脑科学史话丨巴甫洛夫的心智探寻之路
撰文丨Wendy （耶鲁大学 生物医学工程博士生）
责编丨qingning
排版丨茄子
当你看到巴甫洛夫时，是否马上联想到训练有素的狗，叮叮的铃声，甚至唾液已经在自己的嘴里开始分泌了呢？诚然，条件反射是巴甫洛夫最广为人知的一项研究。这项巧妙的实验从复杂而神秘的学习和联想机制中剥离出一个单元，为我们窥探动物心智凿开了一扇小小的窗。然而，巴甫洛夫的探索道路、科学成就和学术理想远不止于此。
“巴甫洛夫是点亮世界的星星，照耀着迄今未经开辟的道路。”
——赫伯特·乔治·威尔斯
从神父之子到真理的信徒
“对于我而言真理就像是上帝，面对它时我无所保留地坦白一切，面对它时我抛却了尘世间的庸碌虚荣。我的美德和骄傲永远来自于对真理的追寻和渴望，即使我并不能真正地获得它。”
——伊万·巴甫洛夫
1849年，伊万·彼得罗维奇·巴甫洛夫出生在俄国中部的一个偏远小城梁赞。他的祖辈世代担任神职人员，他的父亲是一名神父。
相较于安静的读书，童年的巴甫洛夫喜欢采集浆果以及帮忙打理花园，并打算未来成为一名园丁。然而在八、九岁的时候，他不幸从围墙上跌落并因此多处骨折，导致了胸膜炎和其他并发症，缠绵病榻数月。这时，他的教父，一位修道院院长，说服巴甫洛夫的家人将巴甫洛夫交给他照看。在这段时间里，巴甫洛夫逐渐恢复健康。他白天进行各项锻炼，比如在花园中劳动，练体操，游泳，滑冰，以及参加一种叫做Gorodki的俄罗斯传统运动。而晚上，百无聊赖的巴甫洛夫开始翻阅起了房间里的书本。他逐渐体会到了阅读的乐趣，并在教父的要求下开始写读书笔记。此外，独具慧眼的教父还注意到巴甫洛夫有出众的动手能力并着重培养。这段经历是巴甫洛夫人生中的一个重要节点。
1860年，因为疾病耽搁两年的巴甫洛夫进入初等神学院学习。几天后，优秀的读写、背诵和解决数学问题的能力让他直接进入三年级就读。四年后，15岁的巴甫洛夫顺利毕业，在父亲骄傲的目光中升入高等神学院。
在高等神学院的五年间，巴甫洛夫始终名列前茅。神学院的课程以语言、历史及宗教相关课程为主，仅有物理与天文这一门自然科学。不少老师兼授多门课程，但对每门课程只知皮毛。学生们阅读的书籍还受到了严格的限制，不被允许阅读与宗教教义有冲突的书籍。尽管如此，巴甫洛夫和他的朋友们依然发现了公共图书馆中的“宝藏”，如饥似渴地阅读了许多探讨哲学和社会学的“禁书”。在这种情况下，阅读广泛并且擅于思考的巴甫洛夫不可避免地对神学院的课程设置和教学水平产生了诸多不满。第三年的时候，巴甫洛夫第一次，也是唯一一次上了一门正式的心理学课程。然而当时的巴甫洛夫并没有对这门叫心理学和逻辑学的课程另眼相看，他对这门课的态度和对整个神学院教育一样表面顺从，内心抗拒。
在十八世纪六十年代的思潮中，很多年轻人认识到了科学的重要性，对真理产生了强烈的渴望，其中就包括巴甫洛夫。他与思想保守的父亲发生了激烈的争执，与宗教彻底决裂。在结束了神学院第五年的学习后，他决定离开神学院。之后的一年，他居住在家人已经搬离的旧所，为圣彼得堡大学的入学考试做准备。
从医学生到生理学家
“医学应该根植于科学，基于可以被解释、验证和分析的数据和可重复的研究。”
——伊万·巴甫洛夫
1871年，22岁的巴甫洛夫来到了圣彼得堡，当时沙俄的工业和文化中心。繁华城市的工厂、商店、咖啡馆、书店让他目不暇接。他顺利考入圣彼得堡大学法学系，之后迅速转入自然科学系。前两年中，他系统地学习了化学，动植物生理学，动物解剖学，物理学，以及他最期待的人体系统解剖学。
