　　每个人都是独特的，我们早就清楚这一点，但科学家一直没有弄明白人的独特性体现在哪里。承现峻认为，它就藏在大脑神经元的连接方式中。连接组（connectome）是指神经系统中神经元连接的总和，是遗传和生活经历发生相互作用的结果，是先天与后天的结合点。
　　承现峻的文字优雅清晰，富于幽默感，他在书中介绍了神经科学的发展历程、基础知识，以及神经组学的研究方法与成果。这项工作如同攀登科学界的珠穆朗玛峰，如果成功，将为个性、智能、记忆等的研究提供基础，对孤独症、阿尔茨海默症、精神分裂症等精神疾病的治疗产生极大影响，人工智能也将由此获得希望。

作者简介

　　承现峻（Sebastian Seung），美国普林斯顿大学神经科学研究所与计算机科学系教授。在人工智能和神经科学领域做出诸多重要发现，多篇论文发表于专业学术期刊，学术成果得到《纽约时报》、《技术评论》、《经济学人》等媒体的报道。公民科学共同体“Wired Differently”科学项目主管。2010年的TED演讲“我是我的连接组”（I am my connectome）将连接组学带入了公众视野。

　　孙天齐，笔名苏椰，科学传播团体“科学松鼠会”成员，曾就职于清华大学生物医学工程系，研究人工智能、神经系统建模，目前自主创业。译有《艾伦?图灵传：如谜的解谜者》一书。

序
引言
第一部分尺寸重要吗？
一从天才到疯子
二边界争端
第二部分连接主义
三神经元不孤单
四一路向下，全是神经元
五记忆的形成
第三部分先天与后天
六基因森林
七更多潜力
第四部分连接组学
八眼见为实
九沿路追踪
十划分
十一破译
十二对比
十三改变
第五部分超级人类
十四冷冻还是腌制？
十五另存为……
尾声

精彩书摘

　　神经元是我第二喜欢的细胞，仅次于我最喜欢的——精子。如果你从来没有在显微镜下观赏过波澜壮阔的精子，我建议你马上揪住一位生物学家朋友的衣领，要求他或者她带你去看一看。精子们为不辱君命，而风雨兼程，视死如归，你会为此感慨万千。一个精子，就像一位只带了一只小小行囊的使者。那里面有线粒体，为它的尾巴提供微小的力量，鞭策它前行。还有DNA，这是一种分子，承载着生命的蓝图。它没有头发，没有眼睛，没有心脏，也没有大脑——它们空无一物地漂游。它们只有信息，用A、C、G、T四个字母写在DNA上。
　　如果这位生物学家朋友还愿意继续陪你玩，那就再请他带你看看神经元。精子引人入胜之处在于它不竭地运动，而神经元则会以它美丽的形态让你叹为观止。如同普通细胞一样，神经元也有一个平凡的圆形部分，里面包裹着细胞核和DNA。但是胞体只是画面的一小部分，你还会看到修长的分支伸展开来，分支又分支，就像一棵树。精子是明快的极简主义，但神经元却是巴洛克式的华丽。（如图13）
