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诺贝尔生理医学奖得主埃克尔斯爵士(澳洲生理学家,1963年得奖)于1973年写了一本名为《了解脑》的书,其序言一开始就说以“脑去完全了解脑”不单是未来式,同时也是个刁诡的说法:脑究竟能了解脑吗?四分之一世纪后的今天,英国的格林菲尔德教授再度尝试了同样的工作。有趣的是,两本书的缘起都是由系列的演讲稿衍生而来,只不过埃克尔斯爵士的演讲对象是美国印第安纳大学的师生,内容着重实验的细节,非一般人所易懂;而格林菲尔德教授则是以通俗科学讲座的方式,对一班外行的大众解释目前研究者对脑的最新了解,虽不能说是老妪能解,但受过一般教育的当都能看懂。 人自从有意识开始,就不免对自己的“心灵活动”感到好奇。人除了拥有动物所共有的生存本能及需要外,还多了所谓的“心智与意识”,不单发展出语言及文字作为表情达义的工具,还进一步产生抽象的思考,能“究天人之际、通古今之变”。虽然如此,人对于自我身体的认识,常不如对外界事物的了解为深,其中尤以我们的思想情感之所在为最。
古人多以“心”为人体器官的主宰、思维的根源,于文字上遗留下来的痕迹也最多,譬如《孟子告子上》云:“心之官则思。”《素问灵兰秘典论》中说:“心者,生之本,神之变也。”现代人谈到思想与情感,也处处离不开“心思”、“用心”、“心情”、“心事”等表达方式。至于“脑”,古时认为是“髓之海”,或说头为“六阳会首”,虽然重要。但并不认为是思想情感之所在。这一点倒跟西方早期的想法并无二致。直到清代王清任的《医林改错》一书,才说:“心乃出入气之道路,何能生灵机、贮记性!灵机记性在脑者……”但该书接着又说:“精汁之清者,化而为髓,由脊骨上行人脑,名日脑髓。”又是想象多于实证、似是而非的说法。
时至21世纪,一般人对于脑在心智活动上所扮演的角色,大抵都认识;但真要非生物医学专业的人士说明脑部的构造联结、神经元的电性与传导、脑中化学传导物质的种类与作用、感觉意识的产生、身体运动的控制,甚至学习、记忆、情绪、动机等所谓的高级脑部功能究竟为何,大概是千百人中不得其一。这一点其实不足为奇,日常生活中我们“不知亦能行”或“知其然,但不知其所以然”的事情太多了。像许多人会用电脑、会开车,但不一定清楚电脑或汽车的内部构造及运作方式。多数人虽然对于神经系统的基本层面了解不足,但也不妨碍他们过正常的生活,甚至可能对于自身脑部的运作还有一套自己的看法(虽然多是不合学理的)。 人类对于自身的了解一向是解剖先于生理,也就是说对于构造的认识早于其功能,其中尤以神经系统为最。譬如说流动的脑脊髓液及松果腺都曾被认为是灵魂之所在,而脑下腺则被认为是收集脑部排泄物形成鼻涕的构造。造成这种现象的缘由也不难了解,到底观察死人或动物的尸体并做记录,要比探讨一些脑部构造在活体上的作用来得容易些。对神经系统大体解剖的记录已有几世纪的历史,但真正进入显微神经解剖,在光学显微镜下观察到神经元的各种形态与联结,要到19世纪末、20世纪初的高尔基及卡厚尔(两人于1906年同获诺贝尔生理医学奖)两位才开始。之后的神经解剖学发展出各种追踪神经通路走向的方法,大致解开了神经网络联结的谜团,可是其中的复杂程度还是远超过我们的想象。
从18世纪的伽伐尼发现电可以刺激神经造成青蛙腿部的肌肉收缩开始,电生理的方法一直是神经生理学者使用的主要研究方法。一个重要的观念是,所有的活细胞都具有膜电位(也就是细胞膜两侧具有不对称的离子分布),并且细胞可因膜电位的改变而产生信息。神经、肌肉及一些腺体细胞更能产生主动的、大幅度的动作,做长距离的传送。经由刺激及记录神经元电性的变化,神经生理学者对于各种脑功能的了解都有相当的贡献,其中尤以感觉及运动系统最为显著。
