《大腦》節(jié)選（一）：需求解決的神經(jīng)模型
《大腦》是我正在寫的書，我邊寫邊節(jié)選部分重要內(nèi)容在公眾號分享。今天分享的是大腦如何為機體的需求尋找解決方案。下文中需求解決的神經(jīng)模型，解開了當(dāng)今生命科學(xué)和神經(jīng)科學(xué)的最大的謎團：人類大腦如何工作，以及為什么高級生物需要睡眠。
需求解決的兩個層面
大腦根據(jù)經(jīng)驗建立起解決各種需求的因果關(guān)聯(lián)，大量的關(guān)聯(lián)不需要記錄在基因中，這樣大大節(jié)約了基因數(shù)量。需求的解決分成兩個層面：植物神經(jīng)層面和意識層面。
外界溫度降低引起體溫降低，大腦感知到后，控制皮下血管收縮，減少散熱。同時增加腸道和肝臟的代謝，增加產(chǎn)熱。環(huán)境的溫度降低后，大腦做出的這些反應(yīng)維持了體溫的穩(wěn)定。相反，外界環(huán)境溫度上升，體溫也會升高，大腦感知到后，控制皮下血管舒張和汗腺分泌增加，使散熱增加。同時，減少腸道和肝臟代謝，減少產(chǎn)熱。體溫調(diào)節(jié)是大腦通過支配各種器官功能的改變，應(yīng)對環(huán)境溫度的變化，維持內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定的典型。除了體溫調(diào)節(jié)，血氧濃度的維持，體內(nèi)電解質(zhì)濃度和水分的維持，血液中氨基酸濃度的維持，血糖濃度的維持，等等各種內(nèi)環(huán)境的維持全部是大腦控制的。這些需求的解決屬于植物神經(jīng)層面，通過神經(jīng)反射弧實現(xiàn)。這個層面的需求解決不需要行為參與，我們的意識也不能感知到。
意識層面的解決需求通過激發(fā)動機產(chǎn)生相應(yīng)的行為來解決需求，如餓了吃飯，口渴喝水，冷了穿衣服。這個層面的需求我們的意識能夠感知到，需求的解決必須要行為參與。
還是以體溫調(diào)節(jié)為例：人體需要維持穩(wěn)定的體溫以利于體內(nèi)各器官發(fā)揮功能，當(dāng)外界環(huán)境溫度降低，收縮皮下血管和增加腸道和肝臟的代謝等植物神經(jīng)層面不能維持正常體溫，人的肌肉就開始發(fā)抖，通過肌肉的這種反復(fù)收縮和舒張，產(chǎn)生額外的熱量維持體溫。大腦會釋放“冷”的懲罰信號給意識層面，我們主觀上感受到“冷”，最終促進了穿衣服，開暖氣等行為以維持穩(wěn)定的體溫。這屬于意識層面的需求解決。所以當(dāng)環(huán)境溫度在一定的范圍內(nèi)，雖然植物神經(jīng)層面已經(jīng)啟動了穩(wěn)定體溫的生理過程，但我們感覺不到冷或熱之類的不適。當(dāng)我們感知到冷或熱，說明大腦已經(jīng)預(yù)感到植物神經(jīng)層面不能維持體溫穩(wěn)定，而需要意識行為來幫助維持體溫。感染時，大腦要把體溫提高到40攝氏度，雖然當(dāng)前體溫已經(jīng)到達了39攝氏度，但意識層面仍然覺得非常“冷”，人仍然會蜷縮在被窩里發(fā)抖，以繼續(xù)提升體溫。為什么感染時大腦要把體溫提高，目前還沒有科學(xué)的解釋。我們感受到的冷或熱只是一種促進體溫調(diào)節(jié)行為的動機，并不是體溫感覺器官根據(jù)環(huán)境溫度而產(chǎn)生的客觀神經(jīng)信號。
