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1、19811981年诺贝尔生理年诺贝尔生理及医学奖简介及医学奖简介 有关大脑半球职能分工的研究有关大脑半球职能分工的研究 韩宁（韩宁（200521062200521062）生命科学学院生命科学学院0101级动物学专业级动物学专业前言：前言：诺贝尔奖是以瑞典著名化学家、硝化甘油炸药发明人阿尔弗雷德贝恩哈德诺贝尔(1833-1896)的部分遗产作为基金创立的。为了纪念这位伟大的发明家，从1901年开始，每年在他去世的日子里，即12月10日颁发诺贝尔奖。神经科学的传统观念认为:人类大脑左半球有语言能力,能进行说、写、读和计算、逻辑思维等高级意识活动,而大脑右半球无语言功能,只有空间、形状、色彩等完形知
2、觉,因而是低级的半球。斯佩里(Sperry)突破了大脑优势的传统观念,发现人类大脑右半球也有语言功能、自我意识和社会意识,大脑两半球都具有高级意识功能。这一科学发现,是斯佩里凭借长时期的知识积累,采用临床观察、动物实验、神经心理测验等多种手段,认真探讨、深入研究的结果,是神经生理学、心理学、医学领域中具有划时代意义的重大科学发现这一重大科学发现,给大脑两半球功能的传统观念画上了句号R.W.R.W.斯斯 佩佩 里里（Roger Roger Wolcott Wolcott Sperry Sperry 1913-1994 1913-1994 美美国国人人）出出生生于于美美国国肯肯乃乃迪迪克克州州的的
3、哈哈法法特特并并在在临临近近的的一一个个农农场场中中长长大大。他他进进入入了了哈哈法法特特公公立立学学校校。在在中中学学里里他他是是一一个个在在多多运运动动领领域域中中的的明明星星运运动动员员，并并且且成成功功赢赢得得俄俄亥亥俄俄州州Oberlin Oberlin 学学院院的的奖奖学学金金。他他在在19351935年年从从OberlinOberlin学学院院毕毕业业取取得得英英语语专专业业学位。学位。在毕业之后在毕业之后SperrySperry继续留继续留在在OberlinOberlin学院深造并取得学院深造并取得心理学硕士学位。之后去心理学硕士学位。之后去了芝加哥大学，跟随当时了芝加哥大学，
4、跟随当时很有影响力的生物学家很有影响力的生物学家Paul WeissPaul Weiss从事动物学研从事动物学研究，攻读博士学位。在佛究，攻读博士学位。在佛罗里达和哈佛罗里达和哈佛YerkesYerkes实验实验室度过数年，研究灵长类室度过数年，研究灵长类生物。之后回到芝加哥任生物。之后回到芝加哥任教。教。19541954年去了加州理工年去了加州理工学院担任心理生物学教授，学院担任心理生物学教授，并一直留在那里工作。并一直留在那里工作。Roger W.Sperry AutobiographyBirthplace and Family:Born August 20,1913,in Hartfor
5、d,a small suburb.Father was in banking;mother trained in business school and after dads death,when I was 11 years old,she became assistant to the principal in the local high school.One brother,Russell Loomis,a year younger,went into chemistry.Professional positionsBiology research fellow,Harvard Bio
