科学松鼠会

——记美国神经科学家保罗·巴赫—利塔

2005年的一个夏天，保罗借助自己发明的平衡器重新站了起来，那一刻，他准会想起在实验室中利用各种废弃材料设计第一台触觉——视觉转换系统的那些遥远的日子。当时，1963年，29岁的保罗·巴赫—利塔（Paul Bach-y-Rita）是美国旧金山史密斯-凯特尔韦尔视觉研究所的一名高级研究员，从事眼动领域的研究。研究工作卓有成绩，但一向精力旺盛、不受拘束的保罗另有兴趣，他那充满了超越时代的洞察力的大脑正在酝酿着一个具有革命性的理念——人的各种感觉是可以相互替换的。

十九世纪中叶，科学先驱，法国神经学家保罗·布鲁卡（Paul Broca）根据解剖学证据，发现了一个专门负责语言功能的左脑脑区，并由此判断特定的大脑功能要由特定的大脑区域来实现，大脑结构与大脑功能之间存在着明确的对应关系。随后的无数研究证实了这一理论，视觉皮层、听觉皮层、体感皮层……早已被神经科学家清清楚楚、确定无疑地标定在大脑的不同位置上，泾渭分明，各司其职。“看”要由从眼睛到视觉皮层一系列的神经通路来实现，“听”只能是从耳朵到听觉皮层这一路神经网络的职责，对此，没有人会产生疑问。因此当保罗打算将他的感觉替代理念付诸实现的时候，得不到任何的研究经费。

尽管如此，乐观的态度和强烈的怀疑精神帮助他战胜了一切困难，保罗和同事利用业余时间和各种边角废料（比如一个废弃的牙科治疗椅，一个笨重的三脚架摄像机）研制出了世界上第一台触觉——视觉转换系统。1969年，保罗将该研究结果发表在nature杂志上，面对这一突破性成果，1967年诺贝尔生理学或医学奖获得者，神经生理学家拉格纳·格拉尼特（Ragnar Granit）评论道：“保罗，我欣赏你有关眼部肌肉的研究，但你为什么要把时间浪费在这种成人玩具上？”

保罗成功地通过他的成人玩具证明了触觉和视觉是可以相互替换的，但直到30多年后这一理念才被神经科学界广泛接受，不再令主流科学家们感到震惊或报以轻蔑的讥笑。

保罗制造这个成人玩具另外想证明的是成人的大脑具有很强的可塑性，能够在受到损伤后进行功能重组以恢复部分已损失的功能。然而，在那个布鲁卡的功能定位理论深入人心的时代，一个公理早已形成：成人大脑中哪部分区域遭到损害，其对应的功能就会永远消失。神经科学的概念框架中不包括可塑性和功能重组这样的词汇。

但保罗却对大脑具有可塑性深信不疑，原因来自于他父亲的经历。1958年，他65岁的父亲因中风几乎全身瘫痪，但并没有就此在疗养院的轮椅上惨淡度过余生，而是被正在学医的他的兄弟乔治带回家施以康复性治疗。三年后，他父亲不可思议的完全恢复正常，并又重回大学整整工作了五年，于1966年在哥伦比亚一座9000英尺的高山上远足时心脏病突发去世。

这一医学上无法解释的奇迹坚定了保罗关于大脑可塑性的信念，1971年，37岁，已经是史密斯-凯特尔韦尔视觉研究所教授的保罗辞去了这一职位，到斯坦福圣克拉拉医学中心找了一份住院医生的差事，去研究像他父亲一样的病患。保罗的决定使他的同事们大为不解，但这只是其热衷于冒险的天性为他传奇生涯所带来的转折之一。

始终燃烧着的激情

1934年4月4日，保罗·巴赫出生于纽约一个知识分子家庭，父亲是西班牙语教授，自由浪漫，无视规则。深受其影响，质疑常规的思维方式和挑战权威的勇气伴随了保罗的一生。在纽约布朗克斯理科中学读书时，保罗第一次接触到了科学。15岁从那里毕业，17岁完成墨西哥城大学学位，随后进入墨西哥国立自治大学医学院求读，但中途离开学校，开始了一系列塑造其未来职业生涯的谋生生活。

