜的一種腦成像儀器了。雖然現在已經有比腦電圖更精確好用的腦成像設備，但腦電圖最大的優勢是，它非常便宜。弄一套普通的EEG設備，只要5萬美元左右。而每做一次實驗，便宜的時候，差不多只花2～3美元。
因為它發展成熟又便宜，很多公司和實驗室（包括我現在所在的實驗室）在嘗試將之使用在人機界面上，用腦電波來下達一些指令。或是結合眼動追蹤技術，給穿戴型設備，如穀歌眼鏡，提供一些即時回饋等等。
如果你對這個技術很感興趣，想對它深入瞭解的話，我推薦一本很不錯的入門教材：Luck, S.J.，2014.An Introduction to the Event-Related Potential
Technique.MIT Press.（《專案相關潛在技術的簡介》）
因為篇幅的問題，我只能稍微介紹一下腦電圖和功能性核磁共振。這兩個技術也是在平時看神經科學相關的科普文章中常提到的。實際上，在神經科學業界，對不同的腦成像技術也是褒貶不一。使用這些成像技術，所得到的實驗結果到底有多少說服力，也是仁者見仁智者見智。
根據不同的研究目的，選擇哪一種腦成像技術是非常重要的。腦成像實驗的設計和分析也是有很多的彎彎繞繞，很難在科普環境下一一解釋清楚。非常遺憾，但也不得不承認的是，有很多腦成像實驗缺乏嚴謹性，使得漂亮的腦成像掃描圖不僅不能解答任何問題，反而會引起媒體和公眾的誤解。所以，當你在媒體上看到腦成像實驗的結果時，包括在閱讀本書時，請務必時刻保持懷疑的態度。
沒存在感的小腦
難易程度
當我們說到大腦的時候，往往會遺忘掉後腦勺的小腦。雖然它只占了全腦體積的10%，但其主要功能卻一點都不能忽視：它負責肢體動作，包括姿勢、平衡、運動學習（如揮高爾夫球杆）以及演講。
一、小腦擁有全腦一半的神經細胞數量
在學習小腦的相關知識時，我們第一個會學到的冷知識就是：這個只占了全腦體積10%的小腦，擁有整個大腦近一半的神經細胞。為什麼這麼小的體積卻有這麼多神經細胞？
要知道，神經細胞也有很多種，形狀各異、功能各異，在神經系統中的分佈也各異。其中，顆粒細胞（granule
cell）是最小的神經細胞之一，細胞體直徑只有5～8微米，整個大腦的75%以上都是這種細胞，而小腦中的大部分神經細胞就是這種體積極小又極其密集的顆粒細胞，而且在小腦裡的顆粒細胞是大腦中最小的神經細胞，可惜我們現在對這種細胞的功能還不是太瞭解。不過，很清楚的是，小腦裡的顆粒細胞接收了來自小腦之外的最大的輸入信號，也就是小腦苔狀纖維（mossy
fibre，顧名思義，密密麻麻的跟苔蘚一樣），而這些纖維的另一頭來自四面八方，最主要的來自大腦皮層，其次來自脊髓。
小腦皮層的分層結構圖。小腦長得皺巴巴的，當把這些“皺紋”撫平，然後切開看橫截面，在顯微鏡下，就會發現像是多層蛋糕一樣，每個類型的細胞，從內向外按層排列。這個圖展示了小腦的三層結構，包括最外的分子層、浦肯野細胞層以及顆粒細胞層，在這裡最裡面的白質沒有完整畫出。請注意，此圖的每層厚度並非按精確比例畫出，僅是粗略示意而已
顆粒細胞將來自一根苔狀纖維的信號，分成200多條“頻道”散佈出去。這裡要說回小腦的功能了，小腦負責對話、演講、運動和學習，但它並不負責發出指令，它負責將大腦發出的命令分工下去，讓肌肉接收到資訊，再告訴大腦：“你的命令已經傳達下去了，下一步是什麼呢？”