信息在神经细胞上虽然是电性的传导,但在神经与神经之间却有空隙(称为突触),电讯号无法直接传递(有少数例外),必须靠某些化学传递物质的释放才能达成任务。如此一来,神经系统的复杂性又更前进了一步。一方面,一个神经元末梢可以形成成百上千的突触联结,与其他的神经或肌肉、腺体相接;再来,一个神经细胞的本体上更可能有成千上万的突触,接受来自各方的信息输入。每个突触不一定是同时活化,所造成的反应也是兴奋与抑制都有。因此每一个神经元都是整合中心,将来自各方的信息整理后再决定是否产生动作电位往下传送。
神经与神经之间经由化学物质传递的这个发现,使得神经化学及神经药理学的研究在20世纪中叶以后大放光彩。无论是愈来愈多神经传递(或是调节)物质的发现,还是它们在脑中的分布、作用机理及在生理、病理情况下所扮演的角色等,都是目前神经科学研究的显学。脑中具有神经活性的物质不下百种,从最早的乙酰胆碱到不断有新“种”发现的神经胜呔,从复杂的蛋白质大分子到简单如一氧化氮的气体分子,令人目不暇接。
神经的化学传递还有更复杂的一面,就是受体的多样性。受体是位于细胞膜上的特殊蛋白质,是神经传递物质的作用点,保证其作用的专一性。受体于体内的分布也决定了神经传递物质的作用位置,也就是目标所在。早先,人们以药理的方法得知乙酰胆碱的受体有尼古丁型及蕈毒型两种,而肾上腺素的则有α及β之分。之后以药理或是分子生物学的方法更分出许多的亚型受体,单单蕈毒型受体就有五种亚型。再以血清张力素为例,10年前还只有两类受体,如今已有超过13种的亚型。不同的受体亚型对同一传递物质有不同的亲和力及反应,在脑中也有不同的分布。
近代由于电脑的发展,常有人将人脑比为“庞大的数据库”,但只要是多了解一些脑部构造及功能的人,就会知道那是太一厢情愿的说法。面对这么一个复杂的脑部,以及对其与时俱增的了解,一般人又能从中得到什么助益呢?这可以从几个层面来谈。首先是神经联结的可塑性。我们都知道学习与经验对于一个人心智的成长与能力的增进是有帮助的,这一点对成长中的幼儿以及青少年尤其重要。将实验动物饲养在变化、刺激愈丰富的环境中,其脑部神经联结的数目要比养在贫乏环境中的动物来得多。这个发现为先前的假说提供了实际的证据。更值得强调的是,产生这种改变的能力终其一生都存在,正应了一句谚语:“活到老,学到老。”我们不但要给下一代提供更好、更多的学习环境与机会,成年人甚至老年人自身也应该不要间断对新知识的学习和与新事物的接触,以维持脑的活力。
其次,经由脑部化学传递的了解,我们对各种让人上瘾、甚至滥用的药物的作用已相当清楚。 绝大多数造成滥用的药物会经由兴奋脑中的一条报偿系统,以至于服用者一而再、再而三地想要重复服用,造成心理性的成瘾;同时由于对药物大量及重复的服用,引起一些分子层面的改变(例如受体的负调节),造成使用剂量逐渐增加以及停药后的不适,是为生理性成瘾。
至于脑中的这条报偿路径当然不是为了药物而存在,而是与“饮食男女”有密切相关。人从饮食及男女之事上可以获得相当大的满足与快感,这是为了个体存活及种族延续所必需;不幸的是,许多药物经由此路径,引起同等甚至更强的快感,造成服用者的废寝忘食,难以自拔。这条脑中的报偿路径,主要包括由中脑的多巴胺神经元投射至前脑边缘系统的通路。已有许多的实验证据显示,像安非他命、古柯碱、吗啡,甚至尼古丁、酒精等成瘾药物都是经由增强此通路中多巴胺的作用而来。如果这些药物只造成快感还也罢了,但长期服用下来不是产生神经毒性(安非他命、酒精、古柯碱),就是有其他的副作用(尼古丁、吗啡),因此为害更大。一般人都以为像吗啡、海洛因、安非他命、大麻一类的违禁品才是有害的毒品,事实上为害最烈的滥用药物是合法贩卖的尼古丁(烟草制品)及酒精(各种酒类),这一点只要看看每年因肺癌、肝病及醉酒车祸的死亡人数统计便可知道。如果多一些人知道这些成瘾性药物的作用是针对人类原始欲望的需求,不是轻易可由意志来控制的事实,尝试的人该少上许多。