同时，巴甫洛夫遇到了人生中最重要的导师，伊利亚斯·齐翁。尽管现在远不如他的学生享负盛名，但当时的齐翁是一名年轻有为的科学家。他分别在欧洲和俄国取得博士学位，并以拉丁语、法语、德语和俄语发表了三十余篇著作。在他的指导下，巴甫洛夫掌握了所需的手术技能，接触到了心电仪、肌动描记仪等先进的设备。虽然他们试图用实验的方法代替传统的以观察为主的研究方法，用物理化学理论解释器官的工作原理，但齐翁教导巴甫洛夫时刻记住生理学研究的局限性。他并不认为物理化学理论能够完全解释生命，而只是帮助从每一环节推演前一环节的原理，这对于巴甫洛夫的科学哲学理念产生了深远的影响。
在齐翁实验室工作期间，巴甫洛夫参与了多项与呼吸系统、消化系统及血液循环系统相关的研究。他计划毕业后继续在齐翁的实验室工作，同时修读医学博士学位。尽管巴甫洛夫无意成为一名医生，但在当时，获得医学博士学位是继续生理学研究的前提。然而，意想不到的事件打破了巴甫洛夫的计划。因为党派之争以及和学生群体的矛盾，齐翁在1875年离开了圣彼得堡大学。失去了恩师指导的巴甫洛夫进入医学院，开始了一段新的征程。
在医学院就读期间，他辗转多个实验室，进行了不少生理学研究。然而或许是在研究中花费了太多的时间和精力，1878年四月，巴甫洛夫没有通过毕业考试，但在不久后发表了他的第一篇论文。在医学院额外修读了一个学期后，他通过了考试并成为前十名成功进入医学研究院学习。
进入研究院后，巴甫洛夫结识了未来的太太谢拉菲玛，他们于1981年结婚。而与此同时，他的学业陷入了停滞，不仅没有通过解剖学考试，还错过了博士考核，论文研究也极其不顺利。1882年，他提交了博士论文，但得到委员会的消极反馈后又将其撤回。终于，在1883年，或许是受到他的第一个儿子即将诞生的鼓舞，巴甫洛夫再次提交了博士论文并取得了博士学位。之后的一年，他的学术生涯迎来了两个转机。他被聘为医学院的生理学讲师，同时，获得了前往欧洲学习两年的奖学金。
在欧洲研究所的两年让巴甫洛夫看到了优秀的生理学研究是什么样的，他积累了珍贵的实验室管理经验。积极的学术氛围让此前在博士论文折磨下陷入低谷的巴甫洛夫备受鼓舞。返回圣彼得堡后，他先后在几个学校任职，逐渐成长为一位独当一面的科学家。这个阶段的巴甫洛夫生活拮据，他和妻子孩子不得不分别借住在家人和朋友家。一次妻子忍不住对他抱怨窘迫的经济状况，此时恰逢巴甫洛夫实验中要用到的一批蝴蝶不明原因地死了，巴甫洛夫焦躁地说：“我的蝴蝶都死了，而你还用这些小事来烦我！“虽然脾气暴躁的巴甫洛夫可能不是一个温柔体贴的丈夫，但对研究的认真执着可见一斑。
1890年，巴甫洛夫被聘为军医学院的药理学教授并在实验医学研究所建立了生理学系。五年后，他被任命为生理学系主任。在巴甫洛夫的推动下，生理学的课程和授课方法都发生了重要变革，动物实验成为了课程的重要部分。他鼓励学生提出疑问，以启发式教学代替传统的授课形式。在充足的资金支持下，巴甫洛夫对消化系统的研究也有了长足的进展。
经历了学术生涯中的大起大落，巴甫洛夫终于走上坦途，如愿成为了一名优秀的生理学家。但不久后，他将踏入一个迷人的新领域。
从生理学到心理学
“本质上，生命中只有一样东西是对我们真正有意义的，那就是心理体验，但它的机制仍然被厚重的迷雾遮蔽。所有的人类资源——艺术，宗教，文学，哲学和历史——都在协力照亮这片黑暗。但人文学拥有了另一个有力的资源，那就是使用客观方法的科学。”
——伊万·巴甫洛夫
为了对“自然状态”下的动物进行长期观察，巴甫洛夫开创了一套在体实验的方法，他也称之为“慢性实验”。经过反复的尝试，他能够在保持狗较长时间正常生活的情况下，在它们身上制造痿管，即切开一个小口将液体通过管子引出，以此观察消化液的分泌并分析消化液的成分。
