大腦的重塑

兩歲時(shí)，本（Ben）左眼開始看不見東西，被母親帶去醫(yī)院。醫(yī)生查出他的雙眼均發(fā)生了視網(wǎng)膜癌變。在放療和化療失敗后，外科醫(yī)生摘除了他的雙眼。從此，本永遠(yuǎn)地失去了視覺。

(資料圖片僅供參考)

不過，在七歲的時(shí)候，本發(fā)明了一個(gè)解碼周圍世界的技巧：用嘴巴發(fā)出類似鎖門時(shí)的“咔噠”聲，并傾聽回聲。通過這個(gè)方法，本可以定位出門廊、人們、停靠的車和垃圾桶等物體的位置。他的這種行為被稱作回聲定位（echolocating）：向環(huán)境中的物體發(fā)射聲波，并捕捉反射的回聲，來建立一個(gè)周邊環(huán)境的心理模型。

雖然回聲定位聽起來像是一門人類不可能掌握的技能，但目前已有數(shù)千名盲人和本一樣熟練掌握了這一技巧。這一現(xiàn)象早在20世紀(jì)40年代便有記錄——發(fā)表于《科學(xué)》的一篇名為《盲人、蝙蝠和雷達(dá)的回聲定位》（Echolocation by Blind Men, Bats, and Radar）的文章，首次提出“回聲定位”這個(gè)詞。

失明是如何讓一個(gè)人產(chǎn)生用雙耳理解周邊環(huán)境的驚人能力的？答案就藏在演化賦予人類大腦的一項(xiàng)天賦中——極強(qiáng)的適應(yīng)性（adaptability）。

-Pablo Ruiz T.-

每當(dāng)我們學(xué)習(xí)新知識(shí)，掌握新技能，或培養(yǎng)新習(xí)慣時(shí)，我們大腦的生理結(jié)構(gòu)會(huì)隨之改變。神經(jīng)元是大腦中負(fù)責(zé)快速處理信息的細(xì)胞，數(shù)以千計(jì)地相互連接，但就像每個(gè)小團(tuán)體中人們的友誼一樣，它們之間的連接也在不斷變化：會(huì)增強(qiáng)，會(huì)減弱，也會(huì)找到新的伙伴。在神經(jīng)科學(xué)中，我們把這種現(xiàn)象稱作“大腦可塑性”（ brain plasticity），指的是大腦可以像塑料一樣呈現(xiàn)出新的形狀并保持下去的能力。不過，最新的研究發(fā)現(xiàn)，大腦的靈活性遠(yuǎn)比它維持某個(gè)形狀的能力更為細(xì)微復(fù)雜。為描述這一特征，我們用“活線”（livewiring）來形容腦可塑性，以突出體現(xiàn)大腦這個(gè)由860億神經(jīng)元和200萬億個(gè)連接組成的龐大系統(tǒng)，是如何無時(shí)無刻不在重塑（rewire）的。

神經(jīng)科學(xué)家們?cè)欢日J(rèn)為，大腦的不同區(qū)域生來就是用于執(zhí)行特定的功能的，但這個(gè)舊范式現(xiàn)已被新的發(fā)現(xiàn)推翻。大腦的某個(gè)區(qū)域最初可能被分配來處理某個(gè)特定的任務(wù)。比如，我們的大腦后部就因?yàn)榻?jīng)常處理視覺，所以被稱作“視覺皮層”（visual cortex），但這個(gè)區(qū)域也可以被重新指派給別的任務(wù)。視覺皮層的神經(jīng)元并沒有什么特別的，在視覺正常的人身上，它們只是恰好被用來處理形狀或色彩，但在失明者身上，同樣的神經(jīng)元可以重塑，以處理其他形式的信息。

大自然賦予人類大腦充分的靈活性，以適應(yīng)環(huán)境。大腦這種可以重新配置（reconfigure）的能力，就像鋒利的牙齒和飛跑的雙腿一樣，是很有利于生存的。大腦的活線使我們有可能學(xué)習(xí)、記憶和開發(fā)新的技能。

-Vova Brown-

在本的例子中，由于大腦的靈活重塑，視覺皮層轉(zhuǎn)而用來處理聲音。于是，本有了更多的神經(jīng)元可以用來處理聽覺信息，而這一增強(qiáng)的處理能力，也讓本得以解讀聲波中的驚人細(xì)節(jié)。本的超級(jí)聽力顯示出一個(gè)更具一般性的規(guī)律：某項(xiàng)特定感官所占據(jù)的腦區(qū)越多，則該感官的表現(xiàn)也越佳。