经由神经科学的进展,目前对许多神经及精神性的疾病,像是帕金森症、阿兹海默症、癫痫、精神分裂症、抑郁及沮丧等,我们都有相当的了解。虽然目前对这些疾病的治疗多还是以只算治标的药物为主,但随着我们对基本的脑生理有更多的认识,终有可能确定其发病的根源(譬如一段突变的基因引起亨丁顿氏舞蹈症),进而找到治本之道。举个例子,沮丧忧郁症是相当常见的精神失常,发病率可高达人口的10%(女多于男),严重者会有自杀的倾向。抗忧郁症的药物早期以抑制单胺类分解的药物为主,近年则有“百忧解”等一类血清张力素回收抑制剂的药物。最近的研究更指向脑中一种控制脑下腺-肾上腺激素分泌的胜呔有所失常,因此药厂积极开发该胜呔的拮抗剂,希望发明出副作用更小的抗忧郁药。另外由动物实验发现,新生的幼鼠或猴如果与母兽分离及缺乏照顾,成年后就会有下视丘-脑下腺-肾上腺轴的活性失调及类似沮丧的症状发生。类似这样的新发现,不但在治疗上可有新的方向,更可能在预防工作上加强。
早先针对所谓的高级脑部功能的研究多属心理与行为科学方面的探讨,虽然其中有不少创见与洞悉,但总是描述多于解释、臆测多于实证,让人不尽满意。自20世纪30年代脑部立体定位仪发明以来,不少学者利用实验动物对局部脑区进行破坏、刺激、记录甚至取样等实验方法,再配合各种生理指标以及行为的检测,使我们对于大脑的黑箱作业有了相当程度的了解。近年更有各种非侵入式的脑部影像记录与分析的方法,不但能针对有病的脑找出病灶,研究者更能利用这些方法来找出参与各项高级脑功能的脑区来。到目前为止,我们可以说生物体所有的活动都受到包括脑在内的神经系统的调控,其中不单是感觉、运动、思想与情绪,甚至心跳、血压、呼吸、消化、代谢、体液、生殖及免疫等种种生理现象也都在内。神经内分泌与神经免疫是两门由此而生的学问,中国人强调“身心一体”的健康确有其科学的根据。
对于脑的研究,终究离不开对意识与心灵的探讨。神经科学研究秉持的大原则是,心灵与意识的活动不能脱离脑而存在,所有正常与异常的心智活动必定有它的生物基础,这是与哲学、宗教与玄学不同的地方。虽然现阶段对于意识的生物基础了解仍属有限,但从对感觉、运动到学习、记忆及认知等各方面的诸多研究显示,脑部所执行的各项功能并非仅局限于某些脑部区域的参与,而是由许多的脑区做临时组合,共同完成。同时脑部功能愈发达的动物,不但具有表面积更大的皮质(形成皱褶状),同时多出来许多功能不甚明确的所谓“联络皮质”。这些联络皮质与脑中各处都有联系,很可能就包含了掌握各种脑部组合的枢纽。这种将不同的脑区做暂时性任务编组的观点,可以解释我们的意识经验(记忆、思考、情绪等)是无穷的,是不断随着时间、情境做转换、新生的。
整个人类文明的历史,撇开时时开倒车的政治、宗教纷争,无非是对我们所处外在与内在环境的认识与改善,进而有所创造与建设。现代人常在两个极端之间摆荡:一端是自诩科技文明的进步,以为万物皆可为吾所用,而昧于自身之限制,造成狂妄;另一端则是太过强调人的渺小,将一切未知推给造物的奇妙,甚至是人造的玄学。个人以为对于这两种极端的针砭之道,不外乎“学与思”而已:无知产生恐慌,而正确的知识才是安定的力量。
借用电视剧《星际迷航记》的开场白,如果太空是人类对外探索的最后一块未知领域,那么人脑便是我们向内探索的最后一块未知领域。回到本文开头埃克尔斯爵士所提的问题:以我们的脑去完全了解脑是可能的吗?这一点与庄子所说的“吾生也有涯,而知也无涯”有异曲同工之意。穷一人之脑、终个人之一生想要完全了解脑的运作只怕是不容易(有人会说不可能)的事。但人类观念的突破与实质的进步,已将多少不可能化为可能。