1888年，巴甫洛夫和同事进行了“假饲“实验。正常进食时，胃能够分泌胃液帮助消化胃内的食物。在“假饲“实验中，实验犬的食管被切断，食物不能进入胃里，但胃痿管还是收集到了分泌出的胃液。不久后，他们又发现只向饥饿的狗展示食物也能够引起其分泌胃液。但在切断支配胃的迷走神经后，这一现象便消失了，证明神经系统能对消化活动进行控制。
1894年，经过反复尝试后，巴甫洛夫通过手术将狗的一部分胃独立出来，这个独立的胃也被称为“巴甫洛夫袋”。当保留在体内的大部分胃组织受到食物刺激时，巴甫洛夫袋在没有食物进入的情况下也会跟着体内胃组织一起分泌消化液，这样一来排除了食物的干扰，研究者可以更方便的研究胃和胃液分泌的生理结构和功能。此后，他们又用类似的方法分别研究了胰脏、唾液腺、胆管等多个消化器官。
1904年，巴甫洛夫因为在消化系统机理及神经系统对消化活动的控制领域的卓越贡献，成为了第一位获得诺贝尔生理学与医学奖的生理学家，同时也是获得诺贝尔奖的第一位俄国人。
在获得诺贝尔奖之前，巴甫洛夫就开始注意到实验中一些更加有趣的现象，他称之为“精神分泌”，也就是非食物刺激引起的消化液分泌。在生理学研究上取得卓越成果的巴甫洛夫并没有固步自封，而是由这一现象入手开始了新的探索，试图揭示是什么控制着动物的行为，尝试理解人类的心智究竟是什么。
现在为大家所熟知的条件反射现象其实并非由巴甫洛夫最先发现，其实早在他之前，就有数位科学家发现并记录下了这一现象。比如法国科学家弗朗索瓦·马根迪和法国生理学家克洛德·贝尔纳分别于1836年和1856年记录了食物的气味能让人和狗分泌唾液。但因为种种原因，这些科学家对这一现象仅仅进行了观察与描述。与他们不同，凭借着使用动物进行生理学实验的多年经验和卓越的实验设计能力，巴甫洛夫想将条件反射现象体现在可靠的实验中，并对它进行系统的研究。正如他在1903年所言：“我想把生理学实验的客观结果带到我们的主观世界中，来解释是什么支配着我们，决定着我们的意识和痛苦。“
这个极具远见和野心的研究计划开始于著名的“条件反射实验”。巴甫洛夫认为进食会使狗分泌唾液（无条件刺激），因为食物和唾液分泌之间存在功能性联系，他将之称为“无条件反射”。节拍器的声音与唾液不存在直接的功能性联系，因此它本身是一个“中性刺激”。但如果反复在喂食前使节拍器发出声音，节拍器的声音和唾液分泌之间就会形成条件反射。每次听到节拍器的声音，即使没有进食，狗也会分泌唾液。巴甫洛夫还发现，如果多次听到节拍器的声音却未被喂食，这样的条件反射会逐渐减弱，直至消失。
你大概注意到了，用于形成条件反射的是节拍器，而非大家印象里的铃铛。其实在巴甫洛夫的实验中，他几乎不使用铃铛，而是多用电子蜂鸣器，风琴，节拍器，闪光灯或是电刺激。因为在他严谨的实验设计中，刺激的长度和频率都需要精确控制，而铃铛显然做不到这一点。
纽约客上曾发表过一篇有趣的逸事，讲述了巴甫洛夫在母亲的要求下以弟弟为实验对象进行条件反射实验的故事。但很可惜，这个有趣的故事很大程度上只是杜撰，因为文中提到的弟弟尼古拉在幼年就夭折了。
那么如何从简单的条件反射实验入手，实现他探寻心智的秘密这一伟大目标呢？巴甫洛夫的计划分为三个部分：首先，通过实验观察条件反射的形成，和不同种条件反射的异同来找到一些规律；然后，基于这些规律建立一个高级神经系统的模型；最后，用这个模型来解释行为、心理体验，以及实验动物，甚至是人的性格。这个计划与现代的计算神经科学及大脑模拟的思路不谋而合。在这个框架下，这三部分的研究互相启发、互相修正。
