神秘的量子生命：思想如何产生？

思想是如何产生的

在这一部分，我们从三万年前洞穴岩壁上出现第一笔赭红色的线条开始，让时间倒回，我们会看到壁画作者手臂上的肌肉在描绘线条的那一刻是如何收缩，而支配这块肌肉的运动神经又是通过何种方式引起它的收缩，在运动神经元之前，从大脑传出的电信号又如何使运动神经元兴奋，直至回到最初，引起这一切运动的感官信息是如何传入大脑的。我们用倒叙方式的原因是，希望在梳理因果关联中寻找意识插足运动的位置和机制，以确定量子力学是否真的影响了意识的过程。

我们可以想象这样一个场景：远古时代的某位艺术家向昏暗的肖韦洞穴内探头探脑——她极有可能身披熊皮。由于发现壁画的位置在洞穴的最深处，所以她在踏入洞穴时除了几罐颜料之外，应该还带着一支火把。在进洞之后的某个时候，这名画家做出了一个决定，她用一根手指蘸取了罐子里的颜料，开始在岩壁上勾勒一头野牛的轮廓。

那位画家的手臂依靠一种名叫肌球蛋白的蛋白分子才能在岩壁上来回挥舞。肌球蛋白本质上是一种酶，它利用化学能驱动肌肉内纤维蛋白的相对滑动而使肌肉收缩。

阐明肌肉收缩的原理是数百名科学家历时数十载的杰出成果，同时它也是纳米生物工程和动力学研究中的代表性案例。不过在此我们要直接跳过肌肉收缩的分子机制。取而代之，我们的关注点将会放在一个在大脑中瞬息即逝的念头是如何引起肌肉收缩的（见图7-1）。

图7-1　肌肉收缩的全过程

如果真要说的话，这个问题的答案是念头并不能直接使肌肉收缩。让那名艺术家肌肉纤维收缩的最直接动力，来自顺着电势差涌入肌肉细胞的钠离子。由于肌肉细胞外的钠离子比细胞内的钠离子多，这导致细胞膜两侧存在电势差，就像一块充能的小电池。不过，细胞膜上有一些被称为离子通道（ion channels）的孔道，某些种类的离子通道开启时，钠离子得以穿过这些离子通道而流入细胞，而正是钠离子流入时的放电过程引发了肌肉收缩。

那么在这条因果链中我们要问的下一个问题是：肌肉的离子通道为什么会开启呢？答案是，艺术家手臂上与肌肉细胞相连的运动神经元释放的神经递质打开了离子通道。不过又是什么引起了运动神经元释放囊泡里的神经递质呢？每当一种被称为“动作电位”（action potential）的电信号到达神经细胞末端时，就会刺激神经元释放神经递质（见图7-2）。动作电位是所有神经信号工作的基础，值得我们对它的工作原理进行更细致的介绍。

神经元从细胞体向轴突以及神经元末端传递电信号，在末端电信号引起神经递质的释放。神经递质进入突触后被下游神经元的细胞体所接收，引起下一个神经元的细胞体放电，电信号得以从一个神经元传递到下一个。

图7-2　神经元结构与动作电位的传递

神经细胞，也就是神经元，通常十分长而纤细，犹如一条蛇。神经细胞通常可以分为三个部分：它的头部形似蜘蛛，被称为细胞体，细胞体是发起动作电位的位置；动作电位被引发之后就沿着传递的细长部分被称为轴突，还记得嗅觉神经元的扫帚柄吗？就是指这个部分；最终动作电位到达神经元末端，神经递质的释放正是在此（见图7-2）。虽然神经元的轴突看起来像一根小电缆，但是与依靠电子流导电的铜线不同，电流在轴突上传递的方式要聪明得多。

神经元细胞与肌肉细胞类似，细胞外的钠离子通常多于细胞内的。这种浓度差异是依靠神经元细胞膜上主动排出钠离子的离子泵建立和维持的，内外两侧的钠离子浓度差在细胞膜上形成了一个大约0.01伏特的电势差。虽然这个电势差听起来微不足道，但是如果考虑到细胞膜的厚度只有区区几纳米，换句话说，这段电势差跨越的距离也十分小。这意味着跨越细胞膜两侧的电势梯度（也就是电压）实际上达到了100万伏特/米。这相当于1厘米的距离上就有高达1万伏特的电势差，这足以产生击穿火花，用作你车上点燃汽油的火花塞了。(www.xing528.com)

画家手臂上运动神经元的头端，也就是神经元的胞体，与一群叫突触的结构相连（见图7-2），突触类似于神经元与神经元之间的接线盒。与神经和肌肉相连处一样，上游神经元把神经递质释放到连接间隙里。神经递质引起了神经元胞体膜表面广泛分布的离子通道开启，继而导致带正电的离子涌入细胞，引起电势差的急剧降低。

在多数情况下，突触中少量离子通道开启引起的电势差下降并不会产生明显的效应，甚至根本没有什么效应。但是如果进入突触间隙的神经递质数量巨大，那么相应会有数量巨大的离子通道开启，大量的阳离子随即进入细胞，细胞膜上的电势差降到大约-0.04伏特。这是一个重要的阈值，当电压降到这个值时，一些其他种类的离子通道就开始起作用。这些离子通道被称为电压门控通道（voltage-gated ion channels），顾名思义，这些离子通道不是对神经递质敏感，而是对跨膜电压的大小敏感。

