监督自己、监控决定过程的能力是人类大脑最为神秘的能力之一,这种心理策略被称作“执行控制”(executive control),因为人们自上而下地控制自己的思考,就像CEO(首席执行官)发布命令一样。正如斯特鲁普任务所表明的那样,这种控制过程依赖于前额叶皮层。
但是问题仍然存在:前额叶皮层怎样行使控制权?什么使这个脑区控制其他脑区?要找到答案,我们需要再次讨论细胞层面的细节问题:通过研究前额叶皮层的精密结构,我们可以看到解释其功能的神经基础。
美国麻省理工学院的神经学家厄尔·米勒(Earl Miller)将自己的毕生精力都投入到研究这一小块组织的事业当中。当米勒还是研究生时,他第一次被前额叶皮层吸引,很大程度上是因为它看起来和一切都有联系。米勒说:“没有哪个脑区像前额叶皮层一样有这么多各种各样的输入和输出,你随便指一个脑区,前额叶皮层几乎肯定与它有联系。”米勒用猴子作为研究对象,仔细监测猴子整个大脑的细胞,经过10多年的艰苦探索,他终于发现前额叶皮层不是简单的信息汇集器,而是更像挥舞着指挥棒指挥乐手的乐队指挥。2007年,米勒在《科学》(Science)杂志上发表文章,第一次能够在个体神经元水平窥探“执行控制”,观察前额叶皮层的细胞直接控制整个大脑的细胞的活动。他在观察工作状态下的指挥家。
但是,前额叶皮层并非仅仅是大脑内部发出一个又一个命令的乐队指挥,还是一个独一无二的多面手。其他脑区只能专门负责某类刺激,例如视觉皮层只能处理视觉信息,而前额叶皮层的细胞极其灵活,它们能加工任何人们让其加工的信息。如果某人参加标准化测验,思考一道陌生的数学题,那么他的前额叶皮层的神经元也在思考这个数学题。然后,当他转移注意力开始思考下一道题目时,这些“任务相关”(task-dependent)细胞也调整了关注点,而且是无缝调整。最终结果是,前额叶皮层允许他从任何可能的角度有意识地分析任何类型的问题。他可以把注意力集中在可能有助于他想出正确答案的信息上面,而不是回应最明显的信息,也不是回应他的情绪脑认为最重要的信息。我们也能运用执行控制进行创新,用全新的方式思考同一个问题。例如,一旦瓦格·道奇意识到他无法跑过大火、大火会把消防员们逼到山顶,他就需要运用他的前额叶皮层想出新的解决办法。第一反应是没有用的,正如米勒指出的那样:“道奇这家伙的前额叶皮层功能超强。”
看看心理学一个经典的问题解决实验:“蜡烛问题”(candle problem)。给测试者一盒火柴,几根蜡烛,一个装有图钉的硬纸板盒子。测试者的任务是将蜡烛固定在一块软木板上,让蜡烛正常燃烧。多数测试者最初会尝试两种常见办法:第一种办法是直接用图钉把蜡烛固定在软木板上;第二种办法是烧熔蜡烛底端,将蜡烛黏在软木板上,但是蜡的黏合力不强,蜡烛会掉到地上。实验进行到这个时候,多数测试者会放弃,他们告诉科学家:问题无法解决,实验很愚蠢,纯粹是浪费时间。只有不到20%的测试者想出了正确的办法:将蜡烛黏在硬纸板盒子上,然后用图钉将硬纸板盒子固定在软木板上。除非测试者意识到硬纸板盒子的作用(硬纸板盒子的支持力大于图钉,能够承受蜡烛的重量),否则只能一根接一根地浪费蜡烛。测试者要失败多次才能找到突破点。
前额叶皮层受损的病人永远解不开“蜡烛问题”之类的难题,尽管他们理解游戏规则,但是他们完全无法想出创造性的解决办法,无法超越最初的失败尝试。最终结果是,前额叶皮层受损的病人不能尝试解决问题所需的反直觉(counter-intuitive)做法,尽管显而易见的做法不管用。这些病人不去尝试新方法,不去依靠抽象思维,而是一直用图钉固定蜡烛,固执地坚持这一办法,直到用完所有的蜡烛。
过去的15年来,美国西北大学的认知心理学家马克·荣比曼(MarkJung-Beeman)一直致力于研究大脑是如何在前额叶皮层的指挥下成功想出这样富有创造性的解决办法的,他想知道顿悟的神经基础。
荣比曼的实验是这样做的:给测试者呈现三个不同的单词(比如pine、crab、sauce),然后让测试者想出一个单词,与前面三个单词都能组成合成词或短语(这个例子中,答案是“apple”:pineapple,crabapple,applesauce)。这类字谜游戏的有趣之处在于答案往往是在顿悟的瞬间想到的,也就是惊呼“啊”的那一瞬间。