在此后长达三十四年的研究中，巴甫洛夫和同事不断地在实验中引入更多的变量，以此来观察更丰富的现象，建立更完善的模型。他们发现动物对刺激的区分可以非常精确，比如只对某个具体音调和长度的刺激产生反射。在神经层面上，巴甫洛夫认为低级神经系统主要控制非条件反射，而高级神经系统，如大脑皮层，有两项更加复杂的功能：一是在外界刺激和器官反应之间建立暂时的联系；二是综合多种感官信息。
此外，他还将达尔文的理论引入到神经活动中。就像自然选择使得动物拥有了各种各样适应它们生存的性状一样，或许那些更快速形成条件反射的个体更加容易存活，而它们的后代也会拥有相似的能力。他在实验中发现建立过条件反射的实验犬的后代更容易建立条件反射，这在某种程度上说明了学习能力是可以遗传的，印证了他此前的猜想。
在追随他学术理想的过程中，巴甫洛夫经历过发现新现象的惊喜，也经历过实验结果不一致的失望；经历过理论与实验观察契合的满足，也经历过无法解释实验现象的苦闷。在人生的前半部分，在花费七年进行消化系统生理学的研究并发表论文《关于主要消化腺的工作》后，他能够自信并优雅地解释自己的理论，体会到解决了一个问题的成就感。而在人生的后半部分，他在二十余年的研究后才发表了《关于大脑的工作》，并始终对论文中的内容抱有疑虑。每一次他发现一个新的现象，提出一个新的理论时都感到自己离终点更近了一步，但是每进一步又都会发现更多的疑问和谜团。他所追寻的真理像是近在咫尺，但又遥不可及，探索的道路仿佛永无止尽。
巴甫洛夫于1924年撰写的《关于大脑的工作》手稿，大量的涂改显示出写作过程颇为困难，飘逸的字迹则体现出巴甫洛夫不愧为曾经的医学生
直到临终前的几个月，巴甫洛夫仍然构想着进一步扩展他的研究框架，等待着实验犬繁育实验的结果以解释基因和环境的作用，计划着将条件反射的概念应用在猩猩和人上。
1936年2月27日，巴甫洛夫逝世于列宁格勒，享年86岁。
关怀与伤害
“我们必须痛苦地承认，正是因为它们出众的智慧，人类最优秀的家养动物——狗——最经常成为生理学实验的受害者。对于慢性实验而言，从手术中恢复后被用于长时间观察的狗是不可取代的。它们几乎像是实验的参与者，它们的理解和顺从很大程度上使研究获得成功。”
——伊万·巴甫洛夫
在巴甫洛夫的实验中用到最多的实验动物就是狗。实验犬是他和他的同事们最亲密的伙伴，但也可以说受到了来自他们的巨大伤害。以现代的眼光来看，巴甫洛夫的一些实验方法，尤其是造痿手术，显得颇为残忍，他也因此受到了不少谴责。
为了实现在“正常状态”下进行观察的目标，巴甫洛夫通常在对实验犬进行切口或造痿手术后，让它们恢复一段时间，之后进行数月甚至数年的长期观察和实验。在实验初期，由于卫生条件和手术水平有限，不少实验犬在手术后无法恢复，迅速死亡。尽管在研究后期，随着饲养条件的改善，实验犬在手术后还能够存活较长时间，可以进食和活动，但手术本身和手术后非自然的状态还是给它们带来了巨大的痛苦。不仅如此，为了保证动物对食物等刺激有灵敏的反应，实验犬经常处于饥饿的状态下。因而，部分实验犬变得暴躁而具有攻击性，甚至试图咬穿连接笼子与观察者的管子。
除了研究和实验外，巴甫洛夫还售卖胃痿管收集到的胃液，用于治疗消化不良。这项业务大大扩充了他的实验经费。让人很容易联想到一些不法商人，为了满足市场对于熊胆汁的需求，在恶劣的饲养环境下从黑熊体内长时间插管收集胆汁。在现代伦理学中，这样的行为显然不合规范。