　　图13 我最喜欢的细胞——精子正在使卵子受精（左图）和一个神经元（右图）。1
　　即使置身于一亿规模的队伍中，每个精子也是独自为战。它们当中最多只能有一个胜者完成使命，令卵子受精。这是一场胜者通吃的战争。当一颗精子成功时，卵子的表面就会发生变化，形成一层屏障，阻止其他所有的精子再进入。无论双方的主人是美满的爱人还是行苟且之事，总之精子和卵子都会结成彼此忠贞的一对。
　　但与精子不同，神经元从不知孤单为何物，它们都是多情种。每个神经元都会同时与其他上千个神经元拥抱，它们的分支意大利面似的纠缠在一起。所有的神经元组成了一个紧密连接的网络。
　　精子和神经元，象征着世间最大的两个谜：生命和智能。生物学家希望能了解，精子携带的那些宝贵的DNA如何编码构造一个人类所需的一半信息。而神经科学家好奇的则是，这个神经元大网络如何能够思考、感觉、记忆和认知——也就是说，大脑如何能够产生美妙的心智现象。
　　我们的身体精密非凡，但大脑却以如谜的方式，占据着至高无上的君王地位。心脏泵送血液，肺部吸入空气，就像房子的管道一般。它们也都很复杂，但是并不是谜。思维和情绪则不同。我们到底能否理解它们，理解大脑的工作原理？
　　千里之下，要始于足下。要想了解大脑，何不先了解它的细胞？虽然神经元也是细胞的一种，但它却远远比其他细胞复杂，这从它那些华丽的分支就不难看出来。尽管我已经研究了这么多年神经元，但我仍然会为它们的宏伟所震撼。我想到了地球上最壮观的树，加利福尼亚红杉树。如果你想知道自己多么渺小，那就去墨尔红木公园（Muir Woods），或者北美洲西岸的其他红木森林去看一看吧。你会见到那些生活了几个世纪，甚至上千年的大树，它们在如此漫长的岁月里，长成了令人眩晕的高度。
　　我用巨塔般的红杉树来类比神经元，是不是太夸张了？如果从绝对尺寸上来说，确实是的，但如果进一步想想，你会发现它们是完全可以媲美的自然奇观。红杉树的小枝，细到只有一毫米，与整棵树球场般的高度相比，是十万分之一。而神经元的一个分支，称为神经突，长度可以从大脑的一边延伸到另一边，而它的直径却只有0.1微米，是长度的一百万分之一。2如果考虑这个相对比例，红杉树与神经元相比，简直是小巫见大巫了。
　　那么为什么神经元要有神经突？为什么它们要像树一样长很多分支？对于树来说，长枝条的原因是显而易见的：树冠要接收光照，那是它的能量来源。一条光线穿进树冠，就会被某一片树叶接收，而不会照到地面。类似地，神经元长成这样，是为了接收联络。如果一条神经突从另一个神经元的神经突中间穿过，它可能就会接触其中的某一条。就像红杉树“想要”被光照射一样，神经元“想要”与其他神经元接触。
　　……

