从黑暗走入光明

by serenq

既然写科普已经成为生活里重要的一部分,从现在开始把自己发表在松鼠会上的科普文章也在blog上更新,以后整理起来会更方便一些。

为此建了个新分类“松鼠写文”。

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1959年的元旦,对于52岁的英国鞋匠西德尼•布拉德福(Sydney Bradford)来说,是永生难忘的一天。
西德尼是一位盲人,已在茫茫混沌中度过了50年光阴:10个月大的西德尼在接种天花疫苗之后不久就感染严重的角膜炎,以至于他在整个童年中头上都缠着厚厚 的绷带。除了依稀记得自己曾看到过红色、黑色和白色之外,西德尼的视觉经历几乎是一片空白。而现在,经过角膜移植手术,他即将重见光明。
不难想象西德尼当时雀跃而期盼的心情,但难以想象的是,在这之后他的生活发生了怎样出乎意料而又令人扼腕的变化。之后的半个世纪里,人类对于自己似乎毫不费力就能见到的一切,又会有怎样崭新的认识?
让我们从头说起。

难以承受之光明

美国女作家海伦•凯勒从小失明,她的优美散文《假如给我三天光明》被广为传颂,感动了千千万万的人们。可你是否想过,如果终生活在黑暗中的海伦,真的有一天能睁开眼睛,她是否真的能看到朋友与老师友善的面孔,欣赏精彩的戏剧与大自然的奇景,并且自如地徜徉在纽约的街头?
神经科学的发展已经为我们提供了残酷的回答:不能。
1690年,英国哲学家约翰•洛克(John Locke)发表了朋友爱尔兰哲学家威廉•莫利纽克斯(William Molyneux)的一段书信。在信里,莫利纽克斯提出了一个著名的问题:“假设一个人生而盲目。作为一个成年人,他可以靠触觉分辨同样材质的金属球体与 正方体。如果把球体与正方体同时放在桌上,而此刻突然让他获得视力。请问:在伸手触摸之前,他能否用双眼判别哪个是球体,哪个是方体呢?我即时而谨慎的答 案:不能。”
这是一个极富想象力的巧妙问题,而提问人的答案也引人深思。“莫利纽克斯问题”一经提出,就激发了哲学家、心理学家与神经发育学家的浓烈兴趣。数百年来, 无数的科学家与哲学家们曾思考过幼年经历在神经系统发育——尤其是感觉发育——中的作用。他们中的大多数倾向于认为,感觉的发育依赖于幼年的感官经历,如 果早期经历被剥夺,感觉发育将受到阻滞。
1728年,英国著名医生威廉•切塞尔登(William Cheselden)为此提供了一个强有力的例证。他为一名13岁的阿拉伯男孩进行手术,摘除了从他出生起就存在于双眼内的白内障。可是在手术后不久,切 塞尔登就发现,男孩的视力相当不正常:他无法判断距离。他认为他所见的任何事物都“触碰”到自己的眼睛——正如在黑暗的岁月里,他用手去触碰感知周围的一 切那样。他对光滑和规整的物体感到亲切,却似乎无法判断物体的形状。
在切塞尔登之后,为先天或早期失明的盲人施行复明手术的事件也屡有发生。1932年,马里乌斯•凡•森丹(Marius von Senden)博士搜集了数十个此类案例,编辑了《空间与视力》(Space and Sight)一书。书中人的经历都大同小异——在恢复视力之后,他们都有着各种各样的严重视觉缺陷。其中一位医生这样评价自己病人的经历:“她所经历的, 正是我们每一个人都经历过却又已然遗忘的时光——当我们第一次睁开双眼打量世界的那一刻。她能看,但那些各式各样的明亮色块对于她没有任何意义。”更让人 难过的是,这些病人在手术前往往对光明世界之美有着极高的期待,却在手术后面临着深深的失望,:他们重新获得的视觉不但不能在日常生活中起到辅助作用,反 而成为了混淆与不便的来源,。许多人因此陷入深度抑郁,自杀身亡的惨剧也屡屡发生。
然而,这些凸显出早期经历的重要性的案例往往相当简略的记载却相当简略。由于病人复明后,没有接受正式全面的视觉测验,记载仅限于医生的主观描述,在许多 关键问题上语焉不详。进入20世纪之后,角膜移植手术日渐常见,捐献角膜的人也渐渐增加,许多失明的儿童在幼年就接受了成功的手术。等到成人之后才获得光 明的案例也越来越稀少了。虽然一些动物实验也证明了经历在视觉中的重要性,但谈到经历究竟在人类视觉发育中扮演怎样的角色,仍然是猜测推论的成分居多,坚 实的证据不足。