在离开医学院的那段丰富多彩的经历中，保罗先后当过渔夫、波音装配厂流水线工人、佛罗里达旅游按摩师。在按摩师培训期间，他受雇为盲人师傅们讲授解剖学和生理学知识，同盲人一起工作和交流的经历使其获益匪浅，促使他重返医学院并在今后的职业生涯中始终维持着与盲人的合作关系。1959年，25岁的保罗获得医学博士学位，随后成为了一名墨西哥乡村医生。

作为墨西哥莫雷洛斯州一个没有路、没有电的乡下村庄中第一个和唯一一个医生，保罗需要在各种情况下为孕妇接生；与当地的萨满巫医谈判，合作开展卫生保健工作；定期排查他所居住的茅草屋，以防止蝎子与自己共处一室……保罗满怀热情地为这个贫穷的村庄提供着无私的服务，直到觉察出他的知识还十分有限。在陆续完成美国加州大学、法国国家科学研究中心、西德弗赖堡大学的博士后研究工作之后，1963年，保罗成为旧金山史密斯-凯特尔韦尔视觉研究所的一名高级研究员。

“我想知道，在我们探求大脑究竟是如何工作的过程中，由于对‘科学性’的坚持，我们忽视了多少东西。”

符合那些为人类在科学的版图上开疆辟土的科学家们普遍的成长规律，60年代初，30岁前后的保罗将闪现的灵光与成熟的思辨成功地结合在了一起，开始冲破框架，拓展科学的边界。只是与其他人比起来，保罗寂寞的太久了。

原因在于他所面对的框架十分牢固。保罗在40多年前第一次获得非突触神经信息传递模式的存在证据时，就意识到在大脑组织方式上，科学家们忽视了经典突触组织理论之外的更广阔的可能性。

19世纪80年代，西班牙神经学家拉蒙卡哈（Santiago Ramón y Cajal）提出了神经元学说，1897年，英国生理学家谢灵顿（Charles Sherrington）将神经元之间的连接点命名为“突触”。随后，神经元独立形态的证实，突触结构的发现，再辅以其他科学家们所提供的解剖学、生理学、临床医学等等多方面确凿的实验证据，一个神经元——突触神经信息传递理论被构建出来。神经信息通过突触机械地从一个神经元单向传递至另一个神经元，大脑神经网络以此为基础有条不紊地展开工作。

这一“局部主义”理论已统治了神经科学界一百多年，在近三十年来突触外神经递质扩散、胶质细胞参与神经信息传递等与该理论相抵触的机制被纷纷证实后仍是如此。因此当保罗于60年代初提出他的设想时，被理所当然地认为是异想天开。

保罗在2005年发表于《Journal of Integrative Neuroscience》杂志的最后一篇论文中回顾自己一生的研究工作时这样写道：“这许多年来的滋味并不好受，自从我意识到可以通过那么多条路来探索大脑的功能。我想知道，在我们探求大脑究竟是如何工作的过程中，由于对‘科学性’的坚持，我们忽视了多少东西。”

今天，非突触神经信息传递模式总算得以融入到神经科学已有的概念框架中，被视作是突触理论的补充机制，虽然这种广播式的细胞间通信很可能是更主要的信息传递方式。而当年的异想天开现在则成为了热门的研究领域，一条新的大路正在拓展之中。

“你是在用脑来看，而不是眼睛。”

非突触神经信息传递机制的发现使保罗确信，大脑的工作方式并非那么机械和有序，而是更为混沌，或者说具有一种动态的灵活性。父亲的经历使他愈发坚信这一点，他认为人的大脑是“可塑”的，通过恰当的学习和锻炼，大脑能够对原司其职的皮层区域进行功能重组，以应对新的变化，即便是老年人或严重损伤过的大脑。

对这种“可塑性”加以验证的渴望触发保罗构想出了感觉替代理念，他这样假定：如果某种感觉被剥夺，大脑会利用其他感觉对其做出弥补，甚至完全替代。比如盲人的大脑经学习后能将某些神经信号解释成视觉信息，交由视觉皮层来处理，这些神经信号不是来自眼睛，而是其他感觉器官，比如皮肤。很快，保罗开始了触觉——视觉替代研究。

