從物理學到腦科學
——克里斯托夫·科赫訪談錄

編譯 陳軼翔

神經元建模自然而然地引發思考神經科學中更深層次的問題，包括意識的本質和實驗可重復性危機。

20世紀80年代早期，克里斯托夫·科赫（Christof Koch，現任西雅圖艾倫腦科學研究所所長、首席科學家）的博士生導師從德國去了美國麻省理工學院（MIT），他邀請科赫進行博士后研究。之后導師還給他發了一份電報，對他的情況表示擔憂：“美國已經有人在對神經元建模。你很快會成為父親，一旦你走入了更大的世界，我可不能保證給你提供一份工作。”科赫當然沒被嚇住，他馬上前往MIT。想起那份電報，他不禁笑了出來：“現在，毫無疑問，有成千上萬的人在各種尺度上對大腦建模。”

在MIT工作4年之后，科赫加入了加州理工學院。2011年他又到了西雅圖的艾倫腦科學研究所。科赫對從物理學的角度理解意識抱有濃厚興趣。他說：“我的研究興趣從物理學向神經科學的轉變是十分自然的，我一直對計算機著迷，也經常被大腦深深地吸引，用物理學的方式來研究大腦似乎是相當討巧的。”

在艾倫研究所里，科赫管理著一支330多人的團隊，該團隊致力于確定和列出小鼠和人類大腦中不同種類的神經元，還要建立“大腦觀測站”，追蹤小鼠大腦活動中數以萬計神經元的活動。團隊另一個目標是在神經科學領域引入通用標準，提高實驗的可重復性。

從物理學轉行到神經科學難嗎？

我還記得我在德國參加神經生物學會議上貼過的第一張海報。當時我還是德國圖賓根大學和馬克斯·普朗克生物控制論研究所的研究生，而且是當時唯一的建模者，其他人都在講述他們的實驗數據。我那張用電纜理論解釋樹突棘特征的海報被放在展示廳的最后面，只有兩個人經過，而其中一個人只想知道洗手間在哪兒。在順便看海報的同時，他用同情的眼神看著我，讓我解釋一下我的計算機模擬。那個晚上，我喝醉了，我懷疑選擇神經元建模是個錯誤的研究方向。

克里斯托夫·科赫坐在他的辦公室里，背后的照片是他的導師弗朗西斯·克里克

但是事情無疑變好了。您最后怎么去了加州理工學院？

著名的物理學家約翰·霍普菲爾德（John Hopfield）是真正推動計算科學并給這個領域帶來信心的人。他在MIT工作的時候，我曾經和他同在一個辦公室。他告訴我，加州理工學院正在尋找這樣的人：能從工程學層面看大腦，也能從生物學層面看待計算機。隨后加州理工學院征詢了我的意向，于是我得到了這份工作。

我到達加州理工學院后，生物學家認為，克里斯托夫顯然是最聰明的，但是他明顯是個工程師；而工程師們則認為，克里斯托夫明明是個生物學家。最終教務長打破了這個僵局，他設立了一個同時在兩個系服務的職位。這是對在交叉領域工作人員的通常安排。

在加州理工學院，你把全部精力都投入了意識研究，是什么讓你對這個領域感興趣的？

我最感興趣的工作是關于意識的問題。這是亞里士多德提出的一個古老的問題。我們發現，自己身在一個可以用物理學和其他科學完美描述的宇宙中，但是我們也很迷惑，為什么生活會是這個樣子。

比如，悲傷從何而來？快樂又從何而來？我首先想到了疼痛。比如我們知道疼痛是個物理過程：受體被激活，電活動沿著神經傳輸，進入脊髓，最后轉換成丘腦中的刺激，導致腦皮層的電活動。但是那究竟是什么？所有這一切意味著有些離子在你腦中晃蕩，比如鈉、鉀、氯、錳等。這僅僅是物理學，但是為什么產生疼痛的感覺呢？這種感覺是從何而來的？

先回到1989年，我開始在弗朗西斯·克里克的科研機構里從事意識的研究，當時這一研究領域還并不流行。我們是把意識用科學方式研究的第一批科學家。我們說，讓我們忘記哲學吧，去尋找意識在大腦中的足跡吧。當我們感到痛苦或悲傷、能夠產生視覺和嗅覺時，在大腦中有什么特殊機制被激活呢？是否有特殊電活動與此有關，比如振蕩？是否有特殊的基因與此有關？你可以提出問題。不管你認為意識是否真的存在，你都可以獨立地詢問這些問題。現在有數百個實驗室都在追蹤意識在大腦里的各種足跡，這是個大工程。