最后引用一位过世不久的神经药理学者富勒(抗忧郁药“百忧解”的发明者之一)最喜欢的一段话:
我不认为人生的目的只是为了追求快乐,我想生命的意义应该是有所用、有所担当及有热情。更重要的是要当一回事,坚持某些理想,并做出贡献,才不枉此生。
我们对知识、对真理的追求(包括我们的脑),亦可做如是观。
古人多以“心”为人体器官的主宰、思维的根源,于文字上遗留下来的痕迹也最多,譬如《孟子告子上》云:“心之官则思。”《素问灵兰秘典论》中说:“心者,生之本,神之变也。”现代人谈到思想与情感,也处处离不开“心思”、“用心”、“心情”、“心事”等表达方式。至于“脑”,古时认为是“髓之海”,或说头为“六阳会首”,虽然重要。但并不认为是思想情感之所在。这一点倒跟西方早期的想法并无二致。直到清代王清任的《医林改错》一书,才说:“心乃出入气之道路,何能生灵机、贮记性!灵机记性在脑者……”但该书接着又说:“精汁之清者,化而为髓,由脊骨上行人脑,名日脑髓。”又是想象多于实证、似是而非的说法。
时至21世纪,一般人对于脑在心智活动上所扮演的角色,大抵都认识;但真要非生物医学专业的人士说明脑部的构造联结、神经元的电性与传导、脑中化学传导物质的种类与作用、感觉意识的产生、身体运动的控制,甚至学习、记忆、情绪、动机等所谓的高级脑部功能究竟为何,大概是千百人中不得其一。这一点其实不足为奇,日常生活中我们“不知亦能行”或“知其然,但不知其所以然”的事情太多了。像许多人会用电脑、会开车,但不一定清楚电脑或汽车的内部构造及运作方式。多数人虽然对于神经系统的基本层面了解不足,但也不妨碍他们过正常的生活,甚至可能对于自身脑部的运作还有一套自己的看法(虽然多是不合学理的)。 人类对于自身的了解一向是解剖先于生理,也就是说对于构造的认识早于其功能,其中尤以神经系统为最。譬如说流动的脑脊髓液及松果腺都曾被认为是灵魂之所在,而脑下腺则被认为是收集脑部排泄物形成鼻涕的构造。造成这种现象的缘由也不难了解,到底观察死人或动物的尸体并做记录,要比探讨一些脑部构造在活体上的作用来得容易些。对神经系统大体解剖的记录已有几世纪的历史,但真正进入显微神经解剖,在光学显微镜下观察到神经元的各种形态与联结,要到19世纪末、20世纪初的高尔基及卡厚尔(两人于1906年同获诺贝尔生理医学奖)两位才开始。之后的神经解剖学发展出各种追踪神经通路走向的方法,大致解开了神经网络联结的谜团,可是其中的复杂程度还是远超过我们的想象。
从18世纪的伽伐尼发现电可以刺激神经造成青蛙腿部的肌肉收缩开始,电生理的方法一直是神经生理学者使用的主要研究方法。一个重要的观念是,所有的活细胞都具有膜电位(也就是细胞膜两侧具有不对称的离子分布),并且细胞可因膜电位的改变而产生信息。神经、肌肉及一些腺体细胞更能产生主动的、大幅度的动作,做长距离的传送。经由刺激及记录神经元电性的变化,神经生理学者对于各种脑功能的了解都有相当的贡献,其中尤以感觉及运动系统最为显著。
信息在神经细胞上虽然是电性的传导,但在神经与神经之间却有空隙(称为突触),电讯号无法直接传递(有少数例外),必须靠某些化学传递物质的释放才能达成任务。如此一来,神经系统的复杂性又更前进了一步。一方面,一个神经元末梢可以形成成百上千的突触联结,与其他的神经或肌肉、腺体相接;再来,一个神经细胞的本体上更可能有成千上万的突触,接受来自各方的信息输入。每个突触不一定是同时活化,所造成的反应也是兴奋与抑制都有。因此每一个神经元都是整合中心,将来自各方的信息整理后再决定是否产生动作电位往下传送。