以我们的艺术家为例，当她体内神经元胞体的电势降到阈值以下时，这种离子通道就被成堆地激活，使得更多的阳离子冲进细胞内，进一步加剧细胞膜的短路状态。而由此引起的电压下降则又引起更多的电压门控离子通道开启，更多的阳离子进入细胞，更大地促进细胞膜短路。神经元长长的轴突上布满了这种电压门控的离子通道，所以一旦细胞体发生这种短路效应，就会引起细胞膜的多米诺骨牌效应：短路电流-爆发动作电位-电位迅速传递直到神经元末端（见图7-3）。在那里，动作电位刺激神经递质释放，进入神经肌肉接头（neuromuscular junction），引起那位艺术家的手臂肌肉收缩，让她能够在石壁上描绘出野牛的轮廓（见图7-1）。

依靠细胞膜表面的电压门控通道，动作电位沿着神经元的轴突传播。静息状态下，细胞膜外的阳离子比细胞内更多。但是，从上游传来的动作电位改变了细胞膜两侧的电压，引起离子通道的开启，使得一波带正电的钠离子潮（也就是动作电位）涌入了细胞，暂时性地逆转了细胞膜内外的电势差。这个峰值电信号继而引起下游离子通道的开启，形成多米诺骨牌效应，这段脉冲信号向着下游传播直到神经细胞的末端，在那里引起神经递质的释放。当动作电位过去之后，离子泵将细胞膜的电位恢复到静息状态。

图7-3　动作电位传递的横切面图

通过上述说明，你会发现电流信号在神经元和导线中的传递非常不同。首先，神经元中电流的传播方向，也就是电荷运动的方向，并不是沿着电信号在神经元上传播的方向，而是与动作电位传递的方向垂直：电荷通过细胞膜上的离子通道，从细胞外转移到细胞内。此外，一旦爆发动作电位，引发动作电位的离子通道就会立刻关闭。而后离子泵开始工作，恢复细胞膜两侧原来的电位状态。因此，我们有了一种新的角度来看神经信号：它是神经元从细胞体到末端，沿途膜离子通道的顺次开闭，而所谓的神经信号就是这股移动的动作电位。

大多数运动神经元的神经-神经接头位于脊髓。在脊髓，运动神经元会与数百乃至数千个上游神经元建立关联，接受它们释放的神经递质（见图7-1）。其中一些上游的神经元向接头处（也就是突触）释放的神经递质能开启细胞体上的离子通道，让运动神经元更容易爆发动作电位，而另一些神经元释放的递质则倾向于关闭这些通道。通过两种作用相反的上游神经元，每个运动神经元的细胞体都类似于计算机的逻辑门：它们会根据输入信息决定是否爆发动作电位。所以，如果说每个神经元都扮演了一个逻辑门电路的角色，那么由数十亿神经元组成的大脑，就可以被看成是某种意义上的计算机了。这个观点得到了多数认知神经学家的认同，他们称这种理论为心智计算理论（computational theory of mind）。

不过我们有点跳得太快了——大脑的事儿需要先放一放。那位艺术家的运动神经元接受的输入信息多数来自大脑，只有通过神经-神经接头接受足够的神经递质，运动神经元才能爆发动作电位。所有神经元的细胞体遵循因果关联，每个神经元根据它上游输入信息的整体效应决定是否产生兴奋。也就是说，一个神经元是否兴奋由它上游的神经元决定，而上游的神经元则由更上游的神经元决定，如此循序向前，直至我们将这条因果链推回到那位艺术家传递视觉、听觉、嗅觉和触觉的神经以及记忆中心，她的记忆中心里记录着观察野牛的全部感官信息。大脑的神经网络位于传入的感官信息和传出的运动信息之间，它经过逻辑运算和处理，做出是否描绘一头野牛的决定并且在画图过程中下达精确的运动指令。

看起来问题已经解决了：我们已经理清了让那位艺术家在墙壁上挥舞手臂的前因后果。不过是不是还遗漏了什么？到目前为止，我们描述的完全是一种机械的因果关联：感官信息的输入决定运动信息的输出，其中某些信息还要经过大脑内的记忆中心。这与笛卡儿的观点，认为动物只不过是某种机器（我们在第1章里讨论过）有着异曲同工之处，只不过我们把笛卡儿口中的滑轮和杠杆换成了这里的神经、肌肉和逻辑门。

但是不要忘记，即便是笛卡儿也为精神物质的存在留下了余地：灵魂。笛卡儿认为，灵魂是人类一切行为背后的最终主宰。那么我们应该把灵魂放在这条因果链的哪个位置上呢？到现在为止，我们的那位艺术家都还只是一具没有意识的行尸走肉。让她觉得有必要在墙壁上画出一头野牛的意识和想法，究竟出现在信息输入和传出之间的何处呢？这一直是神经科学里的最大疑问。