大腦建立了數(shù)以萬計的神經(jīng)反射弧，這些反射弧可以同時工作，相不干擾。這使得植物神經(jīng)層面能同時解決數(shù)萬種需求，而且簡單、快速、準(zhǔn)確、消耗少。與之相反，意識層面解決需求要建立大量的神經(jīng)連接，達到一定的認知能力后，才能實現(xiàn)。所以意識層面解決需求復(fù)雜、相對緩慢、消耗大。最重要的是，意識層面每次只能產(chǎn)生一種行為，不能同時解決很多需求。因此大腦一般優(yōu)先通過植物神經(jīng)層面解決需求，當(dāng)大腦判定植物神經(jīng)層面解決不了需求時，才上升到意識層面。
大腦工作的原則2:需求的解決以植物神經(jīng)層面優(yōu)先
當(dāng)人體缺乏某種營養(yǎng)時，大腦首先會通過增加腸道對這樣營養(yǎng)的吸收和減少排出來解決。如果在植物神經(jīng)層面不能解決，需求就會到達意識層面，讓我們主觀產(chǎn)生吃某些食物的欲望，而這些食物恰好富含機體所缺的營養(yǎng)。這在“愛上橘子”的實驗中體現(xiàn)得淋漓盡致。人類的所有行為都有動機，這些動機全部都來源于需求，這將在“意識和行為”中深入討論。
全身所有器官都服從大腦支配
需求是由大腦所支配的外周器官產(chǎn)生，通過傳入大腦的神經(jīng)（傳入神經(jīng)）把需求傳遞給大腦。而大腦的一切工作都是圍繞需求展開。機體的所有器官的發(fā)育都由神經(jīng)系統(tǒng)控制，這種支配從胚胎就已經(jīng)開始了。我們只要切斷支配器官的那根神經(jīng)，器官就開始萎縮。比如支配肌肉的神經(jīng)被切斷了，雖然供應(yīng)營養(yǎng)的血管并沒有切斷，肌肉仍然會萎縮。無論是器官的發(fā)育速度，還是器官的功能強度都是由大腦控制和管理。人體的每個器官和組織都是由很多功能不同的細胞組成，事實上每個細胞的發(fā)育和分化都是大腦掌控的。
目前的生命科學(xué)中并沒有認識到這點，雖然我個人也沒有能拿出基礎(chǔ)研究的可靠依據(jù)來證實，但從邏輯上，這是必定成立的。因為如果機體的任何一個器官或細胞都是單獨運轉(zhuǎn)，不相互配合，也不服從生存繁衍的大局，那么人類不可能生存至今。任何一個器官，任何一個細胞所產(chǎn)生的功能和功能的強度勢必會影響到其他的器官和細胞，比如進食時胰腺會分泌胰蛋白酶，但胰腺要分泌多少量的胰蛋白酶卻是由機體的蛋白質(zhì)需求決定。心臟的功能同樣如此，肌肉發(fā)達經(jīng)常健身的人，心臟的輸出功率也會加強以適應(yīng)全身耗氧量的增加。免疫系統(tǒng)也如此，比如腸道有些細菌能產(chǎn)生維生素k，這是一種維持正常凝血功能所必需的維生素，如果免疫系統(tǒng)清除了這些細菌，人就會出血而死。因此免疫系統(tǒng)的工作也要服從總體利益。要求身體的每一個器官和每一個細胞都具備如此的大局觀顯然是不可能的。而把每個器官和組織所必須遵守的大局觀，編碼到基因中更不可能，畢竟人類只有2.5萬個基因。
大局觀只能由一個器官掌控，這就是大腦。大腦協(xié)調(diào)控制所有的器官共同為機體生存和繁衍服務(wù)。人身體里所有的不同功能的細胞都是從一個受精卵分化而來。身體各部位每個功能不同的細胞，都具有相同的基因，但不同功能的細胞所激活和表達的基因是不同的。人類攜帶有2.5萬個基因，這些基因存在多樣性，在大多數(shù)個體中的基因不可能非常匹配，因為基因都是由父親的一個精子和母親的一個卵子隨機搭配的。而且大多數(shù)人都有數(shù)量不同的基因缺陷。但無論這2.5萬個基因是多么不匹配和不完美，大多數(shù)的人都能順利的發(fā)育成熟，這就必須有一套很強的宏觀調(diào)控功能。
