大脑如何工作？被《纽约时报.科学时代》列为25个挑战性的科学问题之一，正如译者所说，人类从来都是研究客观世界，探索大脑中意识和自我意识是人类第一次研究自己[1]。其实,用意识来研究意识本身就是一个怪圈，但如果用意识去寻找意识载体（Consciousness carrier）就可以跳出这个怪圈。所以,要弄清大脑如何工作这个问题，就要弄清人类的意识在大脑中是被什么物质承载的，这一研究思路对揭开意识之迷也许是最直接的。而现在所发明的技术已可以帮助我们寻找这些物质。

一. 存在意识载体（Consciousness carrier）

在生物体中，DNA上的遗传信息负责指导蛋白质的合成，遗传信息的传递又要靠生物体中的能量（如ATP）来完成。可以说生命是物质、能量和信息的复合体。爱因斯坦著名的物质与能量转换公式：E=mc2把物质和能量统一了起来，但现在人们还没有发现物质与信息或能量与信息的转换公式，当然也没有发现信息能脱离物质而单独存在。在自然界生物体中DNA上的遗传信息要传递和表达得靠生物体中的能量来帮助，在人的造物计算机上的信息要传递和表达也得要有能量（如光、电、波等）的参与。这就预示：物质是负责承载信息的，能量是负责传递信息的。人的意识作为一种信息，它的传递需要能量，它的承载肯定需要物质。
现在的物理学已经证明，物质的不同层次都可以用来存储信息。而且当用更小层次的物质来存储信息（如分子、原子、电子甚至是夸克或超弦）时，物质的热力学熵和香农熵就会在算法不同的条件下，得出相近的结果[2]。现在的计算机是用元件来储存信息的,它的熵可以称为元件熵,等到可以用分子、原子、电子甚至是夸克或超弦等来储信息时的熵就可以称为相应的分子、原子、电子等熵。
神经学的研究表明，神经元内的兴奋或抑制传递是靠电脉冲完成的，神经元间的兴奋或抑制传递是靠只存在于轴突末端的突触小体内的神经递质来完成的。由于递质只存在于突触末端，只能由突触前膜释放，然后作用于突触后膜，使后一神经元发生兴奋或抑制，所以神经元之间的兴奋或抑制的传递是单向的。而神经原间兴奋或抑制传递的本质是对刺激信息的传递，即神经原间信息的传递是单向的。神经原要进行信息传递，就必然存在着信息载体。所以神经原之间信息载体的合成传递走向也是单向的，是由前一神经原走向后一神经原。
人们早就发现大脑的功能是分区的，活动越复杂的器官在大脑皮质中所对应的控制区域越大。如果由该部分皮质控制的器官失缺，则该部分皮质就转而控制与该器官相邻的器官， 甚至较远的器官[3]。而对于大脑某个区域受损或发生病变的患者，却不会发生转由脑的其他区域来控制原来由该区域控制的器官，从而使该器官的功能得以恢复。所以脑对器官的控制也如神经原的兴奋或抑制传递一样是单向的。所以，当脑某个区域受损或发生病变时，便不能合成指挥该器官的信息载体，或合成了传递的通道也受阻，该器官的功能自然就失缺。
在意识上，大脑的某个区域受损或病变，则会失去某方面的记忆或理解能力，根据现在神经学的研究成果，比较合理的解释应该是：该区域的受损或病变导致了该区域负责产生相应信息载体的神经细胞不能合成该信息载体，或原来脑中已产生的该信息载体上的信息不能有效传递而致。
人们希望用药物来增强人的记忆,尽管有对这些药物的作用机理解释[4]。但不论用什么药物来增强人的记忆，我们都应该搞清楚原记忆的内容在大脑中是被怎样存放，又是怎样被释放出来的。不然用药物来提高人的记忆的成果就永远只有统计意义，而无真正意义上的机理说明。
广东省三九医院对吸毒人员的戒毒开始探索的采用手术治疗法，有媒体称这是“足够获得诺贝尔奖的课题”。采用手术治疗的依据是毒品在人脑形成了一个“病理性犒赏性中枢”，由毒品引起的快感在脑部8条神经环路上运行，手术就是要把在人脑中形成的这个“病理性犒赏性中枢”的神经原杀死(《南方周末》，2004、4、1：9-10版)。这正说明每种刺激只在脑中引起特定的神经细胞有反应，以脑的功能是分区的理论是一致的。然而人们对手术戒毒一直存在着许多疑问，毕竟手术戒毒对大脑的物理性损伤是不可避免的,所以卫生部对手术戒毒进行了紧急叫停。对于手术戒毒能否继续进行下去还待观察（2004、11、11和12、2《南方周末》）。但大家知道，毒品对人的控制是使人产生精神依赖，而产生这种精神依赖的物质基础则应该是：由于吸毒人员的大脑中合成了对毒品有依赖的物质，这种物质在缺毒品时被激活，导致吸毒者产生强烈的需毒意识而无法自控，如果是这样，那么只要让毒品依赖物在大脑中失去活性或它所承载的需毒信息不能传递，问题不就解决了吗？
Norman M.Weinberger[5]通过研究音乐对各种年龄段（包括胎儿）的人引起的反应认为：人天生懂音乐。这说明在人脑中本身就存在着音乐信息的意识载体。一旦有了音乐的刺激，这种载体就被激活，并把刺激它的音乐信息记录下来，从而载上该音乐信息。　
所以人的意识在大脑中就一定会被相应的物质所承载，该意识载体（Consciousness carrier）应是由某个或几个脑神经细胞在一定刺激条件下，偶然产生的。这个或这几个神经细胞再通过神经传递物质把意识载体上的信息传递给与之相连的其他脑神经细胞，从而引起一片脑神经细胞由该意识载体激起的同样兴奋，并产生同样的意识载体，当这种意识载体达到一定的阈值时，就产生了意识。如果一开始的某个或几个脑神经细胞偶然产生的某种智慧承载物的信息，不能被神经传递物质传递给与之相连的其他脑神经细胞，引起一片脑神经细胞兴奋，并产生同样的意识载体，那么，由这个或这几个脑神经细胞所产生的意识载体上的信息就不能被察觉到而表现出意识来。既然脑功能是分区的，神经原之间的信息传递是单向的，而神经递质又是多样的，所以神经原之间的信息传递也应该是专一的，即某种神经原只合成一种神经递质，传递一种信息。