人们不知道自己是如何想出符合要求的单词的,就像瓦格·道奇不能解释自己是如何发明火灾逃生办法的。然而,荣比曼发现,顿悟之前,大脑有个认真准备的过程,因为每次想到答案之前,总是有一系列相同的脑区被激活[他喜欢引用路易斯·巴斯德(Louis Pasteur)的名言“机遇偏爱有准备的头脑”]。
问题解决过程中第一个被激活的脑区与执行控制有关,比如前额叶皮层和前扣带皮层。大脑在摒弃杂念,这样任务相关细胞就能集中精力了。荣比曼说:“这时,你在摆脱胡思乱想的念头,努力忘记你所思考的上一个字谜。顿悟需要心无杂念。”
行使自上而下的控制时,大脑开始产生联想。它选择性地激活必要的脑区,在任何有关区域搜索顿悟,寻找可能提供答案的联想(这时,前额叶皮层就像一个优秀的指挥家)。因为荣比曼给人们呈现的是字谜游戏,所以他看到与语音和语言有关的脑区高度激活,比如右半脑的颞上回(superior temporal gyrus,右脑尤其擅长产生导致顿悟的创造性联想)。他说:“你的大脑产生的大部分联想是没有用的,这样,执行控制脑区需要继续寻找,如有必要,改变战略,开始搜索别的区域。”
但是之后,正确的答案突然出现——当“apple”传到额叶时,人们立即意识到字谜解开了。“顿悟瞬间的一个有趣之处在于,人们一旦顿悟,就说这个答案明显是正确的。他们立即知道自己解开了字谜。”荣比曼说。
这一识别动作是前额叶皮层完成的,正确答案一出现,前额叶皮层就会一“亮”,即使人们自己还没有想出答案。当然,一旦答案被确定,额叶里面那些任务相关细胞就会立即转到下一个任务。大脑再次被清扫,回到空白状态,准备另一次顿悟。
1989年7月19日下午,美国联合航空公司232航班从丹佛特普尔顿机场起飞,飞往芝加哥。飞行条件非常理想,上午的雷暴已经过去,天空万里无云,湛蓝湛蓝的。飞机起飞大约30分钟后,到达了3.7万英尺的巡航高度。飞机一到巡航高度,机长阿尔·海恩斯(Al Haynes)立即解开安全带,他预计在飞机降落之前是不会再次用到安全带的。
第一段里程飞行顺利。乘客吃了热腾腾的午餐,飞机进入自动驾驶状态,副驾驶威廉·雷科兹(William Records)在一旁监控。机长海恩斯喝着咖啡,盯着下面远处爱荷华州的玉米地。他已经在这个线路上飞过几十次——海恩斯是美国联合航空公司最有经验的飞行员之一,已经飞了超过3万小时,但是从来没有停下来欣赏过下面一格一格的田野。田野上,农场沿着非常完美的直线排开。
下午3点16分,飞机起飞大约1个小时后,尾部突然传出巨大的爆炸声,打破了机舱的宁静。机身抖动,突然向右倾斜。海恩斯首先想到的是飞机要解体了,他会在一个巨大的火球中死去。不过,机身吱嘎作响几秒后又恢复了平静,飞机继续飞行。
机长海恩斯和副驾驶雷科兹立即检查各种仪表仪器,寻找什么地方出了问题。他们发现,飞机尾部中间的二号引擎不再运转了(这种故障可能引发危险,但不至于造成灾难,因为DC-10两侧机翼也有引擎)。海恩斯掏出飞行员手册,开始查询引擎故障处理办法。第一步是切断故障引擎的燃料供应,避免引擎起火,但是燃料操纵杆不能动了。
现在是爆炸之后几分钟,雷科兹驾驶着飞机,海恩斯仍然试图修复燃料线路,他认为,飞机正在按照预定航程飞往芝加哥,尽管速度略有放缓。这时,雷科兹转向他,报告了一件飞行员永远不想听到的事情:“阿尔,我不能控制飞机了。”海恩斯俯视着雷科兹,看到他已经把左侧副翼操作系统开到最大,把升降舵往前推到最顶端,操纵杆都压到机舱仪表盘了。正常情况下,这种动作会让飞机下降并左转。而目前的情况是,飞机在急剧上升的同时急剧右转。如果飞机再倾斜一些,就会翻过去。
