大脑皮层运动中枢定位过程及其进展缓慢的原因

吕晓亚, 张良平

(内江师范学院 a.学报编辑部 b.体育学院,四川 内江 641100)

0 引言

无论是多姿多彩的动物,还是万物之灵的人类,其生命活动都由各种各样的动作(行为)承载.人类的最普遍特征之一是好奇心,总想追问万物是怎样运转的,包括人体动作.蒙昧时代,人们用超自然力量解释一切,认为万物有灵[1];逐渐成熟后,便朴素地将外界事物与内心世界分开看待.柏拉图在此基础上提出人有灵魂与身体两种不同实体[2],为身心二元论奠定了基调[3].笛卡尔在柏拉图的基础上提出人有“广延实体”和“思维实体”,彼此独立,但能通过感觉相互作用[2,4].二元论给实验科学研究意识问题设置了很大障碍[2].

医疗实践的需要促使了解剖学的诞生和发展,促进了人们对脑功能的认识.古希腊希波克拉底首先提出“运动属于脑的功能”[5];盖伦医学对人体的认识主要基于动物解剖,与人体差很大[6].颜俊文[7]系统地对大脑皮层机能定位学说进行了溯源,指出“定位论”把运动控制的脑功能具体落实到大脑皮层特定区域,取得了一系列标志性的成果,如运动语言中枢的证实,狗脑运动中枢的证实,视性皮质与视网膜间有精细的“点对点”的联系等.潘菲尔德完成了大脑皮层机能定位图,系统地阐明了人体不同部位的感觉和运动在大脑皮层的功能定位[8].1950年代后,有关脑功能定位的研究就越来越复杂了.如1960年代斯里佩基于裂脑手术研究了大脑半球的分工问题[9];1970年代鲁利亚阐明了脑的三个紧密联系的功能系统[10-11];1980年代科学家采用无损伤脑成像技术(EEG、ERP、PET、fMRI)观察健康活脑的工作情况,同时非线性动力学兴起,开启了脑功能的“动态系统”研究[12].顾凡及[2]指出这些技术手段使得研究者“把意识研究置于神经科学基础之上成为可能”,并回顾了人类意识科学研究中所遇到的关键挑战和三个有争议的重大问题之一的“意识的神经相关机制涉及全脑还是局部脑”.2007年科赫与格林菲尔德的公开论战[13]分别代表了上述两种主要观点,这与大脑皮层运动中枢定位论形成过程中有关运动控制脑功能的“整体论”与“定位论”之争如出一辙.

回顾大脑皮层运动中枢定位基本理论的起源和发展对当前的脑科学研究有所裨益.对大脑皮层运动中枢定位过程进行回溯的意义在于表明有关运动控制的实质是身心关系问题.这在古代就已提出,其核心问题至今悬而未决.现代科学相信世界包括物质和能量,运动控制是脑的功能.然而,人脑结构的复杂程度无与伦比.尽管1980年代之后有了新的脑探测技术,对意识的科学研究又该如何假设?如何解释所测结果?能否在脑结构上定出意识产生的部位?虽然目前下定论为时尚早,但至少可以从大脑皮层运动中枢定位论的确立过程中得到某些启示.笔者以人类对动作控制认识发展的历史进程为主线,以伴随脑功能“整体论”与“定位论”之争的大脑皮层运动中枢定位论的确立过程为主要内容,在此基础上分析了大脑皮层运动中定位进展缓慢的原因.期望通过整理前人的研究成果,为理解运动控制的脑机制提供更为广阔的视野及借鉴.

1 运动控制初探

远古蒙昧时代,人们认为自然界中凡能运动的客体皆由神灵主宰并使其运动[9],这就是原始文化形态下的万物有灵论[1];“人们一直相信有某种使之生机勃勃的不可捉摸的东西——心灵、灵魂和神灵.这种信念源于我们能意识到自己的存在”[9].古代文明认为心脏是思维、情绪以及运动控制之所在,唯古希腊名医希波克拉底最先提出这些活动是脑的功能[3,9],他还说“动作即生命”[5].

