科學人觀點

智慧之鑰:小腦立大功

腦科學由傳統的左右腦合一走向大小腦合一的新頁。根據研究,小腦只有20%的神經細胞用於平衡和肌能活動,80%的神經細胞則直接參與了注意、學習、記憶、語言、決策等認知運作,甚至情緒調適和社交。

撰文/曾志朗

科學人觀點

智慧之鑰:小腦立大功

腦科學由傳統的左右腦合一走向大小腦合一的新頁。根據研究,小腦只有20%的神經細胞用於平衡和肌能活動,80%的神經細胞則直接參與了注意、學習、記憶、語言、決策等認知運作,甚至情緒調適和社交。

撰文/曾志朗

影像來源:ANGELO MARAVITA, ATSUSHI IRIKI " TOOLS FOR THE BODY (schema)" PUBLISHED IN TRENDS in Cognitive Sciences VOL.8 NO.2 FEBRUARY 2004


在生物演化的歷史長河中,能夠競爭求勝和困境突圍,是保障族群生命得以續存的重要因素。前者指的是同族內或異族間為了搶資源和佔有更多利益,必須大打出手。遠古的野蠻時期,輕則擁奴納隸,重則趕盡殺絕,最後成王敗寇。如果是較為文明的社會,則會在一個有規範的評鑑制度下講究排序,要想出人頭地,就得以優異的成績獨占鰲頭。尤其在現代的高科技世代,競爭求勝,更是擁有經濟實力的唯一法則。


至於困境突圍,指的是人類從天災頻仍的自然災難中得以屢戰屢勝,使子孫綿延不絕的能力。這包括逢山鑿洞、遇水架橋;畜牧,農耕;存糧防旱、築堤防洪;疾病來襲,則百草為藥。人類在演化的過程上,承受無數天災人禍,能在困境中突圍、在災難中重生的人,靠的不是運氣,而是有能力提出避難的問題解決方案,其中包括創造新的工具和突破性的思維方式,來解決當前的困境。其實,不論競爭求勝,以取得更多更有利的資源,或困境突圍,以達人定勝天的表現,都說明了人類擁有一種擴增自我能量的「智慧」,一方面經由學習而強化本身的認知功能,另一方面能無中生有,創造適用有效的工具,改進自己和環境的互動關係。


那什麼是智慧呢?先拆開來看,什麼是「智」,什麼是「慧」?以現代科學的量化觀點而言,前者是知道有形的輕重、大小、高低、寬窄,以及無形的份量多寡;總的來說,就是會「計算」。這是人類先天具有加後天學習而得的計算能力,若各式各樣的計算都能精準無誤,就意味著有高的智能。而後者這個慧字的最好詮釋,就是能高明應用計算的結果;換句話說,就是有效的「算計」。計算是基本的知覺和認知活動,而算計就是後設認知的運作。從認識環境、界定和剖解問題、分析情勢、尋找或創造適用工具,到評估成敗、舉一反三的創新思維,都是智慧的表現。人類之所以能異於禽獸,就是多了這一層後設認知,由計算到算計,創造出有形或無形的工具,使人類能慧眼知天地,且能傳道授業解惑,致永續發展的機率,和其他動物相比,就不只是幾希而已了!


達爾文在150年前提出了「棲位再造」(niche construction)的概念,指出了使用工具對人類由智能進展到智慧的意義。首先,有效的使用工具,讓人腦對外界環境的表徵發生了顯著的變化。例如一個人伸手上下左右揮動,他腦裡所表徵的空間範圍就是手臂能及的空間而已,但如果他手上有了一根棍子,他腦裡所表徵的空間就是手臂加上棍子的總長度所能及的範圍。也就是說,工具的應用,改變了使用者的視野,並增大和環境互動的範圍。就像一個人站上了桌子,視線所及的事物和在地面時完全不同,所謂高山仰止,表達的就是這個現象。工具的出現和持續使用,會促使腦內各部件重新組合,「硬體」也許不變,但適切的「軟體」會提升「計算」的準確度,也更增強了「算計」的複雜性,於是又帶動新的工具創造,使用更進步的工具以解決更複雜的環境難題。這樣一步又一步向前演化,由腦的身體心像到自我覺識,到借由語言文字工具,成就抽象問題的解決能力,就是人類從智能提升到智慧的由來!