神经与神经之间经由化学物质传递的这个发现,使得神经化学及神经药理学的研究在20世纪中叶以后大放光彩。无论是愈来愈多神经传递(或是调节)物质的发现,还是它们在脑中的分布、作用机理及在生理、病理情况下所扮演的角色等,都是目前神经科学研究的显学。脑中具有神经活性的物质不下百种,从最早的乙酰胆碱到不断有新“种”发现的神经胜呔,从复杂的蛋白质大分子到简单如一氧化氮的气体分子,令人目不暇接。
神经的化学传递还有更复杂的一面,就是受体的多样性。受体是位于细胞膜上的特殊蛋白质,是神经传递物质的作用点,保证其作用的专一性。受体于体内的分布也决定了神经传递物质的作用位置,也就是目标所在。早先,人们以药理的方法得知乙酰胆碱的受体有尼古丁型及蕈毒型两种,而肾上腺素的则有α及β之分。之后以药理或是分子生物学的方法更分出许多的亚型受体,单单蕈毒型受体就有五种亚型。再以血清张力素为例,10年前还只有两类受体,如今已有超过13种的亚型。不同的受体亚型对同一传递物质有不同的亲和力及反应,在脑中也有不同的分布。
近代由于电脑的发展,常有人将人脑比为“庞大的数据库”,但只要是多了解一些脑部构造及功能的人,就会知道那是太一厢情愿的说法。面对这么一个复杂的脑部,以及对其与时俱增的了解,一般人又能从中得到什么助益呢?这可以从几个层面来谈。首先是神经联结的可塑性。我们都知道学习与经验对于一个人心智的成长与能力的增进是有帮助的,这一点对成长中的幼儿以及青少年尤其重要。将实验动物饲养在变化、刺激愈丰富的环境中,其脑部神经联结的数目要比养在贫乏环境中的动物来得多。这个发现为先前的假说提供了实际的证据。更值得强调的是,产生这种改变的能力终其一生都存在,正应了一句谚语:“活到老,学到老。”我们不但要给下一代提供更好、更多的学习环境与机会,成年人甚至老年人自身也应该不要间断对新知识的学习和与新事物的接触,以维持脑的活力。
其次,经由脑部化学传递的了解,我们对各种让人上瘾、甚至滥用的药物的作用已相当清楚。 绝大多数造成滥用的药物会经由兴奋脑中的一条报偿系统,以至于服用者一而再、再而三地想要重复服用,造成心理性的成瘾;同时由于对药物大量及重复的服用,引起一些分子层面的改变(例如受体的负调节),造成使用剂量逐渐增加以及停药后的不适,是为生理性成瘾。
至于脑中的这条报偿路径当然不是为了药物而存在,而是与“饮食男女”有密切相关。人从饮食及男女之事上可以获得相当大的满足与快感,这是为了个体存活及种族延续所必需;不幸的是,许多药物经由此路径,引起同等甚至更强的快感,造成服用者的废寝忘食,难以自拔。这条脑中的报偿路径,主要包括由中脑的多巴胺神经元投射至前脑边缘系统的通路。已有许多的实验证据显示,像安非他命、古柯碱、吗啡,甚至尼古丁、酒精等成瘾药物都是经由增强此通路中多巴胺的作用而来。如果这些药物只造成快感还也罢了,但长期服用下来不是产生神经毒性(安非他命、酒精、古柯碱),就是有其他的副作用(尼古丁、吗啡),因此为害更大。一般人都以为像吗啡、海洛因、安非他命、大麻一类的违禁品才是有害的毒品,事实上为害最烈的滥用药物是合法贩卖的尼古丁(烟草制品)及酒精(各种酒类),这一点只要看看每年因肺癌、肝病及醉酒车祸的死亡人数统计便可知道。如果多一些人知道这些成瘾性药物的作用是针对人类原始欲望的需求,不是轻易可由意志来控制的事实,尝试的人该少上许多。