第一台触觉——视觉转换系统利用业余时间和各种废弃材料设计而成，一个摄像机拍摄实时图像；一台处理器将图像转化成电脉冲发送至椅子靠背的电极上；盲人坐在椅子上，背部皮肤与电极相连。虽然整个系统粗糙、简陋，使用者经常要遭受到电击，用后背“看”出来的画面也不怎么清晰，但所取得的成就已相当令人震惊：经过一段时间的训练，盲人使用者可识别出物体的形状和运动轨迹，有些能感知到从斜面滚下的球，并在其滚到斜面边缘时击中它。

初步尝试获得成功，感觉替代是可以实现的，不过对保罗所假定的神经机制施以针对性的研究则是30多年后的事了。2005年，丹麦奥尔胡斯大学的一个研究小组对使用最新式的舌式触觉——视觉转换器的受试者进行了大脑成像实验，实验中用舌头取代最初的背部皮肤作为刺激信号接收端，其他基本原理不变。训练一周后，盲人脑中之前不再用到的视觉皮层在执行实验设定的感知任务时开始活跃，表明盲人的大脑确实利用了视觉皮层来处理发自触觉器官的神经信息。

大脑具有可塑性确然无疑，自上世纪90年代起，保罗最早提出的，在当时饱受漠视的“可塑性”逐渐成为神经科学界的时髦词汇。

保罗的感觉替代研究证实了大脑的可塑性，同时也引出了另外一个更为深刻的问题。在实验中，戴着眼罩的正常人也能完成任务，但他们的视觉皮层始终没有被利用到。那么正常人是如何用舌头“看到”的？对此，保罗坚持着自己的理解：“你是用脑来看，而不是眼睛。”一幅图像，通过视网膜或是处理器和舌头，被转换成的是同样的神经信号，这些神经信号传送至大脑后，大脑会让我们看到。

这种对各感觉系统过于一视同仁的观点似乎有些过火，眼睛、舌头生来不同，自然各有用处，从一幅图像转化而来的神经信号是一样的，但在各专门系统内受到的处理会有所不同。因此一个更为公允的理解或许是：我们可以用眼睛和脑来看，也可以用舌头和脑来看。至于这背后涉及到的是怎样的神经机制，还需要很长时间来探究和消化。保罗的感觉替代研究为我们考察、理解大脑的运作机制打开了一个独特而切中要害的突破口。

平衡之术

60年代的灵光和坚忍为保罗带来了一生的成就，也为他指明了接下来要走的方向。1971年，保罗辞去史密斯-凯特尔韦尔视觉研究所教授职位，到斯坦福圣克拉拉医学中心做了一名住院医生，1979年成为加州大学医学和康复医学系教授、副主任，1983年加入威斯康星大学，任康复医学系教授、主任，期间重新开启了感觉替代研究。

不再用背部皮肤，保罗先后尝试了以腹部和指尖作为信号接收端，同时他还进行了一些触觉与听觉的替换实验。90年代末，保罗的感觉替代研究达到巅峰，他挖掘出一个理想的信号接收端——舌头。舌头是除嘴唇外，人体触觉神经最多的部位，嘴中丰富的唾液使其始终保持湿润，利于导电。1998年，保罗为他的舌式显示器申请专利，成立了一个公司，名为Wicab，她妻子的名字，玛雅语意为“甜蜜爱人”。

这个由保罗创办的校园里的公司早些年更像是一个科研机构，有各自研究工作，兼职加入公司的同事们围绕在会议桌前，对各种疯狂的想法展开无拘束的科学式的讨论。2000年初，保罗的主要合作者，威斯康星大学生物医学工程师米奇·泰勒（Mitch Tyler）在一次感冒中内耳严重感染，内耳中负责躯体平衡的前庭器官的失灵导致米奇暂时丧失了平衡感，在天旋地转的世界中生活了几天，并由此萌发了一个大胆的念头：用舌头代替前庭器官维持平衡。