人体的运动控制功能有相应的结构基础,因而,解剖自古有之.公元前3世纪,古希腊医生格罗费尔和埃拉西斯拉特对人脑和脊髓有过研究,认识了神经的起源、作用以及感觉神经和运动神经的差异.古罗马医生盖伦依据动物解剖推论人体生理功能,提出了由大脑发出的神经冲动沿神经传导至肌肉,使肌肉收缩产生拉力,牵引骨骼绕着关节运动[8].维萨里的《人体构造》,对医学界奉为经典的盖伦解剖学做了重大修订,抛弃了盖伦根据动物解剖得到而在人体中不存在的组织[14].维萨里推动了人们对脑结构与功能的认识.从此,人们将运动控制的核心部位指向了自身的脑.

从远古到维萨里解剖学革命,人类对运动控制的认识经历了“灵”—“心”—“脑”的演变.这为后来的大脑皮层“运动中枢”定位观念的形成和确立奠定了基础.

2 大脑皮层运动中枢定位论的确立过程

维萨里解剖学革命之后的300年间,对大脑皮层形态和机能的研究进展缓慢.虽然人们已经接受了脑是控制运动的器官,但是,对运动控制脑机制的解释出现了重大分歧.一方认为脑作为一个机能整体来控制运动;另一方认为脑以某个特定区域来控制运动.进而形成脑功能“整体论”与“定位论”两派.“整体论”认为与“心灵”有关的任何功能都需要全脑的参与才能实现;“定位论”主张与“心灵”有关的各种功能必由特定脑区负责.双方展开了激烈交锋,始于18世纪后期,长达180年.双方都试图在脑部探寻是否存在控制人体运动的核心部位——运动中枢,最终“定位论”一方胜出.

2.1 大脑皮层运动中枢定位论的初步形成

2.1.1 大脑皮层机能定位的由来

关于大脑皮层机能定位问题始于18世纪下半叶.曼逸试图对高级神经机能予以定位,例如“记忆”位于大脑皮层,“想象”和“判断”位于皮层下的白质[7].这是大脑皮层机能定位的由来.但这种定位思路是否正确,还有待实践检验.

2.1.2 大脑皮层运动中枢定位论的初步形成

哲学家、医生哈勒据临床解剖资料认为脑和脊髓具有统一的结构与机能,因而不承认大脑具有功能划分.哈勒是“整体论(等力说或均势说)”学说的倡导者.他认为周围各种刺激通过周围神经汇集于脑和脊髓而生成一种“精神肉体状态”,即“统一灵魂”[7],认为脑和脊髓发出的神经是各感觉信息汇集于脊髓和脑的路径,认为周围神经具有定位意义;同理反推,中枢神经系统也如此.但当时的身心二元论“灵魂”观念使他无法直面人体“最神圣”部分的“奥秘”[7].虽然哈勒的学说曾流行一时,但并非所有学者都接受.当时的大脑机能权威之一舍曼林,仍声称脑脊液是“统一灵魂”的物质基础[7];陆兰在延髓中发现了呼吸中枢已是定位的先例[7];贝尔和马戎第确切地在脊髓前根和后根分别定出了运动机能和感觉机能[15].他们都认为脊髓和脑并不具备统一的结构和机能,批驳了哈勒“统一灵魂”的观点.