二. 意识载体就是意识蛋白（Consciousness protein）

上述的种种迹象表明，在大脑中应该能合成意识载体，但这种载体是什么，它是怎样产生，又是怎样承载意识信息？我们的古人早就从现象的观察中指出：水火有气但无生，草木有生但无知，禽兽有知但无义。对于人来说，就是我们体内本身就存在的各种信息传递、生理生化的调节反应我们也不能直接意识到，而是要通过相应的办法让感官感觉到这些现象并将信息传递到大脑后，才能产生意识。对于外界的事物，则更是观之不到、闻之不到、嗅之不到、触之不到、思之不到、悟之不到而不能产生意识。
琳达．巴克（Linda．Buck）和理查德．阿克塞尔（Richard．Axel）因发现嗅细胞上的气味受体对气味分子的察觉有高度的特异性，嗅细胞能将气味分子上的气味信息通过嗅神经传递到大脑的特定区域，将之保存下来，并在不同的时候被记起而获2004年诺贝尔医学或生理学奖。在这个过程中涉及到诸多的基因和蛋白质的活动。这一发现表明了物质信息（气味分子的信息）可以在大脑中转变成意识信息。
通过对双胞胎（特别是孪生双胞胎）的DNA分析寻找与精神病有关的基因的研究发现，同卵双胞胎中一个人患精神分裂症，那么另一个患此病的概率为45%；如果双胞胎中有一个患自闭症，那么另一个患自闭症的概率为60%，这个数字远远高于一般人患这两种病的风险（患精神分裂症为1%，患自闭症为0.2%）；尽管基因相同，但有些双胞胎并没有患相同的病。所以Steven E.Hyman[6]预言，大脑是基因、环境和概率的产物。
R.Dougls Fields[7]的研究则直接证明了某个被刺激的神经突触要长久的记住这个刺激，就会合成突触强化蛋白来加强这个被刺激的突触的联系，使短时记忆转化为长时记忆。如果阻断DNA到mRNA的转录或mRNA到蛋白质的翻译过程，会防碍长时记忆的形成，但对短时记忆没有影响。由于每个神经突触会遇到何种刺激完全是随机的，由此证明了Steven E.Hyman预言的正确性。但R.Dougls Fields的研究却不能说明转为长时记忆的突触是否还能接受别的刺激，更不能说明长时记忆的内容被什么物质承载，又是怎样被释放出来。
现在对自杀这种由意识支配的行为研究表明：自杀者的大脑生理结构与众不同，且具有先天性和遗传性。脑部背侧中缝核传送到前额皮质眶回的血清素少于正常水平。背侧中缝核神经原比其它原因致死的含有更多能合成血清素的酶[8]。
有人进行了人猿DNA的差异研究，发现仅有1.2%的DNA碱基不同[9]。生物学的研究告诉我们，相同的基因所编码的蛋白质在不同的生物体中的功能都是相近的，而人猿之差异又表现在意识上，所以，我们有理由相信，人猿之间的差异基因组就是意识基因（Consciousness gene），由它们编码的蛋白就是意识蛋白(Consciousness protein )，而且意识基因还应该只在脑细胞中开放，它编码的蛋白也只在脑中承担存放意识的功能。但是人猿之间的DNA差异是如此的小（仅1.2%），而人类的意识又浩如烟海，如此少的意识基因是如何控制如此多的意识呢？