好比一輛汽車，如果所有的配件都是隨機搭配的，比如一個高功率的引擎和一個低效的剎車系統(tǒng)，這輛車就一定會出問題。要保障隨機搭配的汽車部件能協(xié)調(diào)運轉(zhuǎn)，必須能對這些配件的功能進行改造和調(diào)整。人體也會面臨這樣類似的問題，但我們很少被這樣的問題擊垮，這就必須歸功于人體強大的調(diào)控功能。在一輛汽車上，剎車系統(tǒng)調(diào)校到最高，還是不能適應(yīng)目前的強勁動力時，未了安全我們必須調(diào)低發(fā)動機的功率。
這樣的調(diào)控在人體簡直是隨處可見。肌肉的力量被降低以適應(yīng)骨關(guān)節(jié)強度，提高血紅蛋白濃度來適應(yīng)心肺功能不足。這一切歸功于人類的大腦，任何的器官脫離了大腦的控制，對機體是非常不利的。大腦必須把所有器官統(tǒng)一起來，才能贏下生存和繁殖的艱苦斗爭。
大腦工作原則3：大腦支配所有的細胞的發(fā)育和分化，也能控制所有器官的功能強度。
外周器官和大腦通過傳出神經(jīng)和傳入神經(jīng)相互聯(lián)系。大腦的傳出神經(jīng)支配器官的發(fā)育和功能，傳入神經(jīng)是器官向大腦傳遞需求信號的途徑。當(dāng)器官損傷，或器官缺乏營養(yǎng)物質(zhì)，或器官功能不能正常發(fā)揮等情況發(fā)生時，器官就會通過傳入神經(jīng)向大腦求助，這種求助信號我稱為需求信號。大腦通過傳入神經(jīng)收集各個器官的需求，然后通過植物神經(jīng)層面和意識層面來解決這些需求。大腦工作都是圍繞著需求而展開。
大腦工作原則1:大腦所有的工作都圍繞需求展開
需求解決的神經(jīng)模型
需求的解決方案是通過經(jīng)驗建立起來的，這聽起來簡單，但在大腦中準(zhǔn)確地建立起這些神經(jīng)連接，過程是復(fù)雜而精妙的。
以新生兒建立體溫調(diào)節(jié)為例，新生兒脫離了母親恒溫的羊水，暴露于外環(huán)境中，新生兒體溫隨著環(huán)境溫度而下降，體溫降低激發(fā)了器官釋放需求，需求信號通過傳入神經(jīng)到達大腦，大腦開始嘗試通過植物神經(jīng)層面來調(diào)節(jié)體溫。這時，“冷—收縮皮下血管和增加內(nèi)臟產(chǎn)熱”，“熱—舒張皮下血管、出汗并減少內(nèi)臟產(chǎn)熱”，這些神經(jīng)反射弧并沒有建立。胎兒在子宮內(nèi)時，因為浸泡在恒溫的羊水中，無論收縮皮下血管還是擴張皮下血管，都不會有體溫調(diào)節(jié)的作用，當(dāng)然出汗也沒有任何意義。胎兒娩出后，離開了恒溫的羊水，新生兒大腦必須通過經(jīng)驗的積累，建立新的神經(jīng)反射弧來維持恒定體溫。除了體重極低的早產(chǎn)兒，大多數(shù)新生兒不論出生的胎齡，都恰好需要1個月的時間來學(xué)會體溫調(diào)節(jié)。38周出生的新生兒需要1個月時間學(xué)會體溫調(diào)節(jié)。42周出生的新生兒并沒有在出生后立刻學(xué)會體溫調(diào)節(jié)，而同樣需要在生后1個月時間體溫調(diào)節(jié)才成熟。