6、logy research fellow,Harvard University,at University,at YerkesYerkes Laboratories of Laboratories of Primate Biology(1942-46);Primate Biology(1942-46);Assistant professor,Department of Assistant professor,Department of Anatomy,University of Chicago(1946-Anatomy,University of Chicago(1946-52);52);As
7、sociate professor of psychology,Associate professor of psychology,University of Chicago(1952-53);University of Chicago(1952-53);Section Chief,Neurological Diseases and Section Chief,Neurological Diseases and Blindness,National Institutes of Health Blindness,National Institutes of Health(1952-53);(19
8、52-53);HixonHixon professor of psychobiology,professor of psychobiology,California Institute of Technology(1954-California Institute of Technology(1954-present).present).A vocational and anti-brain-strainCollected and raised large American moths in grade school.Ran trap line and collected live wild
9、pets during junior high school years.Three-letter man in varsity athletics in high school and college.Through middle life continued evening and weekend diversionary activities including sculpture,ceramics,figure drawing,sports,American folk dance,boating,fishing,snorkeling,water colors,and collectin
10、g unusual fossils.研究背景最旱形成大脑左半球优势见解的是Dax。1836年Dax收集了右利手失语症病例。发现右侧半球病变不发生失语症。他在著作中明确指出左半球与失语症有关。但他的文章当时未能发表。1868年法国外科医生Broca对失语症患者大脑进行解剖发现95%以上的病例是由于大脑同一区域的损坏导致的。1865年Broca发表了论文。把人的语言机制定位于左半球。发展了左半球优势的概念。18681868年年OgleOgle建立了与左半球优势功能有关的失建立了与左半球优势功能有关的失写症这个概念。写症这个概念。18741874年年WernickeWernicke发现了左半球发现了
11、左半球与语言理解有关。与语言理解有关。18721872年年DejerineDejerine描写了左半描写了左半球病变引起的失读症。球病变引起的失读症。19071907年年leipmannleipmann和和GerstmannGerstmann发现左半球病变引起失用症。后来有发现左半球病变引起失用症。后来有人报道学习性随意运动的症病均由左侧半球损害人报道学习性随意运动的症病均由左侧半球损害引起，左半球负责进行对较高级随意运动的控制，引起，左半球负责进行对较高级随意运动的控制，是主要运动的执行者，左半球在计算推理中也占是主要运动的执行者，左半球在计算推理中也占优势。优势。斯佩里谈到斯佩里谈到:至本