什么东西造成飞机完全失控了呢?海恩斯认为大概是出现了大规模的电子故障,但是电路板看上去正常,机载计算机看上去也正常。然后,海恩斯检查了三条液压管道的压力状态:它们都暴跌到零。“看到那一幕,我的心跳停止了,”海恩斯回忆说,“那是一个可怕的时刻,我第一次意识到这是一场真正的灾难。”液压系统控制飞机,用来调整一切部件,从方向舵到襟翼。飞机总是配有几个完全独立的液压系统,如果一个出现故障,后备系统马上补上。这种冗余设计意味着人们认为三个液压系统几乎不可能同时出现故障,工程师们计算出其发生的概率只有十亿分之一。海恩斯说:“我们从未在训练或演习过程中碰到过这种情况,我查看飞行员手册,没有找到任何有关液压系统都出现故障的资料。这种情况根本不可能发生。”
但是,DC-10就是发生了这种事情。出于某种原因,引擎爆炸使三条液压管道都破裂了(事故调查员后来发现,引擎风扇的扇页完全破碎,金属碎片划过飞机尾部,而三条液压管道都在这个位置)。在海恩斯的记忆中,飞机所有液压系统都失控的案例只有一起。1985年8月,日本航空公司从东京飞往大阪的123航班是一架波音747飞机,遭遇了类似的灾难。当时,一阵爆炸性减压过后,飞机的垂直稳定器被刮走了,飞机直线下坠了30多分钟,最终和一座大山迎面相撞。500多人死亡,这是历史上单次死亡人数最多的一次空难。
客舱里,乘客开始恐慌,每个人都听到了爆炸声,可以感到飞机在不受控制地倾斜。美国联合航空公司飞行教练丹尼斯·菲奇(Dennis Fitch)当时坐在飞机中间的位置,他回忆:可怕的爆炸声之后,“听上去像飞机要散架了”。他用肉眼检查机翼,没有看到明显的损坏迹象,但是他不明白,为什么飞行员不能纠正飞机的急剧倾斜状态。于是菲奇敲了敲驾驶舱的舱门,看看能否提供什么帮助。他训练飞行员驾驶DC-10,所以对DC-10了解得很透彻。
菲奇回忆说:“当时的场面很惊人,两名飞行员都在控制面板旁用力地扳动操纵杆,前臂肌肉鼓起,指关节泛白。”听到飞行员说三个液压系统的压力都降为零时,菲奇非常震惊,“没有现成的程序处理这种故障。当我听到这个消息时,我想‘今天下午我要死了’”。
与此同时,机长海恩斯正在绞尽脑汁想办法重新控制飞机。他立即呼叫美国联合航空公司飞机管理系统(United Airlines’ SystemAircraft Management,简称SAM),SAM是一组经过专门训练、帮助处理飞行途中紧急情况的飞机工程师。“我认为这些家伙应该知道摆脱困境的方法,这是他们的工作,对不对?”海恩斯说。
但是,SAM的工程师们不能提供任何帮助。首先,他们不相信所有的液压都降为零。海恩斯说:“SAM不断要求我们再次检查液压系统,他们告诉我们一定还有压力。但是,我不断告诉他们:没有了,三个管道都空了。然后,他们不断让我们查询飞行员手册,但是手册里没有说怎么处理这个问题。最终,我意识到我们只有靠自己了,没人能帮我们让飞机着陆。”
海恩斯开始在心里列清单,看看他能不用液压系统操纵驾驶舱里的哪些部件。清单很短,事实上,海恩斯只想到了一个可能仍然有用的部件:控制剩下两个引擎速度和功率的推力杆(它们就像飞机的油门)。但是如果不能控制方向,控制推力杆又有什么用呢?就像在没有方向盘的汽车上踩油门一样。
后来,海恩斯想到一个办法。刚开始想到这个办法时,他否定掉了,因为实在是太疯狂了。但是,他越想越不觉得荒谬。他的想法是:利用推力杆引导飞机的方向。关键是分开运用两边的推力杆,正常情况下,飞行员被要求尽量避免这种操作方式。如果海恩斯闲置一个引擎,加大另外一个引擎的油门,那么飞机就会转向闲置的那边。这个办法的物理学原理很简单,但是他不知道是否真的有用。
没有时间可浪费了。飞机的倾斜角度已经逼近38度,如果超过45度,飞机将翻转过去,进入死亡螺旋。于是,海恩斯加大右侧引擎的油门,闲置左侧引擎。起初,什么也没发生,飞机仍然倾斜得厉害,但是后来右侧机翼开始非常缓慢地抬升。飞机现在沿着直线飞行。海恩斯的疯狂举动奏效了。
232航班遵照指示在西面大约90英里处的爱荷华州苏城的地方机场着陆。只用引擎油门,飞行员开始让飞机稳稳地向右转。此时距离最初的爆炸已经大约20分钟了,海恩斯和其他机组人员好像又能在一定程度上控制飞机了。海恩斯说:“我觉得我们终于取得了一些进展,这是自爆炸以来,我第一次认为我们也许能够让这只大鸟着陆。”