近幾十年來出現(xiàn)了一些關(guān)于活線的重要發(fā)現(xiàn)，但最令人驚喜的也許要數(shù)其快速性（rapidity）。大腦回路的重組不只發(fā)生在剛剛失明的人身上，也發(fā)生在短暫性失明的視力正常者身上。在一項(xiàng)研究中，視力正常的參與者在短期內(nèi)突擊學(xué)習(xí)如何閱讀布萊葉盲文（Braille），在這個(gè)過程中，有半數(shù)參與者被蒙上了雙眼。經(jīng)過五天的學(xué)習(xí)，蒙住眼睛的參與者比沒有蒙住眼睛的參與者更能分辨出盲文符號(hào)之間的細(xì)微差別。更引人注意的是，蒙住眼睛的參與者大腦的視覺區(qū)域，能對(duì)觸摸和聲音產(chǎn)生反應(yīng)，被它們所激活。當(dāng)視覺皮層的活動(dòng)暫時(shí)被打斷，蒙住眼睛的參與者的盲文閱讀優(yōu)勢(shì)也不復(fù)存在。換句話說，蒙住眼睛的參與者在涉及到觸摸的任務(wù)中表現(xiàn)得更好，是因?yàn)樗麄兊囊曈X皮層被征募過來提供幫助。眼罩取下后，視覺皮層在一天之內(nèi)就恢復(fù)了正常，不再對(duì)觸摸和聲音產(chǎn)生反應(yīng)。

但這樣的變化并不一定要花五天，那只是剛好是去測(cè)量的時(shí)間。當(dāng)我們對(duì)蒙住眼睛的參與者進(jìn)行持續(xù)的測(cè)量，大約一個(gè)小時(shí)內(nèi)，就在視覺皮層中觀察到了涉及到觸摸的活動(dòng)。

-Tang Yau Hoong-

做夢(mèng)——視覺區(qū)保衛(wèi)戰(zhàn)

大腦的靈活性和皮層的快速接管又和做夢(mèng)有什么關(guān)系呢？這其中的關(guān)聯(lián)也許比我們以前認(rèn)為的更多。顯然，通過把視覺皮層重新分配給其他感官，本受益匪淺，因?yàn)樗谰玫厥チ穗p眼，但對(duì)實(shí)驗(yàn)中的蒙眼參與者來說呢？如果我們的某項(xiàng)感官缺失只是暫時(shí)的，那么，其它感官對(duì)腦區(qū)的快速占領(lǐng)也許就沒那么有益。

而我們認(rèn)為，這就是我們做夢(mèng)的原因。

在無止休的腦區(qū)爭奪中，視覺系統(tǒng)面對(duì)著一個(gè)獨(dú)特的問題：由于地球自轉(zhuǎn)，每隔24小時(shí)，所有動(dòng)物平均都會(huì)有12個(gè)小時(shí)被籠罩在黑暗中（當(dāng)然，這是指演化過程中的大部分時(shí)間，不包括我們當(dāng)下的電氣化世界）。我們的祖先們?cè)谝簧?dāng)中的每個(gè)夜晚，實(shí)際上都成了不知情的蒙眼實(shí)驗(yàn)參與者。

那么，祖先們大腦的視覺皮層，如何在雙眼缺乏信息輸入的情況下，守衛(wèi)住自己的領(lǐng)土呢？

我們認(rèn)為，大腦守住視覺皮層腦區(qū)的方式，是讓它在夜間保持活躍。根據(jù)我們的“防御性活躍理論”（defensive activation theory），有夢(mèng)睡眠（dream sleep）的存在是為了使視覺皮層的神經(jīng)元保持活躍，從而抗擊鄰近感官的占領(lǐng)。從這個(gè)角度來看，夢(mèng)境以視覺為主，正是因?yàn)橐曈X是唯一被黑暗置于不利地位的感官。因此，只有視覺皮層在某種程度上是脆弱的，有必要通過內(nèi)部生成的活動(dòng)來守住它的腦區(qū)。

-Dan Gartman-

證據(jù)

1. 隨著年齡增長，人的大腦靈活度逐漸減少，而快速眼動(dòng)睡眠比例也隨之減少

在人類的睡眠中，每隔90分鐘就會(huì)出現(xiàn)一段快速眼動(dòng)（REM）睡眠，大多數(shù)夢(mèng)境就發(fā)生在這個(gè)時(shí)候（雖然在非REM睡眠中也會(huì)出現(xiàn)某些形式的夢(mèng)境，但這些夢(mèng)境是抽象的，缺乏REM夢(mèng)境的視覺生動(dòng)性）。