第一个系统地把定位概念介绍给学术界的是加尔.他认为脑是由若干“特殊器官所组成的一个复合体”,所谓器官即意味着脑的一部分承担某种特定功能,而并非“统一的脑”的各种不同表现[7].他认为人的每种“精神、能力”都能在大脑皮层上严格的局部定位,认为某一特定的“器官”可以单独地患病以至丧失某一特殊天赋;相反,当某一特性充分发达时,与之有关的脑部也发育良好,在颅骨表面形成隆突.他认为特定脑区的大小与其机能相关,颅的外形与“定位区”紧密相关.这就是加尔所谓的“心灵器官”学说,也是其“颅相学”的主要内容.加尔归纳了27种“天赋”或“特性”.因为“颅相学”不仅缺乏科学依据,还严峻挑战了“统一灵魂”的理论根基,所以加尔的学说学根本不被当时的学术界所接受.但这并不妨碍加尔成为脑功能定位观念的先驱.他的主要贡献在于激发了后来的功能神经解剖学方法的诞生以及通过创伤性脑损伤的研究来探索大脑不同部位的真实机能.

比较生理学家弗卢朗采用“实验性切除”法[7,9,16],切除鸟脑皮层的不同部位来观察它不能再做什么,进而推论其所缺失脑部的功能,结果发现:鸟的行为并未有何特异性缺损,只是切除区域超出一定范围后,这些机能才同时消失.进一步地,弗卢朗发现:刺激周围神经、脊髓、延髓和中脑有肌肉运动的反应,小脑协调运动,大脑皮层虽经刺激却无反应;他断言大脑皮层是“意志”之所在,并得出“特殊机能不在皮层的一定区域”这一结论[7].因而,他不同意大脑皮层具有功能定位的意义.弗卢朗认为大脑皮层通过低级部分实现各种运动,但究竟如何实现,他没能说出.与哈勒不同的是,弗卢朗认为:中枢神经系统并不是统一的(脑和脊髓有功能区分);大脑皮层负责更高级的功能,而这些功能不在皮层某一区域,而是整个“皮层机能统一的”[7]表现.弗卢朗与哈勒的概念基本相同,只是他把“意志”更局限于大脑皮层而已,其学说成为当时哲学和科学的主导.相对而言,弗卢朗为“统一的灵魂”提供了一个更为恰当的“居所”,即大脑皮层.这就容易被当时的学术权威认可.因而,弗卢朗成了法国科学院的会员.弗卢朗的大部分实验是在鸟脑上做的,然而“鸟类从差不多3亿年前就和哺乳动物在进化上分道扬镳了,它们的脑几乎没有大脑皮层”[17].现在我们确知低等动物分析器的皮层部分是比较分散的,这就难怪弗卢朗在摘除小部分皮层后没有观察到一定的机能紊乱,这固然是其局限的一面;然而他采用的“实验切除”法,对于理解脑是很重要的——使人们对脑机能的猜想转向了科学实证研究,则是其贡献.

虽然弗卢朗和加尔的学说针锋相对,但是他们都强调了大脑皮层对“精神”活动的无比重要性.因此,他们都推动了后人对皮层结构与机能的研究.加尔最早的支持者之一布伊拉德基于对失语症的临床观察和尸体解剖证实了存在于额叶上的“运动语言中枢”[7],并根据一些额叶损伤来阐明了言语功能的定位.布伊拉德有力地推动了大脑皮层功能定位的科学发展.布伊拉德关于定位学说的论点从布洛卡进一步发现“语言中枢”的事实得到了有力的支持.布洛卡发现左半球大脑皮层的特定区域是语言功能所必需的,并将其称为“运动语言中枢”,后称“布洛卡区”[7,18].布洛卡区的发现是大脑皮层语言功能定位的突破性进展.现在我们知道,语言控制并不局限于脑的某一特定区域而需要多种功能通过整个脑组织在一起[9].语言功能所必需的布洛卡区直接联系并控制初级运动皮层,而初级运动皮层则直接控制与说话相关的唇、舌和喉.