打個比方，你見到一個漂亮妹子，想跟人家打個招呼，“Hi，美女”，並揮揮手。大腦做出決定後，來自左半腦的布洛卡區幫你產生了正確的打招呼用的語言和發音“Hi，美女”，而不是“愛，黴擼”，並將這個資訊傳遞到了小腦，在小腦裡再通過苔狀纖維傳遞給了顆粒細胞，顆粒細胞將這個單一指令編譯成了更為精細的任務。譬如說，嘴唇的哪個肌肉要動、舌頭怎麼卷起來、控制嘴巴的咬合要確保不會咬到舌頭又不會口齒不清，啊，還有確保足夠輕佻的尾音呢，還有別忘了揮手……當然，這個比喻並不準確，但希望能通過這個例子説明你理解，為什麼需要將一個簡單的指令，分成那麼多分支。但由於小腦裡的顆粒細胞實在是太小太密集了，現在還很難在正常活動的動物的大腦中檢測它們的資訊傳遞情況，所以要知道它們如何解析複雜的運動資訊的情況還需要一些時日。
這裡必須提到一位非常傑出的英國神經科學家，David Marr（大衛·瑪律），計算神經科學（Computational
Neuroscience）的先驅之一。早在20世紀70年代，他就提出，這些顆粒細胞很有可能編譯整合過大腦指令：每個顆粒細胞與4～5根苔狀纖維相連，如果只有1根苔狀纖維傳遞資訊，顆粒細胞不會將資訊傳遞下去，而當有多個苔狀纖維啟動了它，這個顆粒細胞立馬會將這些纖維傳遞的資訊整合起來，並分別傳遞出去。這樣的機制減少了傳遞錯誤、雜亂的動作信號。這樣，先在顆粒細胞層中把所有到達小腦的資訊全部混合起來，顆粒細胞們再將捋好的資訊發送給輸出信號的浦肯野細胞，這樣結構的邏輯不得不說在大腦中是很有趣的存在。David
Marr在MIT（麻塞諸塞理工學院）讀博士時將很多心理學、人工智慧和生理學上的知識糅合，還製作了經典的神經系統的模型，其成就鼓勵了很多神經科學家往這個方向發展，對整個神經科學界都影響極大。可惜他在35歲時因白血病英年早逝。如果他還活著……
二、有人居然天生沒有小腦！
不過，在繼續討論小腦的功能之前，先從國內發現的一例刷新“小腦的底線”的病例說起。2014年，國內發現世界上第9例天生沒有小腦的病例（原發性小腦發育不全，primary
cerebellar agenesis）6。小腦損傷導致腦功能缺失並不少見，但天生缺失整個小腦是極為罕見的。
這位中國女性在出現嘔吐和眩暈的症狀後，前去醫院就醫，CT和核磁共振掃描發現，本該是小腦的位置上卻是空洞洞的——這位患者沒有小腦！這立馬解釋了之前的症狀。同時也解釋了，為什麼患者到6歲才開始說話，7歲才會走路，而且年幼時她也從來不能像其他小孩一樣玩耍和跳躍。即使會走路，她也需要外界輔助。
語言測試發現她可以完全正常地理解詞語，但缺失的小腦使得她在詞語發音上有一些問題。醫生說患者聲音顫抖，說話含糊，聲調刺耳。但科學家和醫生都非常驚訝小腦缺失並沒有讓她完全喪失行動和語言能力，也沒有什麼非常嚴重或極端的症狀。
腦脊髓液（cerebrospinal fluid）充滿了原本應該是小腦的區域。經過測試，腦脊髓液正常，但顱內壓力略高。通過脫水治療和其他傷害較小的配合治療，壓力有所降低，立即並長期地改善了一些症狀。
而且在她的家族中並沒有發現其他神經缺損的病例，據國內網上報導，這例病例是在濟南軍區總醫院發現的，患者已結婚，並育有一名健康的女兒。
雖然理論上來講，小腦並非生存的“必需品”，如維持呼吸、體溫等等。“生存必備功能”是由腦幹控制的，所以大腦或小腦損傷後也還是有很多能生存下來的病例。但這個在國內發現的病例，不是小腦發育不全，而是完全沒有小腦啊！而且更讓人稱奇的是，這姑娘不僅活著，人家還活得好好的，孩子都可以打醬油了。