自2004年開始,日本理化學研究所的入來篤史(Atsushi Iriki)和研究團隊做了一系列獼猴使用工具的實驗,觀察牠們在重複使用耙子去搆遠處不可及的食物之後的腦神經影像,發現電生理反應由使用工具前的頂葉區延伸到前腦前區,證實持續使用工具讓頂葉區把工具和身體視為一體,而且進一步結合前腦前區的控制系統,設計出一套富有彈性的問題解決方案,即使食物不在預期的方位出現,也能隨心所欲適切的調整耙子,達到舉一反三的成就(我曾以〈猴頭猴腦的缺憾〉描述過這個精采研究)。猴子如此,人更是無可限量!


智慧反映了腦的計算和算計的活動,因此腦神經的硬體和軟體適切進化,就越有能力在越複雜的困境中安然突圍,所採用的解困方法也會更精準、更快速,且更省力。美國印第安納大學考古人類學系的研究群從遠古人類頭殼的化石中計算出,四萬年前,當畜牧和農耕正在改變社會組織時,遠古祖先的大腦也由左右對稱演化成不對稱。從只能模仿演化成不同功能的互補,右腦保留空間定位的功能,而左腦則強化了時間順序的解析能力。左、右腦透過胼胝體的連結,在空間和時間上合作無間,人類的生命力,擴增到其他更抽象的面向上。也就在這個時期,遠古祖先有了作畫的衝動,他們在各地洞穴留下許多描繪生活的壁畫,科學家稱這些帶有傳承意義的畫作為「認知大爆炸」──展現意圖和打破時空限制的訊息交流。


可以互補,也能相輔相成,合作精進的左右腦不對稱,提供人類智慧升級的利基,認知神經科學家對互補成智的細節和運作機制雖然還在摸索中,但也預期更高解析度的腦造影技術,加上更細緻精巧設計的實驗,對「左、右腦合一」理論將有更精闢的闡述。就在眾人翹首引領之際,考古人類學家結合資訊工程學家又有了一個新的發現,把人類智慧的腦神經架構,帶向了新的「大、小腦合一」理論!


這個發現很有趣,結論也令人震驚。就在認知大爆炸的同一時期,現代人的祖先智人,其小腦加入了大腦的運作,增強了競爭求勝和困境突圍的能力,而得以在天災地變中存活下來。同一時期的尼安德塔人,因為沒有小腦配合,失去競爭能力,就在災難中從地球上消失了(2018年8月號我曾寫過這個發現的經過)。更有趣的是,自小腦加入全腦運作後,至今其神經細胞總數有1010億之多,而大腦體積龐大,卻只有210億~250億個神經細胞,僅僅是小腦的1/5。考古人類學的新發現,對小腦在輔佐大腦運作的功能上確實賦予了全新涵義!


傳統的神經科學,總認定小腦只是負責人體平衡和肌能活動而已。近年來,美國聖路易華盛頓大學一群功能性神經解剖學研究者,運用小腦患者的資料庫分析,確定小腦只有20%的神經細胞用於平衡和肌能活動,另外的80%神經細胞則是直接參與了注意、學習、記憶、語言、決策等認知功能運作,甚至包括情緒調適和社交等。


在人類智慧演化的過程上,小腦的加入,確實立了大功。但在全腦實際的運作上,在配合左右腦不對稱功能的互動上,它到底扮演了什麼樣的角色,仍然是未解的謎。它不是主角,大腦才是!可是這個配角卻舉足輕重,掌控了智慧的品質,有如巨大的建築工程必須搭配專案營運管理(PCM)技術服務,才得以使績效最佳化。看似不起眼的小腦,不但會記、會說,也會社交,還能使人類變得更聰明,教人不敢小覷,更想尋根探底!