如果體溫調(diào)節(jié)能力是先天的，晚出生的嬰兒應(yīng)該出生就具備體溫調(diào)節(jié)能力，但事實上我們并沒有發(fā)現(xiàn)這樣的新生兒。事實上，人類所有功能的發(fā)展都來源于需求，沒有某種需求，解決這種需求的功能也不會發(fā)展。需求是功能發(fā)育的必要條件。人類的認知和智力也是圍繞著需求建立起來，自閉癥就是兒童早期的需求不足所引起的認知疾病，這會在“自閉癥”章節(jié)討論。
如圖1所示，“冷”的需求信號通過傳入神經(jīng)到達大腦，興奮了中樞神經(jīng)細胞A；缺氧的需求信號通過傳入神經(jīng)興奮了中樞神經(jīng)細胞B；中樞神經(jīng)細胞C的興奮通過傳出神經(jīng)達到皮下血管的平滑肌，導(dǎo)致皮下血管收縮，引起體溫升高；中樞神經(jīng)細胞D的興奮會傳遞到呼吸中樞，引起呼吸加快?？梢?/span>A與C，B與D通過神經(jīng)突觸相連就能形成正確的反射弧。但事實上，大腦通過經(jīng)驗確定因果關(guān)系的過程并沒有我們想象的那么簡單。C的興奮首先發(fā)生，收縮了皮下血管后，A的興奮減弱，C是A減弱的因，A與C通過興奮性突觸相連能形成正確的反射弧。但A的減弱發(fā)生時，A作為一個獨立的神經(jīng)細胞并不可能記錄下在自己興奮度降低之前C和D的興奮情況。從A伸出突觸并連接到C的過程是化學(xué)和物理層面的，必須是同時發(fā)生的。但A和C的興奮改變并不是同時出現(xiàn)的，而是先后出現(xiàn)，必須有一種機制能讓A和C的活動同時出現(xiàn)才能激活突觸連接的過程。這個機制就是睡眠。
睡眠是所有高級生物特有的生理現(xiàn)象，睡眠最早被認為只是用于休息和機體恢復(fù)?，F(xiàn)在已經(jīng)很多研究證實睡眠與記憶和學(xué)習(xí)、情感等認知過程有關(guān)。但至今為止睡眠的意義仍然是一個謎。這個謎我在2016年左右已經(jīng)解開。睡眠的過程其實就是大腦建立因果關(guān)系的神經(jīng)活動過程。高級生物所有的適應(yīng)環(huán)境的生理反應(yīng)和行為全部必須經(jīng)歷睡眠過程才能建立。
下面給大家解釋大腦在睡眠過程中如何建立正確的突觸。還是用圖1的例子，圖2-14中6個T細胞是按時間順序依次興奮的細胞，在覺醒情況下，從T1到T6依次興奮（圖2-7）。在睡眠情況下正好倒過來，從T6興奮T1依次興奮（圖8-13）。A通過抑制性突觸與A1連接，A的興奮頻率的減弱會導(dǎo)致A1的興奮，B通過抑制性突觸與B1，B興奮頻率減弱會導(dǎo)致B1興奮；C通過興奮性突觸與C1連接，C的興奮頻率增加會導(dǎo)致C1的興奮，D通過興奮性突觸與D1連接，D興奮頻率增加會導(dǎo)致D1的興奮。黃色的神經(jīng)細胞（A1,B1,C1,D1）是用于記錄藍色神經(jīng)細胞（A,B,C,D）的興奮程度（頻率）變化。同時興奮的兩個神經(jīng)細胞之間會形成新的突觸連接，這是最基本的神經(jīng)功能。在覺醒階段（圖2-7），首先，D的興奮頻率增加導(dǎo)致D1興奮（圖3），D1興奮的同時恰好時間細胞T2興奮，D1和T2形成突觸連接。D興奮使皮下血管收縮，導(dǎo)致之后出現(xiàn)體溫升高，B的興奮頻率下降，B1興奮。