12、世纪至本世纪50605060年代早期。大部分年代早期。大部分脑损害证据都集中地支持一个主导的进化得更高脑损害证据都集中地支持一个主导的进化得更高级的理智的左半球。以及相比之下另一个相对落级的理智的左半球。以及相比之下另一个相对落后的右半球的设想。对于一个典型的惯用右手的后的右半球的设想。对于一个典型的惯用右手的人脑来说，右半球不但是无语言能力和无书写能人脑来说，右半球不但是无语言能力和无书写能力的。而且是读字困难的，患语聋症的和失用症力的。而且是读字困难的，患语聋症的和失用症的。通常缺乏更高级的认识功能。这种偏见随着的。通常缺乏更高级的认识功能。这种偏见随着斯佩里等人的裂脑人研究才逐步得到修正
13、。斯佩里等人的裂脑人研究才逐步得到修正。对于右半球功能前人曾有过一些认识。对于右半球功能前人曾有过一些认识。18741874年年HughlingsHughlings,Jackson,Jackson假设大脑右半球与知觉过程假设大脑右半球与知觉过程有直接关系。有直接关系。3030年后年后BabinskiBabinski注意到右脑功能缺注意到右脑功能缺陷引起感觉缺失陷引起感觉缺失.然而此观点未被引起注意。然而此观点未被引起注意。40504050年代中年代中W.R.Brain(1941)J.M W.R.Brain(1941)J.M ceieceie,PiercyPiercy ZangwZangw il
14、l(1959)ill(1959)Critchley(1953)Henri.Critchley(1953)Henri.HecoenHecoen等人描述过右等人描述过右半球损伤时引起的一侧空间不识症半球损伤时引起的一侧空间不识症;A.P.;A.P.rypngnrypngn等等19501950年描述右半球损伤可产生左侧凝视偏盲年描述右半球损伤可产生左侧凝视偏盲;1947;1947年年1*1*BodamerBodamer,1952,1952年年PoetzPoetz等描述了等描述了右半球后部损伤可产生不认人症。右半球后部损伤可产生不认人症。上述认识在上述认识在6060年代前未得到重视年代前未得到重视.右
15、脑功能的研右脑功能的研究也处于较初级阶段。右脑功能深入的发现和左究也处于较初级阶段。右脑功能深入的发现和左半球优势观念的转变自斯佩里等人的研究才产生半球优势观念的转变自斯佩里等人的研究才产生了关键性改变。了关键性改变。1961年美国洛杉矶白碑中心神经外科主任Philip Vogel和医师Joseph Boge仔细研究了斯佩里等人所做的裂脑动物实验结果和前人切断胼胝体治疗癫痫的病例。决定应用此方法治疗癫痫患者。第一例手术是给一名48岁的退役军人做的。术后，顽固的癫痫得到了控制。斯佩里很快得知了这一消息，随后他做出了应用癫痫患者进行裂脑研究的计划。开始与他的学生等人在60年代初80年代早期对12名
16、裂脑患者进行了著名的裂脑人研究。至80年代获得了大量关于左右大脑半球专门化功能的认识。什么是裂脑人？什么是裂脑人？神经解剖学和脑生理学知识告诉我们，人脑分成神经解剖学和脑生理学知识告诉我们，人脑分成左右两半球，左脑半球接收来自人体右侧的感觉左右两半球，左脑半球接收来自人体右侧的感觉信息，如触觉、视觉等，并控制人体右侧的动作；信息，如触觉、视觉等，并控制人体右侧的动作；右脑半球则接收来自人体左侧的感觉信息，并控右脑半球则接收来自人体左侧的感觉信息，并控制人体左侧的动作。人脑两半球之间由大约两亿制人体左侧的动作。人脑两半球之间由大约两亿条神经纤维组成的胼胝体连接沟通。条神经纤维组成的胼胝体连接沟通
17、。20世纪世纪40年代起，科学家对药物治疗无效的癫痫病人，采年代起，科学家对药物治疗无效的癫痫病人，采用切断胼胝体的办法。这么一来，癫痫病发作虽用切断胼胝体的办法。这么一来，癫痫病发作虽然停止了，但大脑两半球却被分割开来，然停止了，但大脑两半球却被分割开来，“老死老死不相往来不相往来”，不仅信息不通，连行动也互不配合，不仅信息不通，连行动也互不配合，这就是裂脑人。这就是裂脑人。研究过程及贡献 正常人的大脑两半球经胼胝体连接，正常人的大脑两半球经胼胝体连接，形成统一的整体。当胼胝体切断后，大脑形成统一的整体。当胼胝体切断后，大脑 两半球成为独立的半球，身体的两侧就置两半球成为独立的半球，身体的两