缪勒发现所有的神经活动都是以电脉冲的方式进行的,但人的各种感官却以不同的方式觉知不同的神经信息,进而提出了“专化神经能量学说”,断定所有的感觉信息都是通过激活特定的神经路径来专化的,不同的脑区负责不同的信息处理,并确定有5个感觉中枢的存在[9].缪勒通过专化神经能量学说倡导的实验逻辑演绎激发了众多生理学家和解剖学家直接对脑进行实验研究,为大脑皮层运动中枢定位的确立起到了极大的推动作用.格雷歇奥莱发现了视放射,进一步揭示了大脑皮层的功能定位现象,首次证实了脑干以上也有感觉束进入大脑并止于枕叶皮层的一定区域[7].格雷歇奥莱的本意是论证弗卢朗的学说的正确性,然而其结果与初衷恰恰相反.

至此,大脑皮层定位学说已获得了多方论证,大脑皮层运动中枢定位论已经初步形成.

2.2 大脑皮层运动中枢定位论的快速发展

虽然“定位论”获得了多方论证和某些实验结果的有力支持,但是仍不足以消除“整体论”根深蒂固的影响.问题在于:当时生理学家还不能用摘除局部皮层的手段导致某一清晰动作的消失,也不能采用刺激局部皮层的方法引起某一清晰动作的产生.对“定位论”而言,正确的方法和敏锐的观察比具有足够的勇气和坚定的信念来批驳乃至推翻既存学说更具威力.最终,希齐格担当了这一重任.希齐格和弗里奇首创以微电流刺激狗脑(额叶)表面特定区域,引起对侧特定部位的运动,并找到了5个不同的运动点,而刺激半球后半部则不能引发运动[4,19].实验证明大脑皮层确有专化的运动中枢,并揭示了运动皮层的位置.希齐格进一步研究狗脑,弗里奇继续对狗、猴和人脑运动皮层定位做了对比研究,发现阈刺激时,反应局限于若干肌肉,被刺激的皮层部分形成一个兴奋灶;当切除这部分皮层后,相应的肌肉即现瘫痪.由此确认了躯体运动中枢位于中央前回,现在将该区域称为初级运动皮层,那里的神经元与肌纤维直接联系,控制动作.

希齐格这一惊世骇俗的结论被他人多次重复实验予以证实,明确了大脑皮层各区具有不同的生理功能,由此基本上摧毁了“等力学说”.希齐格认为前人的失败由多方面原因造成:因粗糙的手术而引起过多的失血致使皮层失去反应;食肉动物的运动皮层位置很靠前,而以往的实验多局限于最容易暴露的顶枕叶部分,由于没有找到运动中枢的准确位置而得出了错误的结论.与此同时,菲勒1873—1875年,从比较生理学的角度做了更细致的实验来解释弗卢朗的结论何以错误[7].菲勒认为鱼类、两栖类和鸟类的大脑不容易被激动,而当它们反应时,又往往引起泛化的动作,因而看不出特有的定位现象.现在我们知道物种进化程度越高,其大脑皮层分化程度就越高,因而能够执行更为精细的功能.

如此看来,大脑皮层定位学说算是已经比较稳定了,可是仍然没有彻底消除某些学者对“等力学说”所持的定见.高尔兹重复菲勒的实验后,得出“不管摘除哪一部分皮质,其结果总是损伤脑的全部机能,唯一的差别是程度上的不同,与被摘除皮质的大小或多少成正比”[7];因而,不承认大脑皮层上有运动、感觉以及其他机能的定位现象.这是“等力学说”的复燃.高尔兹随即遭到了反驳.孟克揭露了高尔兹在实验中存在的重大问题:以自来水冲击皮层以达到摘除的目的,不仅摘除的范围不能准确控制,还导致术后颅内大面积的感染;因此,其实验结果不可靠.孟克根据自己的实验发现了大脑前部具有运动性而后部具有感觉性,同时首次证明了视性皮层与视网膜之间具有精细的“点对点”的联系[7].这是大脑皮层机能定位的进一步发展,表明了运动和感觉机能均可在大脑皮层上定位.这与缪勒的学说相符.