快速眼動(dòng)睡眠由一組能直接激活大腦視覺皮層的特定神經(jīng)元觸發(fā)，讓我們即使閉上眼睛也能體驗(yàn)到視覺?？梢酝茰y(cè)，視覺皮層的這種活動(dòng)，就是夢(mèng)境如繪畫般和電影般的原因（在快速眼動(dòng)睡眠狀態(tài)下，激發(fā)夢(mèng)境的回路也會(huì)麻痹你的肌肉，這樣大腦在模擬視覺體驗(yàn)的同時(shí)就不會(huì)移動(dòng)身體）。這些回路在解剖學(xué)上的精確性，意味著有夢(mèng)睡眠具有生物學(xué)上的重要性——如果沒有重要的功能，像這樣精確而普遍的回路是很難演化出來的。

關(guān)于夢(mèng)境，防御性活躍理論做出了一些明確的預(yù)測(cè)。例如，大腦的靈活度會(huì)隨著年齡增長而減弱，那么，在人的一生中，快速眼動(dòng)睡眠在整個(gè)睡眠周期所占的比例也應(yīng)該逐年減少。而事實(shí)也正是如此：人類嬰兒的快速眼動(dòng)睡眠約占睡眠時(shí)間的50%，但在老年人身上這個(gè)比例下降到了約18%。隨著大腦的靈活度降低，快速眼動(dòng)睡眠似乎也變得不再那么必要。

-Veronika Stehr-

2. 大腦靈活度越高的物種，每晚用于快速眼動(dòng)睡眠的時(shí)間也越長

當(dāng)然，這兩者之間的聯(lián)系并不足以證明防御性活躍理論。為進(jìn)一步驗(yàn)證該理論，我們將調(diào)查范圍擴(kuò)大到人類以外的動(dòng)物。防御性活躍理論做出了一個(gè)明確的預(yù)測(cè)：某種動(dòng)物的大腦靈活度越高，為保護(hù)睡眠狀態(tài)下的視覺系統(tǒng)，其所需的快速眼動(dòng)睡眠也就應(yīng)該越多。因此，我們研究了25種靈長類動(dòng)物的大腦在出生時(shí)的“預(yù)編程”（pre-programmed）程度和與之相對(duì)的靈活度。預(yù)編程程度該如何測(cè)量呢？我們研究了這幾種動(dòng)物發(fā)展所需的時(shí)間：多長時(shí)間斷奶、多長時(shí)間學(xué)會(huì)走路，以及進(jìn)入青春期需要多少年。某種動(dòng)物的發(fā)展速度越快，大腦的預(yù)編程程度越高，也就是說，靈活度越差。

研究發(fā)現(xiàn)，大腦靈活度越高的物種，每晚用于快速眼動(dòng)睡眠的時(shí)間也越長，這與預(yù)測(cè)結(jié)果相一致。大腦靈活度和快速眼動(dòng)睡眠，這兩個(gè)最初看似不相關(guān)的指標(biāo)，事實(shí)上是有所關(guān)聯(lián)的。

順帶一提，在我們研究的靈長類動(dòng)物中，有兩種是夜行動(dòng)物。但這并不改變假說：動(dòng)物無論是在晚上還是在白天睡覺，視覺皮層都有被其他感官接管的風(fēng)險(xiǎn)。夜行性靈長類動(dòng)物配備了強(qiáng)大的夜視能力，在夜間運(yùn)用視覺尋找食物和躲避捕食。但之后當(dāng)它們?cè)诎滋焖X時(shí)，雙眼緊閉，無法再有視覺輸入，因此，它們的視覺皮層也需要防御。

-Dominik Mayer-

3. 先天失明（或幼年失明）的人不會(huì)在夢(mèng)中體驗(yàn)到視覺圖像

夢(mèng)境回路有著根本意義上的重要性，以至于先天失明的人也會(huì)做夢(mèng)。但先天失明（或幼年失明）的人不會(huì)在夢(mèng)中體驗(yàn)到視覺圖像，而是有其他的感官體驗(yàn)，例如摸索著走過一間重新布置過的客廳，或是聽見奇怪的狗叫聲。這是因?yàn)槠渌泄僖呀?jīng)占據(jù)了他們的視覺皮層。也就是說，盲人和視力正常的人在做夢(mèng)時(shí)活躍的腦區(qū)是一樣的，只是兩者在該腦區(qū)中所處理的感官有所不同。值得注意的是，比起幼年失明的人，7歲以后失明的人做夢(mèng)時(shí)有更多的視覺內(nèi)容。這也與防御性活躍理論相一致：大腦的靈活度隨年齡增長而降低，因此，如果失明時(shí)年齡較大，非視覺感官就不能完全征服視覺皮層。