18、侧就置 于各自独立的控制下，即大脑左半球控制于各自独立的控制下，即大脑左半球控制 右眼和右半身，右半球控制左眼和左半身。假如右眼和右半身，右半球控制左眼和左半身。假如严格控制裂脑人的感受野，使左眼看到的图像或严格控制裂脑人的感受野，使左眼看到的图像或文字，左手触摸物体的感受只进入右半球，右眼文字，左手触摸物体的感受只进入右半球，右眼看到的图像或文字，右手触摸物体的感受只进入看到的图像或文字，右手触摸物体的感受只进入左半球，这样就排除了两大脑整合时相互掩盖各左半球，这样就排除了两大脑整合时相互掩盖各自功能的干扰，确保了每个半球独立地处理信息。自功能的干扰，确保了每个半球独立地处理信息。斯佩里的裂
19、脑实验设备斯佩里精心设计了裂脑实验设备:在裂脑人而前置放一块半透明的能映出文字和图像的屏幕.要求裂脑人凝视屏幕的中心点.这样中心点左侧的视觉刺激只投射到右半球.而在该点右侧的刺激只投射到左半球。为了避免眼动的不准确结果.屏幕上的半侧视野刺激只闪现1/10秒或更短的时间.这种显示方法可将刺激信号(文字和图像)投射到一半视野。裂脑人的手可以伸到屏幕下,但他看不到自己的手。他的正前方备有幻灯放映机.由实验者操纵手的动作.再由电视摄像机拍录下来进行分析。1.右半球的语言能力实验初期斯佩里等人受传统观念的影响也以为右半球是无语言能力的。试验开始时,当病人注视屏幕板中心点时,光点以1/10秒横过病人的视野
20、,要求他回答看见了什么。每个病人都报告光点在右半视野闪现(左半球感知),而当光点在左半视野闪现时病人通常以语言否认看到任何光,(右半球感知)这似乎显示病人的右半球是瞎的。然而当要求病人指出闪现的光点而不用语言报告时,斯佩里等人才发现左右半球视野的光点都以相等程度被感知,病人不能用语言报告右半球的知觉显然是由于语言中枢位于左半球,说明右半球在很大程度上是无语言能力和无书写能力的。但后来发现分离的右半球能阅读闪现在左视野的书面词汇,因为用左手按照各种要求能在供选择的一系列物品中选择或指出对应的物体或图片。比如试验显示当铅笔这个词对右半球闪现时病人能用左手在屏幕下从一组看不见的物体中拣出一支铅笔。对
21、于不直接地提及而仅仅用复杂的口述短语,例如:“一个测量仪器”,也能通过右半球正确地触摸取出。1973年斯佩里和E扎德尔(Zaidel)等人又进一步发现右半球能辨认名词和一些形容词,但不能辨认动词。Zaidel发现右半球有辨认句法,发音和语义的辨别能力。1979年E.Zaidel应用经他改革的可作长时间观看的巩膜透镜技术（一种稳定映象技术将一种半视野不透光器放置在戴有角膜接触透镜的眼睛上）,证实了右半球的所有语义能力并扩展到综合性的一系列实验。2.右半球的专门化功能在裂脑人试验以前的大脑半球一侧损害的资料中在裂脑人试验以前的大脑半球一侧损害的资料中,右半球功能专门化的一些早期的征象右半球功能专门
22、化的一些早期的征象,例如对面容例如对面容的辨认、衣着打扮、设计积术图案。画三维空间的辨认、衣着打扮、设计积术图案。画三维空间的立方体等的立方体等,曾被归因于主要是由于感觉和运动执曾被归因于主要是由于感觉和运动执行区域的不对称性而不是由于更高级的重要的认行区域的不对称性而不是由于更高级的重要的认识水平。斯佩里等人也曾把识水平。斯佩里等人也曾把19671967年以前实验中出年以前实验中出现的任何有关右脑高级认识过程都假定为是从左现的任何有关右脑高级认识过程都假定为是从左半球经胼胝体提供过来的。然而到了半球经胼胝体提供过来的。然而到了19671967年通过年通过对裂脑人的研究对裂脑人的研究,斯佩里等