基因组非编码区的功能研究被Science杂志评为2004年的十大科学突破之一[10]。现在的研究表明，DNA存在编码区和非编码区，编码区的作用是表达基因编码，非编码区的作用是识别信息和控制基因编码。生物的进化程度愈高，非编码区越大，病毒的非编码区仅占5%，真核生物的非编码区占95%以上[11]。这说明生物愈高等，它的调控越多、越复杂，特别是对意识的调控就更加复杂。已完成的人类基因组计划表明，用于编码蛋白质的基因只有不到2.5万个，而人类要产生的蛋白质有9万种不同的类型。人类通过如此少的蛋白质编码基因来编码如此多的蛋白质，是通过一种叫做选择性剪接（alternativ splicing）的机制由一种DNA上的基因编码出多种mRNA，从而编码出多种蛋白质来完成的。一个含有外显子和内含子的DNA基因，先转录成含有外显子和内含子信息的初级RNA转录本，然后由剪接调节（splicing regulatory SR）蛋白控制初级RNA转录本的剪接编辑。SR蛋白剪接编辑初级RNA转录本时，有对所有的内含子进行剪接；对内含子的部分进行剪接；对“选择性剪接的外显子” 进行选择剪接等方式。所以，一种初级RNA转录本可被SR蛋白编辑成多种不同的mRNA，从而被翻译成不同的蛋白。而不同的组织和细胞中或同一组织和细胞的不同阶段，可产生不同类型的SR蛋白，这就保证了同一个DNA基因能在不同的组织和细胞中或同一组织和细胞的不同阶段编码出不同的mRNA，以产生不同的蛋白质来适应生命的各种状态。由DNA转录成的RNA中，有的永远不会被翻译成蛋白质，而是在细胞中发挥看家作用和调节功能[12]。蛋白质之间也常常发生非常紧密的相互作用，形成具有明确空间形态的复合物，即“模块”（module）。而且一种蛋白质常常可以参与几个不同功能的模块构成[13]。用计算方法研究蛋白质相互作用的工作正在深入的进行，全世界已建立起了相应的数据网络，可以做到研究成果的资源共享[14]。这些成果说明:
1 在人体中巨量的DNA非编码区，是较多的用来调控人的意识蛋白之间的组合。因为人的意识是很复杂的，往往随人的感觉、观察及思考等表现出多样性。所以要用大量的调控来完成。
2 少量的意识基因会通过择性剪接产生较多的意识蛋白。
3 意识蛋白通过改变结构或不同组合承载不同的意识信息。
根据以上推论和计算机芯片是靠蚀刻在它上面的微晶体管的开、关状态来存储信息的技术原理的启示，按照人脑功能是分区的理论，大脑产生和存放意识的机制是，意识基因是分类的，某类基因控制着人的某种意识。意识基因在刺激的作用下通过转录、翻译产生意识蛋白质并承载感知的刺激信息。意识蛋白质又通过调控机制改变结构或相互结合而成为新的信息承载体，从而表现出新的意识。由于意识活动特别易受各种感觉的刺激而发生变化，所以由只在脑细胞中开放的意识基因指导合成的意识蛋白质，肯定会比普通的蛋白质更为活跃而频繁的改变结构或相互结合，形成不同的意识蛋白。