雖然目前已知已有30種基因異常會導致小腦畸形，但導致完全缺失小腦的原因，現在還完全讓我們摸不清頭腦。我們也不曉得這名患者隨著年齡增長，會不會有症狀惡化或新的症狀出現。不過，既然她沒有小腦也能較為正常地生活，小腦，是不是並沒有那麼重要呢？
三、既然沒有小腦也能存活，它是不是並不重要呢？
當然重要。後天如果某一側的小腦受到損傷，就會導致不能精准地控制同一側的身體，譬如不能保持平衡、協調性降低，即使簡單地臨摹一條曲線也十分困難；同時，說話能力也會受到影響，輕則發音困難，重則喪失語言能力。
而目前所發現的9例天生沒有小腦的病例中，也或多或少有語言和運動方面的問題。
那究竟是什麼讓先天就沒有小腦的人和後天小腦受到損傷的人所受困擾的區別如此之大呢？這是因為，在早期發育時期，大腦的神經可塑性強，當神經系統某一部分出現發育遲緩或是其他不致命的缺失，其他發育的神經細胞可能會自發性地像是“替補隊員”一樣來適應這種空缺的情況，彌補不足，儘量幫助神經系統正常運行。
在先天性小腦缺失的這種情況中，很有可能大腦的某些神經細胞當了小腦的“替補隊員”，行使了小腦本該負責的功能，如行走、說話等等，使得病人保有部分能力但並不能完美無缺（如這第9位元最新發現的情況是，發育比較緩慢、說話不清楚、走路不穩）。
這麼說來可能還是無法讓人覺得小腦有多麼重要，那是因為我們人類現在變懶了，一天到晚都是坐著，即使坐著也能生存下去，所以讓人覺得好像運動和語言的精准度並沒有那樣重要。實際上，如果沒有讓我們精准地控制四肢和身體的小腦，我們連鑽木取火這一最古老的技能都做不到，哪裡還談得上逃離危險甚至狩獵，直至進化到今天呢？
最短和最長的神經細胞
難易程度
對人類來說，神經細胞因其功能種類在人體位置的不同，長度從2納米到1米多不等。
一般大家認為最長的人類神經細胞是坐骨神經（sciatic nerve），其軸突（axon）始於骨盆中間的位置，經大腿，到膝蓋，在膝蓋上方分叉。它的最長的分支叫脛神經（tibial
nerve），從膝蓋到大腳指頭。人們常常說坐骨神經是最長的，其實是坐骨神經加這個，加起來可達1米多。
但嚴格地講，最長的應該是正中神經（median nerve）和尺神經（ulnar nerve），這兩個都是一口氣從肩膀到手腕，然後再到手指尖。這個長度比大腿或小腿的都長。
冷知識：嚴格說來，人最長的神經細胞是肩膀到手指尖的正中神經和尺神經。當然啦，這和長頸鹿先生的比不得的。人家從脖子到腳指頭，傳入神經足足有5米！
在動物裡，我查到最長的神經細胞是長頸鹿的傳入神經（primary afferent neuron），從脖子到腳指頭，可達5米長。
神經細胞的長度特別有名，是因為它的軸突的主要功能是傳輸資訊，為了快，肯定一根軸突傳到底。就好像是快馬送信一樣，如果馬的速度不會因勞累而減弱或是有其他的任務要辦，肯定是不會在驛站中轉的。神經細胞也是一樣的道理。（當然這是在資訊“只需要走一條線，不需要到多個目的地”的前提之下。）而最小的神經細胞，就是上篇裡提到的小腦裡的顆粒細胞。
Sheldon送給Amy的生日禮物——Cajal的神經細胞插圖
難易程度
說到神經細胞，就不得不提到腦細胞結構研究的奠基人，西班牙神經學家Santiago Ramóny