23、人提出了结论斯佩里等人提出了结论:每一个每一个分离的大脑半球分离的大脑半球,都具有自己较高级的认知功能都具有自己较高级的认知功能,每个半球接受测验时都显示出了自己的知觉、想每个半球接受测验时都显示出了自己的知觉、想象、联想功能象、联想功能,每一个半球都有它自己的学习过程每一个半球都有它自己的学习过程和记忆链和记忆链,而且而且,基本上与另一半球的意识经验无基本上与另一半球的意识经验无关。关。1965年,斯佩里,Gazzaniga,Bogen发现右半球不但有独立的认识功能,而且在一些特殊机能上胜过左半球。他们在几个病人中试验了左右半球处理视觉构造任务的功能,发现右半球处理的较好,如一个惯用右手的裂
24、脑人只能用左手描摹样本,右手不能很好地完成这个任务。1972年JerreLevy和斯佩里所做的专门在右半球认知特性方面的实验研究发现,从三维空间展开到二维空间形态所作的模型内部的空间变换的智能,在右半球上发展的更好。1977年Frauco和斯佩里进一步证明拓扑学的几何辨别是由右半球在高水平上完成的,而左半球完成此几何辨别是极困难或不可能的。根据上述多年的实验和探索根据上述多年的实验和探索,结合前人及其他人的实结合前人及其他人的实验结果验结果,斯佩里等人得出了新的关于左右半球专门化斯佩里等人得出了新的关于左右半球专门化功能的认识。即左半球功能基本上是分析的、逻辑功能的认识。即左半球功能基本上是分
25、析的、逻辑的、计算的、语言的。右半球功能则是空间的、综的、计算的、语言的。右半球功能则是空间的、综合的、音乐的、直觉感觉的。人们过去认为的那个合的、音乐的、直觉感觉的。人们过去认为的那个不能读写的、智力迟钝的、甚至无意识的所谓从属不能读写的、智力迟钝的、甚至无意识的所谓从属的右半球被发现事实上在执行某些专门化功能方面的右半球被发现事实上在执行某些专门化功能方面优于左半球。优于左半球。大脑左右半球的功能大脑左右半球的功能右脑右脑 左脑左脑音乐脑音乐脑 语言脑语言脑直观的直观的 理性的理性的形象的形象的 文字的文字的综合的综合的 分析的分析的 绘画的绘画的 记号的记号的 经验的经验的 类型认识类型
26、认识3.右半球的自我意识和社会意识说明右半球与左半球一样有嵌合图形的知觉意识说明右半球与左半球一样有嵌合图形的知觉意识试验在试验在19701970年年4 4月月88月由斯佩里、月由斯佩里、LevyLevy和和TrevarthenTrevarthen在四个裂脑人身上进行。这次试验设在四个裂脑人身上进行。这次试验设计是基于这样的观察计是基于这样的观察:连合部切开的病人连合部切开的病人,倾向于倾向于将通过中线的材料组成一个整体。比如将通过中线的材料组成一个整体。比如:当只呈现当只呈现刺激物的一半刺激物的一半,使这一半刺激物的边与垂直中线一使这一半刺激物的边与垂直中线一致时致时,连合部切开的病人通常反
27、应为他知觉的是一连合部切开的病人通常反应为他知觉的是一个完整的刺激物。斯佩里和个完整的刺激物。斯佩里和LevyLevy等人由此发展了等人由此发展了一种测验每一半球知觉能力的最精细的技术一种测验每一半球知觉能力的最精细的技术嵌合刺激法。幻象刺激是由在垂直中线上一个嵌合刺激法。幻象刺激是由在垂直中线上一个刺激的右半和另一个刺激的左半结合的组成物。刺激的右半和另一个刺激的左半结合的组成物。比如比如:一张面孔的右半和另一张面孔的左半。他们一张面孔的右半和另一张面孔的左半。他们将一个女郎和一个小男孩的照片都以鼻子为中线将一个女郎和一个小男孩的照片都以鼻子为中线剪下剪下,各取一半各取一半,拼成嵌合相拼成嵌
28、合相,并正好使女郎照片的并正好使女郎照片的左边置于裂脑病人的左侧视野左边置于裂脑病人的左侧视野,男孩照片的右边置男孩照片的右边置于脑裂病人的右侧视野。这样于脑裂病人的右侧视野。这样,裂脑病人的两侧半裂脑病人的两侧半球都不能既看到女郎的面容又看到男孩的面容。球都不能既看到女郎的面容又看到男孩的面容。然后用速示器闪现出两个半侧的面容然后用速示器闪现出两个半侧的面容,闪现的速度闪现的速度使眼球的扫描性运动不能同时在一侧半球获得两使眼球的扫描性运动不能同时在一侧半球获得两个半侧面容。当他们要裂脑人说出看见了什么个半侧面容。当他们要裂脑人说出看见了什么,裂裂脑人会说看见了男孩的照片。当要他用手指出看脑人