20世纪实验生理学的迅速发展得益于神经化学技术、组织学技术、放大器、示波器等重大发明,为研究者对脑的微观尺度研究提供了技术支持.1920—1930年代,神经系统的电活动研究开始活跃起来.研究者发现“刺激大脑躯体感觉区,可引起运动反应;刺激运动区也可产生感觉;前、后、中央回都有感觉与运动的机能,但各自侧重于其中的一种机能.”[20]这一时期所获得的大量资料表明:大脑皮层具有严格的“点对点”的机能定位,同时也存在弥散现象.照此看,“整体论”与“定位论”各有道理.自1940年代之后,研究者开始普遍采用电刺激法来研究大脑皮层的机能活动,促进了大脑皮层运动中枢定位的迅速发展.

在“定位论”迅速发展的时期,面对不可争辩的事实,“整体论”者也承认一些简单的大脑机能存在定位现象,却仍不同意将复杂的心理机能进行狭隘的局部定位.当“定位论”陷入严重危机的时候,莱什再走弗卢朗的老路,根据老鼠在切除不同皮层部分后跑迷宫的实验结果得出“一个动物智能的高低,直接取决于其大脑组织总量的多少,而与部位无关”[16],这也是“等力学说”的复燃.

2.3 大脑皮层运动中枢定位论的确立

加拿大神经外科医生潘菲尔德于1928开始,进行了大量的大脑皮层电刺激研究.到1950年,他与同事拉斯穆森终于绘制出了大脑皮层的感觉区和运动区的机能定位图[8,21].系统地阐明了人体不同部位的感觉和运动在大脑皮层的功能定位,标志着大脑皮层运动中枢定位论的确立.他们通过刺激癫痫病人的大脑皮层,根据病人的描述,记录病人的感觉,观察并记录引起不同部位感觉的大脑皮层位置,绘制出了“感觉地图”;然后,用同样的方法在大脑皮层上找出控制人体全身各部位肌肉运动的区域,绘制出了“运动地图”.大脑皮层控制随意运动的区位于中央前回的4区和6区,其主要功能是调节身体姿势和控制躯体各部位的运动,故称之为大脑皮层运动区.运动区接收对侧关节、肌肉和皮肤的感觉投射,同时对侧控制骨骼肌的运动.

运动区的主要功能特征是:(1)除头面部的多数肌肉外,对侧控制躯体的运动.(2)具有精细的定位现象,刺激某一部位的运动皮层引起特定部位肌肉的收缩.功能代表区的面积与运动的精细程度呈正相关,手部代表区几乎与整个下肢所占的区域面积相当.(3)从运动区的上下分布来看,其定位安排呈身体的倒影.

大脑皮层运动中枢定位论的确立,更进一步地解决了“是什么(大脑皮层运动中枢)”和“在哪里(中央前回4区和6区)”控制人体运动的问题.“整体论”与“定位论”之争以“定位论”胜出而告结束.

3 大脑皮层运动中枢定位论确立之后的发展

在大脑皮层运动中枢定位论确立之后,对有关运动控制的脑功能研究就越来越复杂了.1950—1980年代的研究表明[9-10,20]:

第一,以往划分感觉区、运动区和联络区的皮层分类方法是过于简单化了.各种感知觉都不是单独传入的、被动的映像过程,而是有运动成分积极参与了反射环路,从而使感知觉能够接受大脑皮层主动调节的过程.

第二,对皮层诱发电位的研究发现,皮层区可分为三级:一级投射区、二级联络区、三级整合区.一级皮层区的机能是高度分化的,机能定位非常明确;二级皮层区的机能分化程度较低;三级皮层区是各种信息最复杂的整合中枢.皮层机能的分级由简单到复杂,机能的特殊逐渐减少,机能定位程度降低,同时一侧优势现象渐趋明显.