這個研究有什么進展嗎？

有的。例如，有成千上萬個病人難以意識到家里有沒有別人。他們呻吟著，眼睛睜開或閉上，擺動著腦袋。最后有些人會康復，有些人因此死去，有些人活著但是一直受到折磨。現在有一種設備正在臨床試驗，用磁脈沖探測腦皮層的各種活動。你可以通過高密度的電極網絡來測量電反應，然后可以看到復雜的反應，推論出病人是否有意識。這稱為經顱磁刺激。

意識還是你最感興趣的研究方向嗎？

是的，有一系列主題都與意識有關。其他動物有意識嗎？如果你養了狗或者貓，毫無疑問你覺得你的寵物是有意識的。那么到底意識的范疇在哪里？是只限于哺乳動物嗎？烏賊或者章魚有嗎？它們也是很復雜的生物。蜜蜂呢？一只蜜蜂只有100萬個神經元，而人有810億個。蜜蜂可以識別其他個體，它能跳復雜的8字形舞，那它到底有沒有意識？

我們必須意識到夜晚是奇怪的、充滿未知的。普通的物理學用外部手段來描述世界——磁力、電力、強力、弱力和核子力等。可能意識是從內部感受到的非常特殊的物理系統。兩者應該是同一體系，只是表現在外在還是內在。我喜歡從這個角度理解意識。

又是什么促使你離開了加州理工學院？

部分原因是我喜歡挑戰。我在加州理工學院待了27年，我知道我可以在那里待到老。同時，我開始感到我躁動不安，我渴望尋找新的自己。

你來到艾倫研究所后，又遇到了什么挑戰？

一個挑戰是生物醫學研究遭遇到了重復性危機。有2/3的實驗，無論是腦成像、癌癥生物學還是心理學都無法重現。這是整個科研機構的軟肋。

造成這種情況的原因很多。一個原因是生物醫學研究競爭十分激烈；另一個原因是我們面對著一個復雜的系統。就算是蠕蟲或者蒼蠅大腦都極其復雜，有相當高的自由度，比希格斯玻色子或者黑洞還要復雜，希格斯玻色子或者黑洞的特征用一些數字就可以描述了，比如電荷、質量、角動量。生物醫學研究需要標準化。你需要把所有數據提供這個星球上的每一個人。所以我對研究所的創始人和資助人保羅·艾倫（Paul Allen）說，“建立大腦觀測站吧，我想把天文學和天文學模型的嚴密性帶給神經科學。”他同意了。我們的預算大約是每年1億美元。

神經科學與天文學相比有多遠？

天文學與神經科學的一個不同之處是，天文學只有一個天空。而神經科學面對的當然不只有動物。哪怕你研究清楚了一個動物，比如一只小鼠，但是每只小鼠都是不同的，然而我們試圖建立起統一的標準。

另外，與天空不同的是，我能夠在毫秒之內精確開啟和關閉大腦中的單個神經元。所以我不僅能觀察系統，看看小鼠思考時神經元的活動，還能擾亂它，這是非常強大的。

運營一個腦科學研究所和擔任教授之間有什么區別？

非常不同。現在我擁有很多自由。我寫專欄，與其他研究人員交流，我們在艾倫研究所里做同一個項目。不過我現在是運營者。

對我們來說，確立正確的目標是生死攸關的：明確性、可衡量、可操作、現實和耗時合理。我必須做出決策。這種情況更類似產業界，即無法為每個人提供足夠的資源。人們不斷抱怨甚至嫉妒他人，還要考慮相關政治問題等。最大的困難是我必須做出直接影響人的決定，這很艱難，而且往往不會很愉快，但是對實現我們更大的愿景至關重要。

你對未來有何規劃？

我不知道。很多事情都在進行。腦研究所的10年規劃大概在2022年初完成。

生物學正在成熟，部分原因是因為資金充足。僅NIH每年就要在生物學上投入330億美元。美國的總投入是這一數字的2倍，世界范圍內就更多了。最終，我們有必要將研究成果轉化為服務人類生活的產品，這在一個大學里很難。在物理學中，我們有完整的生態系統，包括眾多小型實驗室、國家實驗室、國際實驗室等。生物學也需要類似的生態系統，現在正在形成。

這是一個激動人心的時代，從業人員非常多。我們正處于腦科學研究的黃金時代。