前言/序言

　　任何路，任何足迹，都不曾越过这片森林。只有纤长而柔美的枝条，它们生生不息，以令人窒息的样子，占领着一切空间。它们彼此纠缠，其间的缝隙之狭窄，让阳光也望而却步。曾有一千亿颗种子同时播下，长出这片黑暗森林，而所有的树木，又注定将在一朝赴死。
　　这是一片宏伟的森林，是喜剧的森林，也是悲剧的森林。这片森林是很多，有时我想，这片森林是一切。所有的小说和所有的交响乐，所有残忍的谋杀和所有仁慈的善举，所有的爱情和所有的争执，所有的幽默和所有的忧伤——都来自这片森林。
　　你可能会讶异，这片森林存在于直径不及一尺的空间里。地球上有70亿这样的森林，你正是其中之一的主人，它就生长在你的颅骨里。我所说的树木，是一种特殊的细胞，叫作神经元。神经科学的目标，就是去探索它们那些奇异的枝条，征服这片心灵丛林。（图1）
　　图1 心灵丛林——大脑皮层上的神经元。通过卡米洛?高尔基（Camillo Golgi，1843–1926）的方法染色，由圣地亚哥?拉蒙?卡哈尔（Santiago Ramón y Cajal，1852–1934）绘图。
　　神经科学家们听到了它们的话语，即大脑中的电信号。他们用精准的图画和照片，揭示了神经元的形态。可是，仅凭一些零散的树，如何理解这整片森林？
　　17世纪，法国哲学家和数学家布莱士?帕斯卡（Blaise Pascal）这样形容宇宙的广袤：
　　让一个人抛开眼前卑微的事物，望望整个自然界的伟大和庄严。让他看那炽燃的大光，像一盏永恒的明灯照耀着世界。让他看到地球，再让他知道，相比于太阳的大圆，地球只是一个点。让他惊讶，太阳的大圆，在天穹上那些星宿看来，也是一个微小的点。1
　　这些想法使帕斯卡感到震撼，感到自己的渺小，他承认“永恒的沉寂和无限的空间”2使他恐惧。他思考的是外面的空间，然而我们只需要想想“思考”本身，便能感受到和他一样的恐惧。每个人的颅骨当中，都坐落着一个宏伟的器官，这个器官，恐怕亦是无限复杂。
　　作为一个神经科学家，我切身地理解帕斯卡的恐惧，与此同时，我还体会到某种尴尬。有时我面向公众，讲述我们领域的进展，每次这样的演讲之后，我都会被大量的问题轰炸：是什么导致了抑郁症和精神分裂？爱因斯坦和贝多芬的大脑有什么特殊？怎么才能让我的孩子学习更好？对于这样的问题，我无法给出令人满意的答案，于是听众的脸色就变了。我很不好意思，最后只能向听众道歉：“对不起，你们以为我当教授是因为我知道所有的答案；但实际上，我当教授恰恰是因为我知道我有多么无知。”
　　研究一个像大脑这么复杂的东西，看起来几乎是一种徒劳。大脑里面有上千亿个神经元，它们就像很多不同种类、形态各异的树。只有最富决心的探险家，才敢走进这样的森林去看一看，但他们走进去之后，却只能看到一点，而且看不清。毫无疑问，大脑仍是一个谜。且不用说我的听众所好奇的，大脑的疾病和特殊优势，哪怕是最平凡的问题，我们现在也很难解释。我们每天都要回忆过去，感知当下，想象未来，大脑是怎么做到这些的？我敢明确地说，没有人真正知道。
　　鉴于人类大脑的复杂性，有些神经科学家转而去研究一些神经元特别少的动物。比如图2中的虫子，它并不具有我们称之为“脑”的器官，它的神经元分散在全身各处，而不是集中于一个器官中。3它总共只有300个神经元，这些神经元组成了它的神经系统。这听起来很容易研究，我相信即使悲观如帕斯卡，也不会对秀丽隐杆线虫（C. elegans，这是这种一毫米长的虫子的学名）的森林感到恐惧。
　　图2 秀丽隐杆线虫。4
　　这种虫子的每一个神经元都有特定的位置和形态，并且被赋予了唯一的名称。这些虫子就像工厂流水线上大规模生产出来的一种精密机器：每只虫子的神经系统，都由一套相同的零件组成，其中的每个零件，总是按照同样的方式组装。
　　此外，这个标准化的神经系统的结构，已经被我们完全测绘出来了。其结果就是图3，看起来很像航空杂志封底的航线图。每个神经元都有一个由四个字母组成的名称，就像每个机场都有一个三个字母的名称。那些线段表示神经元之间的连接，就像航线图中的线段表示城市之间的航路。如果两个神经元之间，有一个叫作突触的交会点，我们就说这两个神经元是“有连接的”。通过突触，一个神经元可以把信息传递给另一个神经元。
　　图3 秀丽隐杆线虫的神经系统结构图，或称为“连接组”。5