另一方面，巴甫洛夫和他的同事们也在努力减少手术造成的动物伤亡。在论文中他描述了手术的流程，“在第一间房间里清洗并干燥，在第二间房间里注射镇静剂并准备手术，在第三间房间里进行手术。除此之外，还有一个单独的房间用于实验器械和手术人员的消毒。距离手术区域一段距离的地方是恢复室。恢复室有充足的光照和通风，有暖气用于加热，用水管进行充分的冲洗”。当然，这些措施的主要目的是增加实验犬的术后寿命，充分利用它们完成实验，还是真正顾及实验动物的权益，现在也难以评断。
由于要进行长期、持续性的观察和实验，巴甫洛夫和他的同事们和实验犬之间某种程度上也产生了类似于主人和宠物之间的关系。不少实验犬都被起了名字，有一些甚至被记录在论文中。比如，第一只成功在胃分离手术后恢复的狗”小伙伴”在五年间参与了三位研究者的实验。它的名字出现在实验室多位博士的毕业论文致谢中。神经学家蒂姆·塔利在1992年前往俄罗斯考证这些实验犬的名字，并用将他发现的与果蝇记忆相关的突变基因以它们的名字命名。
科学是不断发展进步的，科学伦理也随之不断发展进步。以现在的伦理眼光来看到巴甫洛夫的实验或许不太公平，但我们仍然应该对这些实验犬为生理学和心理学研究作出的巨大牺牲报以尊重和感激。
唯物与唯心
“我并非唯物主义者，而是用最好的方法研究生命的自然主义者。”
——伊万·巴甫洛夫
因为巴甫洛夫的理论将动物的行为和表现和生理学因素，比如神经活动联系在一起，他常被认为是纯粹的唯物主义者，他也因此受到同时代很多人的质疑和攻击。但他并不自认为是唯物主义者。在人生的后期，他常常对生理学和心理学，客观存在和主观存在之间的关系进行思考，他的想法也几经变化。
二十世纪初，当巴甫洛夫刚刚开始进行心理学研究时，他选择在报告中使用偏向生理学的词而不是描述行为和感受的词，比如用“复杂神经”来代替“精神”，用“令人不快的刺激“来代替“疼痛”。这很大程度上是因为他对自己的理论尚不自信，因而想通过这个方法来回避对物质和精神关系的讨论。随着研究的不断推进，他开始更多的使用这些心理学词汇，并以最终从概念上统一客观过程与主观感受为目标。
1912年，他在随身记录本上写道：“我们认为所有的精神活动都是大脑物质的功能，或者说是一种确定的机制，也就是在某个区域产生的东西。但是这样一种空间局限的机制怎么可能产生没有空间局限性的精神活动呢？”几年后在一次谈话中，他再次表明：“否认主观世界的存在是愚蠢的，它显然存在。精神活动是我们的主观世界的一种形式，是完全合理的。我们的所有个人和社会行为都建立在它的基础上。问题在于我们应该怎样研究这样的主观世界。”
在巴甫洛夫看来，唯有我们透彻地了解了外在过程和内在过程怎样共同影响我们的行为，我们才能真正凌驾于外在环境之上，掌控自己的命运，而不是成为未知环境的傀儡。如此，我们才真正拥有自由意志。他在1918年写道：“你在哪里啊，真正的自由；什么时候你才会到来并永远与我们同在？”
结语
巴甫洛夫一生脾气暴躁，在私生活上也并非无瑕，但就学术成就而言，他是一位刚正不阿的学者，优秀的老师，杰出的科学家。在他的推动下，俄国进行了科学改革，学术界气象一新。他创立的生理学研究所和他本人的实验室都培养了大批出众的学生。最重要的是，他的研究和理论启发了无数后世的研究者，成为了黑暗中的一道光，成为了行为学派的基石。
图片来源：