但是,正当机组人员开始获得一点儿信心时,飞机又开始出现纵向扰动,忽上忽下,扰动周期很长。这就是所谓的“长周期模态”(phugoid pattern)。在正常飞行情况下,长周期模态比较容易处理。但是,在没有任何液压的情况下,海恩斯和其他机组人员无法调节飞机高度。飞行员们意识到,除非他们找到消除长周期模态的方法,否则他们的最终结局会跟日本航空公司的波音747一样。飞机会像正弦波一样向前飞行,慢慢失去高度,最终栽到玉米地里。
这种情况下,你怎么控制长周期模态呢?乍一看,答案似乎是显而易见的。机鼻向下倾斜时,空速增加,飞行员应该减小油门,这样飞机就会减速。飞机上抛时,空速减少,飞行员应该加大油门,防止飞机失速。“看着空速指示器,飞行员的本能反应就是想跟飞机反着干,让飞机恢复平衡。”海恩斯说。但是,本能反应会适得其反。飞行途中的空气动力学与常识不一致,意味着如果海恩斯按照自己的第一反应行动,他会很快失去对飞机的控制,飞机会以势不可当的速度下坠。
海恩斯没有按照本能反应,而是仔细透彻地思考这一问题。他说:“我试着想象:如果我这样控制操纵杆,飞机会怎样;如果我那样控制操纵杆,飞机又会怎样。这种思考虽然花了我几分钟的时间,但是让我没有犯大错。”海恩斯认识到,机鼻向下倾斜、空速增大时,他需要加大油门,这样,剩下的两个引擎就能抬升机鼻。因为DC-10的引擎装在机翼下面,加大油门可以阻止飞机上抛。换句话说,他需要下坡时加速、上坡时减速。这种想法如此违背直觉,海恩斯不敢轻易尝试。海恩斯说:“最难的一点是当机鼻上仰、空速开始下降时,你得关掉油门。这不容易做到。因为这样做,会觉得自己将从空中掉下去。”
但是,这种方法奏效了,飞行员能让飞机尽量保持水平了。他们不能摆脱长周期模态(要摆脱,需要真正的飞行控制器),但是他们避免了飞机翻身进入死亡螺旋状态。现在,机组人员面临最后一个问题:指挥飞机在苏城降落。海恩斯知道,那将是一场战斗。首先,飞行员不能直接控制下降速度,因为飞机的升降舵——飞机尾翼调节高度的操纵面板——完全没有反应。于是,海恩斯和飞行员被迫借助一个粗略的公式:驾驶DC-10时,高度每下降1000英尺,需要向前飞行大约3英里。因为飞机现在距离机场大约60英里,但是飞行高度一直保持为3万英尺左右,海恩斯意识到,他们需要在飞往跑道的途中绕一绕。如果他们下降过猛,就可能失去好不容易获得的那点平稳,这样做很冒险。于是,在朝西北方向飞往苏城的过程当中,飞行员开始了一连串的右转弯,每转一次,高度下降一点。
飞机距离机场越来越近,飞行员为紧急降落做着最后的准备。多余的燃料被放掉,油门渐渐松开。乘客被告知采取防冲击姿势,脑袋紧紧抵着膝盖。海恩斯可以看到跑道和远处的消防车。飞行员放下轮子,抬起机鼻。尽管飞行员在控制器失灵的情况下驾驶飞机近40分钟,他们仍然能让飞机沿着跑道中间的直线滑行。这是飞行史上一项难以置信的壮举。
不幸的是,飞行员无法控制飞机的速度,一旦上了跑道,他们无法刹车。“正常情况下,DC-10着陆时的平均速度大约为140海里/小时,”海恩斯说,“我们是在215海里/小时的情况下着陆,而且还在加速。正常情况下,你每分钟最多下降200~300英尺。我们每分钟下降1850英尺,而且还在增加。正常情况下,你会沿着跑道笔直滑行。我们却在尾风的作用下左右摇晃。”
这些因素意味着,飞机不能停在停机坪上。它将划过一片玉米地,碎成几部分。驾驶舱脱离主体机身,像铅笔头一样,一个接一个地翻跟头,直到到达飞机场的边缘(所有机组人员都被撞得失去意识,身负重伤,生命垂危)。机身着火,主机舱弥漫着有毒黑烟。烟雾散去之后,发现112名乘客死亡。
但是机组人员的飞行技术——在没有任何控制器的情况下控制飞机的能力——使得184位乘客幸免于难。因为飞机提前通知了机场,应急响应者得以迅速治疗伤员、扑灭大火。正如美国国家运输安全委员会(National Transportation Safety Board)在其权威性报告中所总结的那样:“飞行员们的表现大大超出了合理的期望,值得高度赞扬。”232航班机组人员所发明的控制飞机的方法现在成为飞行员训练的一项标准内容。