可视,不可知
让我们回到西德尼手术之后的1959年。新年后不久,剑桥大学实验心理学系的教师理查德•格雷戈里(Richard Gregory)就从自己的助研吉恩•华莱士(Jean Wallace)那里听说:,一家当地日报报道,一个半生失明的人在手术后恢复了视力。两位年轻的科学家立刻感到,这是一个不可多得的研究良机。在与实行 手术的希尔滕斯坦(A. Hirtenstein)医生联系之后,他们立刻丢下手头的工作,找来所有他们认为会有用的视力测验工具,驱车前往医院,与西德尼会面,并进行了全面的视 觉检查与询问。
与他们的预想一致,西德尼的视力确实有许多独特的缺陷,。首先是无法识别人脸。据西德尼回忆,手术后,他头上的绷带被解开时,他听到有人对自己说话。当他 将头转向声音传来的方向时,他看见的是一片“模糊”,然后他意识到,这应该是给自己做手术的医生的脸!他承认:如果没有听到人声,自己无论如何也不会意识 到那混沌不清的物体,竟然是一张人脸。
另外一个重大缺陷,来自于西德尼对距离的感知。他能正常地在房间中行走,因为他失明时期就可以利用触觉和听觉自如地完成这一切,。然而复明后,他站在三四 层楼高的阳台上时,他却以为自己伸手就能摸到楼下马路上的车辆。曾几何时,他借助拐棍就可以轻而易举地在车水马龙的繁忙交通中横穿马路,如入无人之境,; 而现在因为完全无法判断距离,他经常被迎面而来的车辆吓得魂飞天外,必须由格雷戈里和华莱士左右搀扶,才能勉强走过街道。除此之外,西德尼不具备任何立体 视觉的能力,譬如面对“尼克正方体”(Necker Cube),正常人能够在上下两种不同的视角之间转换,而西德尼根本无法将它看成一个三维的图像。
有趣的是,西德尼对于许多能够愚弄正常人的视错觉图片完全免疫。譬如当他看到“矮中见高”的图片时,他并未像大多数人一样错误地认为这四个人一个比一个 高。可见,他完全不具备普通人大脑中处理视觉信息的基本准则,譬如近大远小的概念,从而缺乏我们在日常生活中通过双眼认知、理解世界的重要能力。事实上, 孩子往往也不会被这类视错觉图片欺骗。换言之,从小失明的西德尼,在这方面的视觉能力还和孩子一样。
经过全面的测验,两位科学家发现,西德尼能准确识别颜色,对运动的感知也很正常。看来,与色彩和运动相关的视觉能力在婴儿时期,甚至可能在出生之前就发育 得比较健全了。相反,对复杂物体的识别与三维视觉则有赖于幼年视觉。那么,我们幼年所见到的一切究竟是如何塑造我们这部分的视觉能力的呢?