BI興奮的同時恰好時間細胞T3興奮，B1和T3形成突觸連接（圖4）。此后，C興奮頻率增加使C1興奮，C1與同時興奮的時間細胞T4之間形成突觸連接（圖5）。C的興奮頻率增加后，呼吸加快，血氧提升，降低了A的興奮頻率，使A1興奮。A1與同時興奮的時間細胞T5之間形成突觸連接（圖6）。睡眠階段（圖8-13），圖中所有的神經(jīng)細胞暫時性切斷與周圍神經(jīng)的聯(lián)系，體溫的降低和缺氧不能影響A和B的興奮，而C和D的興奮也不會形成皮下血管收縮和呼吸加快。睡眠階段，時間細胞倒序興奮，T5興奮時，通過已經(jīng)建立的突觸，興奮了A1（圖9）。A1的興奮會維持整個睡眠過程。T4興奮時，通過已經(jīng)建立的突觸，興奮了C1。C1興奮時A1仍然處于興奮狀態(tài)，同時興奮的A1和C1之間形成突觸連接，并引導(dǎo)A和C之間產(chǎn)生突觸連接（圖10）。T3興奮時，通過已經(jīng)建立的突觸，興奮了B1（圖11）。B1的興奮會持續(xù)整個睡眠過程，而此時T4已經(jīng)不興奮，而C1也不興奮。T2興奮時，通過已經(jīng)建立的突觸興奮了D1，此時B1和A1仍然處于興奮狀態(tài)，于是建立了A到D，以及B到D的突觸連接（圖12）。注意，在睡眠過程中，左側(cè)的感知需求的神經(jīng)細胞一旦激活，就會一直興奮至睡眠結(jié)束；右側(cè)的支配效應(yīng)神經(jīng)細胞只會跟隨時間細胞激活或失活。
通過覺醒和睡眠這一奇妙的過程，大腦把時間發(fā)生在前的信息當(dāng)作是“因”，而時間發(fā)生在后的信息認為是“果”。如圖14所示，一次通過一次覺醒和睡眠，建立了A-C和B-D的正確連接，這些連接將在再次覺醒時用于植物神經(jīng)層面的需求解決。但這次睡眠也建立了A-D的錯誤連接，因為A的減弱確實發(fā)生在D的興奮之后。通過反復(fù)多次的覺醒和睡眠，巧合引起的錯誤突觸連接會被清除。這就是為什么體溫調(diào)節(jié)等功能的建立需要1個月的時間。我們已經(jīng)知道在快速動眼睡眠（REM）期間人會暫時性失去體溫調(diào)節(jié)功能，這就證實了在睡眠的某些階段，大腦確實切斷了中樞神經(jīng)和外周神經(jīng)的聯(lián)系，把中樞神經(jīng)關(guān)起門來研究因果關(guān)系。在快速動眼睡眠階段，除了時體溫調(diào)節(jié)，各種植物神經(jīng)層面的調(diào)節(jié)都會暫時失去功能。在此階段，血氧濃度降低也不能興奮呼吸中樞，呼吸頻率是固定的，不受血氧濃度的影響。血氧的降低只會使我們從夢中醒來，或用手推開捂在臉上的被子。但如果睡眠中缺氧發(fā)生在3個月齡內(nèi)的嬰兒，缺氧不能興奮呼吸中樞，也不能轉(zhuǎn)動頭部，就容易導(dǎo)致猝死。
以上模型是大腦建立神經(jīng)反射弧的機制，屬于植物神經(jīng)層面的需求解決。意識層面的需求解決的過程中，從某種需求到具體動機的神經(jīng)突觸連接也是通過類似的機制，也需要睡眠參與。在動機產(chǎn)生后，意識層面圍繞動機，進行思考和策劃，這個過程是自主和自由的。意識的思維過程可以根據(jù)知識和邏輯，并非受限于經(jīng)驗。人類的動機產(chǎn)生，是完全基于經(jīng)驗的。