一向不排斥任何新奇想法的保罗立刻采纳了这项建议，并付诸实验，第一台舌式平衡器由舌式显示器改装而来，一个装有微型加速度计的绿色塑料头盔取代摄像机，通过处理器向置于舌头上的电极发送刺激信号。人戴上这个头盔，当直立时，刺激信号会从电极板中央进入舌头，而一旦身体发生倾斜，加速度计感应到偏差并发出相应信号，舌头上的刺激会偏离正中。佩戴者这时候就要前后左右地调整身姿，以使刺激位置回归到电极板中央，也即获得了平衡。

2001年秋天，保罗的平衡器迎来了第一个受治者谢丽尔·切尔茨（Cheryl Schiltz），她的前庭器官于1997年因抗生素不良反应遭受永久损伤。在短暂的适应期后，舌头成功地代替内耳与谢丽尔的大脑建立起一套身体位置信息传送——响应关联机制，帮助她重新掌握了平衡，几年来，谢丽尔第一次不再摇摇晃晃。不过令人惊讶的事情还在后面，完全出乎意料，在取下平衡头盔后，谢丽尔也能保持一段时间的平衡。在连续使用平衡器20分钟后，谢丽尔独自平衡了一个小时，在连续几年的每天早、午20分钟练习后，谢丽尔把她的手杖送给了辅助她练习的神经生理学家尤里·丹尼沃夫（Yuri Danilov）。

很显然，谢丽尔的脑中发生了一些变化，至于到底是如何变化的，2000年加入公司的尤里如此声明：如果我有一千名科学家可以支配，我会让他们立刻投入到两千个与平衡器相关的研究项目中。

不管怎么说，这个舌式平衡器起到了作用，其小型化的改良版成为Wicab公司的第一款商业产品。

理论神经科学的曙光

2004年，就在保罗着手把Wicab打造成一家真正的商业公司时，被诊断出已是肺癌晚期，只剩下几个月的时间。对此，保罗的第一反应是：“我还有那么多事情要做！”他决定在剩下的时间里加快公司的商业化步伐，“为了科学，也为了我的家庭。”

2005年夏天，保罗的身体状况越来越糟，激进式疗法使他愈发虚弱，其所服用的一种抗癌药物更是损伤了他的内耳，前庭器官被破坏，保罗站不起来了。这时，所有人，包括保罗自己都意识到有件事需要尝试一下，谢丽尔被请来辅助治疗，保罗戴上了自己发明的平衡器。20分钟后，当他重新站稳的那一刻，谢丽尔忍不住哭了出来：“我做了他曾经为我做的，还有谁能体验到如此完满的轮回？”

保罗在去世前不久接受采访时说道：“我想，我总是更愿意寻找机会去做那些常规框架之外的事情。”对于他终生挚爱的科学，保罗希望在不远的将来能诞生真正意义上的“理论神经科学”。如同理论物理在物理学中的地位，在神经科学领域同样要建立起理论、假说与实验间的相互制约和促进的平衡，而不是像现在这样对缺少实验观察的思想和观点过于看轻。

理论神经科学应担负起对现有理论进行分析式批判的职责，促使新旧思想的更新代谢以更快的速度发生，而不是像现在这样要等上几十年，乃至更长的时间。

2006年11月20日，感觉替代、大脑可塑性理论的创始人保罗·巴赫于家中去世，享年72岁。此时，他的公司已步入正轨，而他的超越时代的理念和思想还需要人们花更长的时间来理解和接受。愿过去的，现在的，将来的拓边者不再孤独。

参考文献及资料：

1. PAUL BACH-Y-RITA.EMERGING CONCEPTS OF BRAIN FUNCTION[J]. Journal of Integrative Neuroscience, Volume 4, Number 2, 2005, pp. 183-205.

2. Ptito M, Moesgaard SM, Gjedde A, Kupers R.Cross-modal plasticity revealed by electrotactile stimulation of the tongue in the congenitally blind[J]. Brain. 2005 Mar;128(Pt 3):606-14. Epub 2005 Jan 5.

http://www.uwalumni.com/home/onwisconsin/archives/spring2007/balancingact.aspx

http://www.secfac.wisc.edu/senate/2007/0305/1972%28mem_res%29.pdf

http://www.madison.com/obits/print.php?refDate=2454062&refPage=listing&ad_number=6676308

《新发现》2008/6月刊

标签：人物传记, 保罗·巴赫, 神经科学

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