29、会说看见了男孩的照片。当要他用手指出看见了什么时见了什么时,裂脑人会指女郎的照片。这个实验证裂脑人会指女郎的照片。这个实验证明了胼胝体切开后的两个半球可以同时并独立地明了胼胝体切开后的两个半球可以同时并独立地处理相互冲突的信息。处理相互冲突的信息。19811981年年1212月月1818日斯佩里在诺贝尔讲演中说日斯佩里在诺贝尔讲演中说:这一这一重要发现重要发现,对于开发右脑有重要意义对于开发右脑有重要意义,使人们能更使人们能更好的评价非语言形式的智力好的评价非语言形式的智力,增加对人类智慧结构增加对人类智慧结构先天个性的理解先天个性的理解,有助于改革教育有助于改革教育,有助于判定不有助于判定不
30、同程度专门化了的智力形式同程度专门化了的智力形式,使潜在的智力得到发使潜在的智力得到发挥。斯佩里本人是充分发挥左右两半球功能的典挥。斯佩里本人是充分发挥左右两半球功能的典范。他的左半球使他取得了辉煌的成就。他的右范。他的左半球使他取得了辉煌的成就。他的右半球使他成为一名雕刻家和民间舞蹈、人物绘画半球使他成为一名雕刻家和民间舞蹈、人物绘画等文艺活动的积极参加者。等文艺活动的积极参加者。8080年代后斯佩里实验年代后斯佩里实验室工作主要是室工作主要是,根据情感可以在脑干的水平越到对根据情感可以在脑干的水平越到对侧大脑半球这一试验结果确定哪些情绪的差度侧大脑半球这一试验结果确定哪些情绪的差度,涵涵意
31、的或语义的内容能够越过脑干意的或语义的内容能够越过脑干,以及它们如何影以及它们如何影响另一侧的认识过程。因此响另一侧的认识过程。因此,以裂脑人研究大脑功以裂脑人研究大脑功能的工作仍在继续能的工作仍在继续,我们期待着能得出更完善的结我们期待着能得出更完善的结论。论。启发要做出杰出成果所必需的条件1.勇于挑战传统思想2.精力充沛，兴趣广泛3.博学多识4.恒心，毅力5.对工作的热爱，对成功的渴望21世纪新世纪脑科学发展前瞻自斯佩里研究裂脑人并获得1981年诺贝尔奖以来的近20年中，人类通过大脑索解大脑自身奥秘的攻坚战正日益紧锣密鼓地行进着。在分析这场全球性行动、多兵团参战、全方位推进的脑科学攻坚战所
32、取得的一系列成果基础上，科学家和未来学家们预测并展示了一帧21世纪脑科学发展恢宏奇瑰之长卷宏图。20062006年前后，由人的大脑直接控制计算机光标的目标得年前后，由人的大脑直接控制计算机光标的目标得以实现。以实现。20092009年全面确定痴呆病的发病机理。年全面确定痴呆病的发病机理。20102010年人造神经开始使用年人造神经开始使用,可用人造神经元医治截瘫可用人造神经元医治截瘫20132013年可了解老年人大脑死亡的机理并能遏制其死亡过年可了解老年人大脑死亡的机理并能遏制其死亡过程程,人工视网膜可使盲人恢复有限视力人工视网膜可使盲人恢复有限视力20162016年脑的各部分相互作用与协调研
33、究取得突破性进展年脑的各部分相互作用与协调研究取得突破性进展20172017年人造神经元植入大脑以修复损伤脑组织年人造神经元植入大脑以修复损伤脑组织,出现由数出现由数以千万计人工神经元构成的第一人造大脑以千万计人工神经元构成的第一人造大脑(高级人工智能高级人工智能机器人机器人)有视觉、听觉、触觉、可以自动对环境做出判断有视觉、听觉、触觉、可以自动对环境做出判断和决定走出实验室和决定走出实验室20302030年出现单纯劳动的智能动物年出现单纯劳动的智能动物20502050年发明能准确读出人们思维的电脑、制造出具有人年发明能准确读出人们思维的电脑、制造出具有人类的意识的机器人类的意识的机器人20602060年机器人将拥有与人类相媲美的智能年机器人将拥有与人类相媲美的智能20702070至至 21002100年为了应付周围日益复杂的环境和人工智年为了应付周围日益复杂的环境和人工智能世界对人类的挑战，人类将强化自身基因重组、设计工能世界对人类的挑战，人类将强化自身基因重组、设计工作，以革新人类自身的进化进程，并为部分地球村公民移作，以革新人类自身的进化进程，并为部分地球村公民移居其他星球做好居其他星球做好“物质和能力物质和能力”准备。准备。完完 谢谢观赏