需求解決的神經(jīng)模型解釋了睡眠的真正意義，也揭示了植物神經(jīng)層面無數(shù)的神經(jīng)反射弧如何通過經(jīng)驗后天建立，而不需要記錄在基因中。人類的只有2.5萬個基因，比水稻的基因數(shù)量都少一半。如此少的基因卻讓人類呈現(xiàn)出如此復(fù)雜的各種生理和行為功能，這都離不開大腦解決需求的偉大過程。
需求的加工提煉
需求解決的神經(jīng)模型中，每一種需求傳遞到達中樞神經(jīng)系統(tǒng)最后只興奮一個神經(jīng)細胞。人類的神經(jīng)系統(tǒng)通過化學(xué)信號和電信號傳遞信息。人類神經(jīng)系統(tǒng)傳遞信息的化學(xué)遞質(zhì)的種類比一些簡單的單細胞生物要少得多。比如人體的某塊肌肉，無論是缺氧還是缺乏蛋白質(zhì)，或者是被凍傷，這塊肌肉通過傳入神經(jīng)向大腦釋放的信號都是一樣的。大腦必須加工和提煉這些原始的需求信號。
假設(shè)全身有10個器官，有10條傳入神經(jīng)，分別是F1-F10。氧濃度的降低時，所有的器官都會因缺氧而釋放需求信號，F1-F10都興奮了。呼吸頻率加快后，F1-F10興奮頻率同時降低。F1-10在都通過突觸與神經(jīng)細胞T3相連，最后F1-F10形成突觸共同連接到D。外界溫度降低時，皮膚和肌肉發(fā)出需求信號，F1和F2產(chǎn)生興奮，皮下血管收縮后，F1和F2同時減弱，FI和F2與時間細胞T5相連，最后F1和F2形成突觸連接到C。反射弧建立以后，F1-F10同時興奮時，D興奮引起呼吸加快。F1和F2興奮并伴隨F3-10不興奮時，C興奮導(dǎo)致皮下血管收縮。
傳入神經(jīng)到數(shù)量是巨大的，雖然攜帶的需求信號是相同的，但不同原因?qū)е碌男枨笮盘柕姆植际怯刑卣鞯?。大腦在解決需求的過程中，并不用去定義某種需求，也能完美地解決。好比我們體內(nèi)缺乏維生素C，大腦會產(chǎn)生讓我們吃橘子的動機，因為大腦根據(jù)經(jīng)驗認為吃橘子可以解決當(dāng)前的需求。在這個過程中，大腦根本不需要知道維生素C是什么。大腦利用這些巧妙的電生理過程，借助極少的神經(jīng)遞質(zhì)，管理自己的機體，并探索世界。這個過程簡直是精美絕倫，完美無缺。
大腦工作機制的解開，是通過對自閉癥的觀察和思考，自閉癥孩子不同尋常的行為特質(zhì)確實向我打開了一扇窗。而這個假說提出的第一批受益者恰好也是自閉癥孩子。我沒有在自閉癥孩子治療的過程中設(shè)置對照組，因為我已經(jīng)肯定低蛋白質(zhì)飲食可以最大程度地讓自閉癥孩子恢復(fù)，設(shè)置對照并不道德。但向?qū)W術(shù)界證實低蛋白飲食的明確療效才能最大程度和最快速度地推廣這個幾乎沒有成本的方法，這也是我個人不可推卸的責(zé)任。不設(shè)對照怎么證實呢？其實并不難。世界已經(jīng)公認的生育過自閉癥孩子的父母再次生育自閉癥孩子的概率是20%，現(xiàn)在15個高危二孩參與我的研究。如果這15個孩子在2歲都排除了自閉癥，統(tǒng)計學(xué)上就有顯著性了（0.8的15次方低于0.05）。這些孩子甚至已經(jīng)有了癥狀才加進來，同樣取得癥狀的改善和認知提高。2年后，沒有什么可以阻擋我的觀點和方法了。我在這里感謝那些勇敢參與研究的家長。高危二孩用營養(yǎng)缺乏的方法撫養(yǎng)，如果最后結(jié)局還是自閉癥，又合并營養(yǎng)不良，按中國目前的醫(yī)患關(guān)系，我是自討苦吃。我不是傻子，沒有絕對信心不會做這件事 。