Cajal（聖地牙哥·拉蒙-卡哈爾）。在工作不繁忙的一年裡，他在業餘時間默默地畫了幾百個腦細胞插圖，在一百多年後的今天，這些插圖還用於大學教學當中。這些插圖讓他在1906年獲得諾貝爾醫學獎，也被認為是現代神經科學之父。
在《生活大爆炸》（The Big Bang Theory）第七季的某一集，Sheldon（謝耳朵）讓他的女助手給Amy（艾米）買禮物時，助手的壓軸禮物便是Cajal的手稿。在那一刻，我相信所有學神經學的人心中都會驚聲尖叫……我導師的辦公室裡掛著一張Cajal手稿的複製品，我第一次走進她的辦公室時，就驚叫：“那是真作嗎？！”神經科學的浪漫你不懂……
Cajal最有代表性的一張手稿：浦肯野細胞（Purkinje
Cell）
最近也有藝術家將Cajal的插圖與藝術結合，製作出非常有東方韻味的藝術品。譬如說，之前給美國卡內基梅隆大學做過一個超美的神經細胞作品的Greg
Dunn（格雷戈·鄧恩），感興趣的可以去他的個人網站上看他的作品。
記得大三有視覺神經課，第一節課就是講Cajal的各種故事和插圖。他是個極其叛逆的人，非常抵抗權威，父母希望他能夠和他們一樣從事醫學工作，有一天帶他去郊外的墳場找屍體的碎片帶回家畫（這是什麼爸媽啊！）。結果畫骨骼是Cajal對醫學產生興趣的轉捩點——不會畫畫的流氓不是好神經科學家。他一個人一年業餘時間所做的工作，比很多人一輩子做的都還多。想想自己，老是抱怨“沒空”“太忙”，實際上都是些藉口罷了，這就是平庸和傑出之間的差距吧。
神經細胞的好伴侶——膠質細胞
難易程度
在神經系統中，除了廣為人知的神經細胞以外，還有種細胞比神經細胞數量更多，那就是膠質細胞（glial
cells）。就現在的知識來看，膠質細胞在中樞神經系統裡扮演著神經細胞的“老媽子”的角色，或者說做著各種行政工作，包括為神經細胞提供框架支援、營養供給、維持穩定的“生活”環境等等。而且膠質細胞種類繁多，各司其職、長得也特別不一樣。
粗暴一點說，可以將膠質細胞大致分為兩大類，一種叫大膠質細胞（macroglia，中文翻譯好搞笑，我老是打成“大腳指細胞”），包含有很多分工明確的細胞，比如星形膠質細胞（astrocytes）、神經膜細胞（schwann cells）等等。其中，星形膠質細胞是數量最多的膠質細胞，它填充了神經細胞之間的空隙：它和神經細胞一般只隔著20納米！那真的是臉貼臉，腿夾著腿了。不令人驚訝的，星形膠質細胞的一大工作就是為神經細胞們提供穩定的生活環境。
另一種神經膠質細胞，叫小膠質細胞（microglia），作用相當於在腦和脊髓裡的巨噬細胞。它的作用是清除中樞神經系統中的損壞的神經。
另一大類膠質細胞叫小膠質細胞（microglia），雖然只占膠質細胞數量的20%，但它的角色非常重要——中樞神經系統裡的免疫細胞。它的工作任務是清除腦和脊髓裡的感染性物質和已經壞掉的神經細胞，現已發現和帕金森病、阿茨海默病有很大的關係。
可惜的是，我們對膠質細胞的作用瞭解得還不夠充分，它們的作用很有可能比我們想像的重要得多。而且在很多難以攻克的神經科學難題上有著關鍵作用，如神經再生。因此，也有科學家稱膠質細胞為神經科學裡“沉睡的巨人”——只是，不知何時我們才能將這個巨人喚醒。
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