第三,狭隘的局部镶嵌式的皮层机能定位概念已为动力系统的概念所取代.4区(初级运动皮层)以前的广大区域主要负责运动的决策、计划、组织,而4区则主要负责运动的执行.在大脑皮层运动区的垂直切面上存在呈纵向排列的运动柱(组成大脑皮层的基本功能单位),“一个运动柱可控制同一关节的几块肌肉的活动,而一块肌肉可接收几个运动柱的控制”[21].

4 大脑皮层运动中枢定位进展缓慢的原因

4.1 人脑结构的复杂性

人脑结构无与伦比的复杂性是大脑皮层运动中枢定位进展缓慢的最主要原因.脑的发育始于一根神经管,位于神经管内部的干细胞生成中枢神经系统的细胞[9].大脑皮层的发育是自内而外的,最终形成6层结构,高度卷曲、折叠、凹陷,包绕着大脑半球.漫长的过去,由于脑结构的许多问题未被阐明,因而其功能只能靠猜想和推论而得.时至今日,脑结构的许多问题亟待阐明,揭示人脑的工作方法仍是当今脑科学研究中最前沿、最尖端的部分.

4.2 古代禁止人体解剖

古代虽有解剖,但宗教禁止人体(尸体)解剖.研究者以动物解剖来推论人脑功能必然失之偏颇,因而进展缓慢.动物和人的大脑结构虽有相似之处,但存在着巨大差别.但是,通过动物研究来理解人类行为这一研究方法至今仍然适用.尽管科学是解释世界的,但对于人类自身的研究而言,还应该赋予科学以人文情怀,科学需要哲学和伦理学的多方牵助才有意义,否则科技进步可能是人类所面临的最大危机.

4.3 技术工具的局限性

仅仅回顾科学革命以来的历史,技术工具的局限性也是显而易见的.16世纪末期才发明显微镜,而从显微镜的发明到应用于神经系统的研究又经过了近二百年,且仅涉及神经系统一般组织的研究,还远未涉及对大脑皮层的研究.其主要原因是组织学技术有限和细胞学说尚未建立.直到1870年,希齐格以电刺激为工具才取得重大进展.也正是采用电刺激,潘菲尔德才最终得以完成大脑皮层的机能定位.

4.4 唯心主义“灵魂”观念的误导

宗教和身心二元论哲学的“灵魂”观念在那漫长的历史时期一直处于主导地位,影响深远.唯心主义的“灵魂”观念,使当时的哲学家和生理学家都去探索“灵魂”的居所.脑机能的权威人物马尔匹基和拉马克等认为皮层是一种腺体组织;毕夏视大脑皮层中的神经纤维为赝象,致使组织学家把皮层弃而不顾.身心二元论者试图以身心分裂的观点来看待人体运动控制问题,始终不把“自我”统一于自己的身体.现代科学相信世界包含物质和能量,一切心理活动都是脑的功能,一个具体的人必定是一元的.

5 结论

“定位论”将运动控制的脑功能具体落实在大脑皮层上,注重结构与功能的联系而把皮层的各个部分分别进行分析,最终定出了运动中枢,为理解随意运动控制的脑机制做出了重大贡献.同时,运动控制是一个包括大脑皮层运动中枢在内的多脑区、多层次、多序列、非线性的“动力系统”.线性的观点不足以阐明大脑多层次的连续活动现象.因而,运动控制又不能狭隘地定位于大脑皮层的局部.在多环节的机能系统中,每个环节的作用是有区别的,重要程度不同.我们既要承认大脑皮层确有机能分化,又要反对狭隘的局部定位.大脑皮层运动中枢定位进展缓慢的主要原因包括:当时的组织学技术有限;细胞学说尚未建立;错误的观念导致组织学家对大脑皮层缺乏应有的重视;显微镜发明之后很久才用于对大脑皮层的研究.新技术工具的发明不一定立即引起科学研究的重大突破,但它至少能够增加研究者大胆假设的底气和探索的信心.