　　工程师们都知道，要制造一个收音机，就要把电阻、电容、晶体管这些电子元件连接起来。类似地，要组建一个神经系统，就要通过神经元的那些纤细的枝条，把它们连接起来。因此，像图3这样的图，最初被称为“线路图”。而最近，我们提出了一个新的术语，把它称为“连接组”（connectome）。这个词不再是受电子工程师的启发，而是受基因组学的启发。你可能听说过，DNA是一个由分子组成的长链条，这个链条上的每个点叫作核苷酸。核苷酸有四种，分别用字母A、C、G和T来表示。而你的基因组（genome），就是你的DNA上这些核苷酸组成的全体序列，或者你可以把它看成由四种字母组成的一个很长的字符串。这个字符串总共有大约30亿个字符，如果写成一本书，将有100万页的厚度，6图4为你展示其中一个小片段。
　　图4 人类基因组的一个小片段。
　　同样，一个连接组，就是一个神经系统中，各个神经之间的连接的全体。这个术语与基因组一样，意味着全体。一个连接组不是一条连接，也不是很多连接，而是所有的连接。理论上来说，你的大脑也可以用一个线路图表示出来，就像那条虫子一样，但是你的大脑要复杂得多。那么，你的连接组，能够说出什么有趣的事情呢？
　　首先，它能够说明一个道理——你是独一无二的。你可能会说，你早就知道这一点，那是当然，不过要想搞清楚你的独特性是由什么导致的，这曾经是惊人地困难。你的连接组与我的连接组之间存在巨大的差异，这与那些虫子的标准化连接组不同。从这个角度来说，每个人都是独特的，但那些虫子却并不是。7（我无意冒犯虫子们！）
　　参差多态，乃幸福本源。研究大脑的工作原理时，最让我们感到有趣的就是，每个人的大脑运转得竟然如此不同。为什么我不能像那个外向的朋友一样开朗？为什么我的儿子读书就是赶不上他的同学？为什么我的小表弟产生了幻听？为什么我妈妈失忆了？为什么我的爱人（或者我自己）不那么善解人意？
　　这本书会提出一个简单的理论：心灵与思维之不同，正是因为连接组之不同。有些报纸的标题常常暗含着这个理论，例如《孤独症患者的大脑与常人不同》。连接组也许还能解释个性和智商，可能还有你的记忆。你的记忆是你身上最为独特的部分，而它们也许就编码在你的连接组里。
　　虽然这个理论早已流传了很长时间，但是神经科学家们仍然不知道它是否正确，不过很显然，这个理论的意义非常重大。如果它是对的，那么治疗精神障碍的根本方法就是修复连接组。事实上，一个人的任何改变，比如提高素质，少喝点酒，或者挽救一段婚姻，其实都是对连接组的改变。
　　再来看一个不同的理论：心灵与思维之不同，是因为基因组之不同。简而言之就是，你的基因组使你成为你。现在这个时代，个人基因组测序已经不是什么难事，再过不久，就可以便宜又快速地测出我们自己的DNA序列。而且我们还知道，在精神障碍或者一些普通特质，比如个性和智商中，基因确实有其作用。那么，既然对基因组的研究已经如此深入，为什么还要研究连接组呢？
　　原因很简单：单凭基因无法解释大脑为什么这样工作。早在你蜷缩在母亲的子宫里的那一刻，你就已经拥有了你的整个基因组，可是在那时，你却并没有对于初吻的回忆。你的记忆是在一生中不断形成的，而不是先天就有的。有些人会弹奏钢琴，有些人会骑自行车，这些都是后天学会的技能，而不是随着基因而来的本能。
　　从你的母亲受孕的那一刻起，你的基因组就已经固定了，8但与此不同，你的连接组在你的一生当中始终在改变。神经科学家们指出了这些基本的改变是如何发生的。首先，神经元会调整彼此之间的连接，使它们变得更强或弱，从而给这些连接重新赋予权重。其次，神经元还能创建新的突触，或者去掉一个突触，这样它们就能重新连接，它们还能通过生长新的枝条或收回原有的枝条来改变连线的结构。最后，新的神经元会不断地产生，旧的神经元会不断地死去，这些会使连接发生重建。
　　我们还不知道你的生活经历——比如你父母的离异，或者你传奇的海外经历——具体是如何改变你的连接组的。但是，有很多证据能够表明，这四个“重新”——重新赋权，重新连接，重线连线，重新建立——会受到你的经历影响。与此同时，这四个重新也受基因的指挥。基因确实会影响心智，尤其是在幼年和童年，大脑开始建立连接的时候。
　　连接组是由先天的基因和后天的经历共同塑造的，如果要解释大脑如何运转，就必须考虑到这两种影响和作用。“连接组不同论”是兼容于“基因组不同论”的，只是比后者更加丰富、更加复杂，因为它考虑到了你活在这个世界上的后天作用。相比来说，连接组理论不那么具有命运色彩，因为它相信，我们的连接组可以由我们的行为和思维来塑造。大脑的连接结构，使我们成为我们，但反过来，我们也在影响大脑的连接结构。
　　这个理论总结起来就是：
　　你不只是你的基因组，你是你的连接组。

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