经由神经科学的进展,目前对许多神经及精神性的疾病,像是帕金森症、阿兹海默症、癫痫、精神分裂症、抑郁及沮丧等,我们都有相当的了解。虽然目前对这些疾病的治疗多还是以只算治标的药物为主,但随着我们对基本的脑生理有更多的认识,终有可能确定其发病的根源(譬如一段突变的基因引起亨丁顿氏舞蹈症),进而找到治本之道。举个例子,沮丧忧郁症是相当常见的精神失常,发病率可高达人口的10%(女多于男),严重者会有自杀的倾向。抗忧郁症的药物早期以抑制单胺类分解的药物为主,近年则有“百忧解”等一类血清张力素回收抑制剂的药物。最近的研究更指向脑中一种控制脑下腺-肾上腺激素分泌的胜呔有所失常,因此药厂积极开发该胜呔的拮抗剂,希望发明出副作用更小的抗忧郁药。另外由动物实验发现,新生的幼鼠或猴如果与母兽分离及缺乏照顾,成年后就会有下视丘-脑下腺-肾上腺轴的活性失调及类似沮丧的症状发生。类似这样的新发现,不但在治疗上可有新的方向,更可能在预防工作上加强。
早先针对所谓的高级脑部功能的研究多属心理与行为科学方面的探讨,虽然其中有不少创见与洞悉,但总是描述多于解释、臆测多于实证,让人不尽满意。自20世纪30年代脑部立体定位仪发明以来,不少学者利用实验动物对局部脑区进行破坏、刺激、记录甚至取样等实验方法,再配合各种生理指标以及行为的检测,使我们对于大脑的黑箱作业有了相当程度的了解。近年更有各种非侵入式的脑部影像记录与分析的方法,不但能针对有病的脑找出病灶,研究者更能利用这些方法来找出参与各项高级脑功能的脑区来。到目前为止,我们可以说生物体所有的活动都受到包括脑在内的神经系统的调控,其中不单是感觉、运动、思想与情绪,甚至心跳、血压、呼吸、消化、代谢、体液、生殖及免疫等种种生理现象也都在内。神经内分泌与神经免疫是两门由此而生的学问,中国人强调“身心一体”的健康确有其科学的根据。
对于脑的研究,终究离不开对意识与心灵的探讨。神经科学研究秉持的大原则是,心灵与意识的活动不能脱离脑而存在,所有正常与异常的心智活动必定有它的生物基础,这是与哲学、宗教与玄学不同的地方。虽然现阶段对于意识的生物基础了解仍属有限,但从对感觉、运动到学习、记忆及认知等各方面的诸多研究显示,脑部所执行的各项功能并非仅局限于某些脑部区域的参与,而是由许多的脑区做临时组合,共同完成。同时脑部功能愈发达的动物,不但具有表面积更大的皮质(形成皱褶状),同时多出来许多功能不甚明确的所谓“联络皮质”。这些联络皮质与脑中各处都有联系,很可能就包含了掌握各种脑部组合的枢纽。这种将不同的脑区做暂时性任务编组的观点,可以解释我们的意识经验(记忆、思考、情绪等)是无穷的,是不断随着时间、情境做转换、新生的。
整个人类文明的历史,撇开时时开倒车的政治、宗教纷争,无非是对我们所处外在与内在环境的认识与改善,进而有所创造与建设。现代人常在两个极端之间摆荡:一端是自诩科技文明的进步,以为万物皆可为吾所用,而昧于自身之限制,造成狂妄;另一端则是太过强调人的渺小,将一切未知推给造物的奇妙,甚至是人造的玄学。个人以为对于这两种极端的针砭之道,不外乎“学与思”而已:无知产生恐慌,而正确的知识才是安定的力量。
借用电视剧《星际迷航记》的开场白,如果太空是人类对外探索的最后一块未知领域,那么人脑便是我们向内探索的最后一块未知领域。回到本文开头埃克尔斯爵士所提的问题:以我们的脑去完全了解脑是可能的吗?这一点与庄子所说的“吾生也有涯,而知也无涯”有异曲同工之意。穷一人之脑、终个人之一生想要完全了解脑的运作只怕是不容易(有人会说不可能)的事。但人类观念的突破与实质的进步,已将多少不可能化为可能。
最后引用一位过世不久的神经药理学者富勒(抗忧郁药“百忧解”的发明者之一)最喜欢的一段话:
我不认为人生的目的只是为了追求快乐,我想生命的意义应该是有所用、有所担当及有热情。更重要的是要当一回事,坚持某些理想,并做出贡献,才不枉此生。
我们对知识、对真理的追求(包括我们的脑),亦可做如是观。