封面图 https://russian.rt.com/science/foto/671768-akademik-pavlov-170-let-yubiley图1,3,5,6,8 Todes, D. P. (2014). Ivan Pavlov: A Russian life in science. Oxford University Press, USA.图2 https://en.wikipedia.org/wiki/Elias_von_Cyon#/media/File:Ilya_Cyon.jpg图4 https://www.newyorker.com/magazine/2014/11/24/drool图7 https://psychclassics.yorku.ca/Pavlov/lecture19.htm图9 http://catalogue.wellcomelibrary.org/record=b1160075图10 http://catalogue.wellcomelibrary.org/record=b1160094图11 https://www.smithsonianmag.com/smart-news/what-kind-of-dog-was-pavlovs-dog-22159544/图12 https://www.verywellmind.com/ivan-pavlov-biography-1849-1936-2795548
参考文献：
[1] Todes DP. (2014). Ivan Pavlov: A Russian life in science. Oxford University Press, USA.[2] Hutcheon DP. (1996). Leaving the Cave: Evolutionary Naturalism in Social-Scientific Thought. Wilfrid Laurier University Press, Canada.[3] Pavlov PI. (1927). Conditioned reflexes: An investigation of the physiological activity of the cerebral cortex. Annals of Neurosciences, 17(3), 136–141.[4] Tully, T. (2003). Pavlov's dogs. Current Biology, 13(4), R117-R119.[5] Specter M. (2014). Droll. The New Yorker. Retrieved from https://www.newyorker.com/magazine/2014/11/24/drool[6] Grimes AC. (2020). The Truth about Pavlov and His Dogs. Grunge. Retrieved from https://www.grunge.com/188174/the-truth-about-pavlov-and-his-dogs/[7] Eveleth R (2013). What Kind of Dog was Pavlov’s Dog. Retrieved from https://www.smithsonianmag.com/smart-news/what-kind-of-dog-was-pavlovs-dog-22159544/
往期回顾
关于我们
脑人言”是公益的脑科学原创科普团队，由海内外一线科研人员组成，专注于神经科学、认知科学和脑机接口等领域的科学知识和思想的传播。关注请长按上方二维码；转载请联系：lyx15951083876；合作请联系：iam7182；加入作者团队请联系：chinatang2010。
文章被以下专栏收录
脑人言