时机错过就不再
早在西德尼接受手术10年前,“神经网络之父”加拿大心理学家唐纳德•赫布(Donald Hebb)发表了名著《行为组织学》(The Organization of Behavior: A Neuropsychological Theory)。在书中,赫布不但肯定并强调了经历在神经网络发育中的重要性,还把它理论化并上升到细胞水平,成为后人解释经历与神经发育的经典模型之 一。
我们的大脑之中有着数以万亿计的神经细胞,它们彼此相连,形成难以想象的复杂网络。而神经细胞与细胞之间传递信息的效率大不相同。赫布提出,在早期发育 中,神经细胞之间的信息传递效率有着很大的可塑性。两个神经细胞之间交流越多,它们以后连接的效率就越高,反之就越低——颇有些“用进废退”的意思。这一 理论,后来被简化、提炼为“被一起被激发的神经元紧紧相连”(Neurons that fire together, wire together),这就是著名的“赫布法则”。
上世纪60年代,哈佛医学院的戴维•休伯尔(David Hubel)与托斯坦•威瑟尔(Tosten Wiesel)做了一系列在视觉发育领域异常重要的实验。通过这些早期研究,这两位神经科学家发现,在大脑中一个叫做“纹状皮层”的区域里,不同神经细胞 会分别对双眼接收的视觉信号产生反应。为了研究视觉经历在发育过程中的作用,他们选取出生不久的小猫,将它一只眼睛的眼睑缝合起来,又在数周之后拆开手术 线。结果发现,与从未被缝合过的眼睛相比,重见光明的眼睛接收到光信号的时候,只有寥寥无几的纹状皮层细胞作出了响应。换言之,那只被缝合过的眼睛在早期 没有接受足够的视觉刺激,所以丧失了对向大脑中的视觉信号处理中心高效传递信息的能力。
接下来,休伯尔和威瑟尔在小猫发育的不同时间段重复了这一实验。他们发现,如果在小猫出生后4~8周之间进行缝合,两眼之间的差别最为显著。而一旦过了这 一时期,缝合的作用就大大降低。而对于成年猫来说,哪怕将它的眼睛缝上一年,也没有什么明显效果。他们就此提出“关键期”(critical period)的说法。后来的科学研究证实,这种对外界刺激或早期经验格外敏感的关键时期在神经发育中比比皆是,视觉、听觉、语言习得以及运动技能中都有 它的影子。
进入到21世纪,磁共振脑功能成像技术的发展,使得人们可以直接对大脑活动进行观测,科学家们不需要再像休伯尔和威瑟尔那样必须打开头颅盖、插入电极才能 研究神经网络的活动,这就给予脑科学研究极大的便利。此时,一位叫做迈克•梅(Michael May)的加州男子为复明盲人的视觉提供了新的可能。与西德尼相似,他3岁时就因事故双目失明,直到46岁那年,依靠干细胞技术他才重新获得视力。手术 后,迈克出现了与西德尼非常相似的视觉缺陷——无法识别复杂的物体,尤其无法识别人脸。通过脑功能成像,加州大学圣地亚哥分校的艾奥妮•法恩(Ione Fine)与她的同事发现,正常人大脑中一块叫做“梭状回”的区域在对人脸进行识别时活性大增,可是迈克看到人脸时,这片脑区却几乎完全沉默。
原来,西德尼与迈克在视觉发育的关键期就丧失了绝大部分的视力,主管某些重要的视觉功能的神经元之间只有非常有限的交流机会,所以很难形成有效的连接。故 而,哪怕复明后他们的视网膜能正常接受光信号,未经发育完全的视觉神经系统却完全不具备处理这些信息的能力。当大量的视觉信息如洪水般涌入双眼,他们的大 脑不知所措,那个在黑暗年代中虽有缺憾却一切正常的世界,此刻却彻底颠倒错乱了。因此复明多年后,迈克仍然无法真正“看清”妻子的脸庞。
在神经系统的发育过程中,有一些机会一旦丢失,就可能永远也找不回来了。