三.如何寻找意识蛋白

既然人脑中存在着意识基因组和由其编码的意识蛋白，那么如何去寻找这些基因和蛋白呢？现在核磁共振（NMR）技术也被用在了有机化合物和药物结构分析上[15]，功能核磁共振成像技术(fMRI)和正电子断层扫描技术（PET）都被用在了脑功能的研究上[6][16]，我国也开始用fMRI和ERP等脑成像技术开展了汉语认知加工的脑机制研究[17]。这些技术在脑研究中的应用能够拍摄到人脑在不同刺激下的各区域成像图，使大脑变得“透明起来”，我们便能从人脑在不同刺激下的反应中找到相应规律。所以“读脑时代”已经来临的话题已成为新闻面向普通大众。用基因晶片（即芯片）可以发现某一细胞或组织中哪些基因已启动[6]，DNA芯片技术和蛋白质芯片技术已经成熟到了一个本科生都可以对它有深刻理解和掌握的程度[18]，用该技术可以准确测出相应的基因和蛋白。而人类基因组计划已完成了人类DNA的全部测序，对人类的每个基因已能准确定位。在这些技术的基础上，对人脑细胞中的基因开放情况和由其编码的蛋白进行测定已完全可能。所以,用这些技术对不同特长的人或对人猿之间进行的差别基因筛选,并对这些基因所编码的蛋白质的功能进行研究，就有可能在人脑中找到意识基因和由其编码的意识蛋白，并最终弄清如下问题：

1 意识蛋白是怎样存放意识，意识在脑细胞间又怎样传递。
2 意识蛋白的结构与意识的对应关系。 3 大脑中的意识基因在什么条件下开放，以指导意识蛋白的合成。
4 人在进行相应的观察、学习或思考时怎样激活相应的意识基因，并编码出相应的意识蛋白来支撑这种观察、学习或思考。
5 意识蛋白在什么样的条件下具有稳定的结构，并把它所存放的信息保存完好，到需要用时再释放出来。
6 意识蛋白及其所承载的意识信息的代谢途径。
7 哪些在接受或理解某方面知识有困难的人，是不是在其大脑中很难合成相应的意识蛋白，或合成了结构也不稳定。
8 异体之间的意识蛋白可不可以互相交换。
弄清这些问题后，我们就能真正弄清精神病的机理，改造我们的大脑，造出真正的“读心机” [6,16]，解码意识蛋白上信息的内容，读出人的思想。