4. 被剝奪視覺輸入就會(huì)出現(xiàn)視覺幻覺

如果夢(mèng)境是因?yàn)槿狈σ曈X輸入而引發(fā)的視覺幻覺，那么可以預(yù)料到，類似的視覺幻覺，在那些清醒時(shí)被慢慢剝奪了視覺輸入的人身上，也可能發(fā)現(xiàn)。而對(duì)于眼球退化的人、被固定在鐵肺（tank-respirator）*里的病人和被單獨(dú)關(guān)禁閉的囚犯來說，事實(shí)也正是如此。在所有這些情況下，人們都會(huì)看見并不存在的東西。

*譯者注

tank-respirator：又稱iron lung，即鐵肺，是一種協(xié)助喪失自行呼吸能力的病人進(jìn)行呼吸的醫(yī)療設(shè)備。使用者大多數(shù)是患上脊髓灰質(zhì)炎和重肌無力癥等病患而引起呼吸肌肉麻痹的病人。鐵肺是一個(gè)連接著泵的嚴(yán)密封閉金屬筒，病人躺在筒內(nèi)，只剩下頭部露于外面。當(dāng)鐵肺的泵吸入及抽出空氣時(shí)，由于筒內(nèi)氣壓的改變，使病人的胸廓產(chǎn)生相應(yīng)膨脹或壓縮，令病人能夠進(jìn)行被動(dòng)性呼吸運(yùn)動(dòng)。

我們發(fā)展了防御性活躍理論，以解釋長時(shí)間處于黑暗中所出現(xiàn)的視覺幻覺，但該理論可能代表著一個(gè)更普遍的原則：大腦已演化出特定的回路，會(huì)在輸入被剝奪的時(shí)間段產(chǎn)生活動(dòng)以作為補(bǔ)償。這在幾種情況下可能發(fā)生：（1）剝奪有規(guī)律且可預(yù)測(cè)（如睡覺時(shí)做夢(mèng)）；（2）感官輸入通路受損（如耳鳴或幻肢綜合征）；（3）剝奪不可預(yù)測(cè)（如由感官剝奪引起的幻覺）。從這個(gè)角度來看，在剝奪時(shí)期出現(xiàn)幻覺實(shí)際上可能是系統(tǒng)的一個(gè)特征，而不是故障。

-lipika S-

當(dāng)前研究與結(jié)論

我們現(xiàn)在正努力完成對(duì)整個(gè)動(dòng)物王國的各個(gè)物種進(jìn)行系統(tǒng)性對(duì)比。目前來說，證據(jù)是振奮人心的。有些哺乳動(dòng)物出生時(shí)還未成熟，無法調(diào)節(jié)自己的體溫，也不能獲取食物或是自我保護(hù)（比如小貓、小狗和雪貂）；而有些哺乳動(dòng)物一出生就已成熟，在子宮里就長出了牙齒和毛發(fā)，可以睜眼，并有能力調(diào)節(jié)體溫，出生后不到一小時(shí)就會(huì)走路，能吃固體食物（比如豚鼠、綿羊和長頸鹿）。出生時(shí)未成熟的動(dòng)物的快速眼動(dòng)睡眠比出生時(shí)成熟的動(dòng)物多達(dá)8倍。這是為什么？因?yàn)楫?dāng)幼仔的大腦高度靈活時(shí)，該系統(tǒng)需要更多的活動(dòng)來保護(hù)睡眠中的視覺系統(tǒng)。

從人類有語言以來，夢(mèng)便一直令哲學(xué)家、牧師和詩人困惑不解。夢(mèng)有什么意義？夢(mèng)境是否預(yù)示著未來？近幾十年來，作為神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域的核心未解之謎之一，夢(mèng)一直備受神經(jīng)科學(xué)家們的關(guān)注。夢(mèng)是否具有更實(shí)際的、功能性的目的？我們認(rèn)為，有夢(mèng)睡眠的存在，至少在一定程度上，是為了防止在視覺不被使用時(shí)，其他感官將大腦視覺皮層占領(lǐng)。夢(mèng)是對(duì)大腦靈活度過高的平衡。因此，盡管長期以來，夢(mèng)一直都是歌謠和故事的主題，但也許，夢(mèng)也可以被更好地理解為，是大腦可塑性和地球自轉(zhuǎn)的奇異的愛之結(jié)晶。

作者：David Eagleman & Don Vaughn

翻譯：牙牙|審校：Sixin |封面：lipika S

編輯：山雞

原文：https://time.com/5925206/why-do-we-dream/