盲人的世界,摸起来栩栩如生
生活关上一道门时,往往同时为你打开了一扇窗。
当幼年失明的人在视觉发育中裹足不前的时候,他们其他感觉系统的发育却有相当不俗的表现。我们都知道,盲人往往有着非常灵敏的听觉与触觉。由于视觉信号的 缺失,听觉与触觉系统在自己的发育关键期中可以获得相对来说更为丰富的经历,从而建立起异常强大高效的神经网络。它们甚至趁机扩张地盘,把本来应该用于视 觉信息处理的神经细胞据为己有。
科学家发现,当盲人用指尖触摸盲文的时候,在普通人脑中主管视觉的某些区域会积极地参与进去,因此当一位失明的女士在中风后视觉脑区受到损伤,她同时也失 去了阅读盲文的能力。同样,当盲人处理语言信息时,不但他们大脑中的听觉与语言区域被激活,连视觉皮层也一并活跃起来。这些相当有趣的现象告诉我们,我们 的大脑分区并不是僵死的,而是会根据我们生活或生存的需要作出必要的调整,而早期的感官经历,确实影响了我们终身。
更有趣的是,不同的感觉之间,不但能分享共同的脑区,有时候还能直接进行互相转化。还记得莫利纽克斯的问题吗?他认为,人体的触觉与视觉是完全分开的,通 过触摸能分辨球体与正方体的盲人,即便复明,也无法通过双眼来判断物体的形状。而西德尼与迈克向我们证明,这一推论,也许并不正确。
当西德尼与两位科学家与第一次见面的时候,他抬头看了看墙上的钟,准确地报出了时间。格雷戈里难以相信自己的眼睛:作为一个恐怕从未见过钟表的盲人,他怎 能读出时间?他立刻找护士要来一只闹钟,将指针设成不同的角度,而每一次,西德尼都能准确无误地报时。看到格雷戈里如此惊讶,西德尼掏出一只硕大的怀表 ——表上没有玻璃盖子。原来,在过去的几十年间,西德尼一直依靠触摸怀表的指针来确定时间。而在他复明后不久,他竟然能将自己触觉记忆中的指针角度与眼前 所见的指针角度迅速对应起来,将触觉知识直接转化为视觉知识。多年后回忆起这个瞬间,格雷戈里说:“起码对于我俩来说,那一刻,我们对视觉的认识发生了幡 然巨变。”
格雷戈里发现,事实上,只要是西德尼曾经通过触摸而感到熟悉的东西,譬如桌椅,他都能轻而易举地报出它们的名字。他能很快识别出小轿车的品牌与 型号,因为他曾帮姐夫洗过车,熟悉汽车的外形。他还能轻易认出大写字母和数字,因为他在盲人学校中学过利用触觉来识别它们。同样,迈克识别形状简单的物体 的能力也与普通人不相上下。
我们往往认为,除了某些奇妙而偶然的“通感”时刻,不同感觉之间是彼此孤立的。相似地,大脑有分区、不同区域行使不同功能的看法,也曾经主导了神经科学领 域。然而,西德尼和迈克所展示出的不同感觉之间迅速转换的能力,却使得科学家们从新的角度来审视我们的神经系统:大脑的整合能力、各种感觉之间融会贯通的 能力恐怕比我们想象的要强得多。而一些充满想象力的研究者甚至开始考虑,如果同时向盲人提供与听觉、视觉和触觉相关的脑电信号,也许能最有效地激活他们大 脑中对于外界世界的鲜明“图像”。

不同的复明人生
接受完手术后,西德尼的生活曾一度变得多彩而快乐。他参观了博物馆和动物园,他喜欢让羽毛柔滑的鸽子停在自己手上,他充满好奇地打量朋友在镜子中的影像, 他同时是一个非常可靠的研究对象,他总是忠实地描述自己所经历感受的一切。然而,西德尼也未能逃出抑郁的魔手,他很快开始对自己的视觉体验感到沮丧而失 望。作为一个成功生活了半辈子的盲人,他竟然在复明之后首次感到自己是个无法适应环境的残疾人!他变得得抑郁而痛苦,身缠重病,术后不到两年就去世了。
迈克的经历却迥然不同:在手术前他就很清楚自己所将面临的一切。术后,他坦然地面对困难,对新生活并未失望。7年来,他一直乐观而充实,继续经营自己的公司,继续享受他喜爱的滑雪运动——他曾是残奥会冠军,也从未停止对这个崭新的视觉世界的探索。
迈克复明时,格雷戈里已经80高龄。他在《自然》(Nature)上撰文,对此发表简评。在文章最后,他说:“迈克似乎向我们证明,当视力姗姗来迟时,快 乐的生活仍有可能。然而,要离开黑暗、拥抱光明世界,需要极不寻常的勇气,以及家人与朋友为了让他融入其中而给予的帮助。”——以及坚持、好奇心和数百年来许许多多的科学家们为我们积累下的宝贵智慧。

1. 科学家们已经证实,成人的神经系统也有可观的可塑性。

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One Comment to “从黑暗走入光明”

  1. 不是每个人都能勇敢面对生活的巨大改变的,无论从光明堕入黑暗,抑或从黑暗走入光明。

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