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公司 6-20 10:48

Neuralink 与大脑的神奇未来·第二部分:大脑

这是 ONES Piece 翻译计划的第 131 篇译文。本文原载于 WaitButWhy.com,作者 Tim Urban 由 ONES Piece 塔娜、徐雪儿、王沫涵、任宁、何聪聪翻译,关嘉伟校对。ONES Piece 是一个由 ONES Ventures 发起的非营利翻译计划,聚焦科技创新、生活方式和未来商业。

Contents 目录

第二部分:大脑

在写这篇文章时,我想起了自己为什么喜欢下面这种长得好看又可爱的大脑:

因为真正的大脑长得很丑,一点都不可爱。人类真恶心。

但是在过去一个月里,我一直在谷歌图片中看着一张张黏糊糊、布满血丝的脑部图片,那简直就是地狱。现在你也要经历同样的体验,所以请做好心理准备。

现在我们先从最外层开始。我觉得生物学有一个优点是它有时也挺有条理的,而大脑也有一些条理分明的地方,首先是人类的头部构造就像是一个俄罗斯套娃。

你的头部最外层是头发,头发下面是头皮,然后你以为接下来就到颅骨了——但其实中间还有大概 19 层东西才到颅骨。

在你的颅骨和大脑之间,又有这样一堆的东西:

在颅骨下面,大脑被三层薄膜包裹着。

最外层的是硬脑膜(dura mater),一层结实、凹凸不平的防水膜。硬脑膜会紧贴着颅骨。我听说大脑是没有疼痛感知区域的,但硬脑膜上就有——它的敏感程度与脸部肌肤相当——硬脑膜受到压力或撞击往往会引起剧烈的头痛。

下面一层叫做蛛网膜(arachnoid mater),大家可以看到这层薄膜下面的空间布满了一些看上去富有弹性的纤维。我一直认为,我的大脑只是被浸在某种液体里,然后就这样在脑壳里面漂浮着。但其实大脑外部和颅骨内壁之间的唯一间隙就是这层蛛网膜。这些纤维物质可以固定住大脑的位置,让它不会四处移动。当头部受到碰撞的时候,它们还可以起到缓冲的作用。这块区域充满了密度接近水的脊髓液,能让大脑保持着一定的浮力。

最后一层是软脑膜(pia mater),这层薄膜是跟大脑外层紧紧贴合在一起的。你知道为什么你每次看到的大脑照片总是覆盖着一层黏糊糊的血管吗?这些血管其实并不是在大脑表面上,而是嵌在软脑膜里面的。

下面大脑的全貌,这里用的应该是一个猪脑:

从左到右,你会看到皮肤(粉色的那层),然后是两层头皮,接下来是颅骨、硬脑膜、蛛网膜,最右边就是包裹在软脑膜下面的大脑。

如果我们把外层的东西都剥干净,就会看到这个粉嫩的东西:

这个看起来很好笑的东西,可是宇宙中已知的最复杂的物体——虽然它只有三磅重,但是神经工程师蒂姆·汉森(Tim Hanson)却称之为「目前已知信息密度最大、结构化程度最高而且自我组织最完整的东西」。强大如此的大脑,它在运行时的功率仅为 20 瓦(一台性能同样强大的计算机将需要 2400 万瓦的功率才能启动)。

麻省理工学院的教授波丽娜·安妮基娃(Polina Anikeeva)则将大脑形容成「可以用勺子舀的软布丁」。

脑外科医生本·拉波波尔(Ben Rapoport)给出的描述感觉更为科学:「介于布丁和果冻之间的形态」。他说如果你把一个大脑放在桌面上,它会在重力的作用下变得更扁,有点像水母的感觉。我们通常不会想到大脑会是这么软绵绵的,因为它一般都处于悬浮在液体中的状态。

但这就是我们的样子。你在镜子里看到自己的身体和脸庞,你以为这就是你——但那其实只是一副皮囊。你真正的样子是一个奇形怪状的果冻球。希望你不会介意这个说法。

虽然这听起来很诡异,但你也不能责怪亚里士多德或者是古埃及人,尽管他们曾经断定大脑只是毫无意义的「头骨填充物」(亚里士多德认为心脏才是智力的来源)。

后来,人类逐渐了解到了更多关于大脑的真相,但只是片面地了解。

克里希纳·谢诺伊(Krishna Shenoy)教授打了个比方,他说:

我们对大脑的理解,就如同在 16 世纪初人类对整个世界地图的了解一样。

另一位教授,杰夫·李奇曼(Jeff Lichtman)的说法就更为苛刻了。他在自己课程的第一节课都会问学生一个问题:「如果大脑总共包含的知识是一英里,我们已经在这个路程上走了多远?」他说学生们有回答三分之一的,有一半的,有四分之一的——但是这位教授给出的答案是「大约 3 英寸」。

第三位教授是神经科学家莫兰·瑟夫(Moran Cerf),他向我分享了在神经科学界的一句老话,其中指出了为什么试图完全理解大脑是一个无法达成的悖论:「如果人类大脑真的有那么容易理解,那么拥有这种简单大脑的我们也是不能理解大脑的。」

在人类正在建造的伟大知识库的帮助下,我们也许在未来某天可以做到这点。现在,我们先来看看人类目前对大脑已知的东西——先从宏观的角度开始。

缩小后的大脑

我们先通过下面的半球截面图来看看大脑的主要结构:

现在我们把大脑取出来,然后去掉左半球,这样我们就可以清晰地看到里面的结构了。

神经学家保罗·麦克莱恩(Paul MacLean)做过一张简单的示意图,其中阐释了我们之前讨论过的一个基础概念:在进化过程中,最先出现的是爬行脑,后来的哺乳动物以此为基础发展出了第二重脑部结构,最后人类的出现完善了第三重脑部结构。

下面是这些结构在真正的大脑上对应的位置:

接下来我们来看看这里的每个部分:

爬行脑:脑干(和小脑)

这是我们大脑中最古老的一部分:

这是上面的大脑截面图中青蛙老大所在的部分。事实上,青蛙的完整脑部的形状就跟我们大脑的这个部分很相似:

在了解过这些部位的功能之后,你就会明白它们为什么是古老的了——这些部位能做的事情,青蛙和蜥蜴都能做。

下面是其中主要的部分:

延髓

延髓(medulla oblongata)唯一想的事情就是让你不要死。它负责控制一些非自主的活动,比如心跳、呼吸和血压,另外如果它认为你中毒了,它就会让你呕吐,干的都是些吃力不讨好的活。

脑桥

脑桥(pons)的工作非常零碎。它负责吞咽、膀胱控制、面部表情、咀嚼、唾液分泌、眼泪分泌和姿势保持等工作——基本上就是看心情什么都做点。

中脑

中脑(midbrain)的工作甚至要比脑桥更零碎。如果一个大脑部位所做的事情都已经有其他部位负责了,那它肯定不会好受。这里所说的就是中脑,它负责的工作包括视觉、听觉、运动控制、警觉、体温控制等各种其他大脑部位也在做的事情。大脑的其他部位似乎也不太喜欢中脑,因为你可以看到「前脑、中脑、后脑」的比例差距有多么悬殊,所以看来中脑是被其他部位排斥了。

不过脑桥和中脑也有一项值得肯定的工作,它们还负责控制眼球自主运动,这可是件正经事。所以如果你正在转动眼球的话,说明你的脑桥和中脑正在进行它们的一项专职工作。

小脑

这个看起来有点怪,像是大脑阴囊一样的东西就是你的小脑(cerebellum)。小脑负责让你保持平衡、手脚协调和正常行走。这里是之前那位淡定的教授展示小脑解剖结构的视频。

古哺乳动物脑:边缘系统

在脑干的上方就是边缘系统(limbic system)——让人类变得如此疯狂的大脑部位。

边缘系统是一个生存系统。一个笼统的说法是,当你在做一些你的狗也会做的事情时——进食、饮水、交配、战斗、躲避或者逃离可怕的东西——这就是边缘系统在幕后操控。无论你是否愿意承认,只要你在做上述的任何一件事时,你就处于原始人的生存模式。

边缘系统还控制着你的情绪,而情绪归根到底也是生存的需要——它们是更高级的生存机制,对于生活在复杂社会结构中的动物来说必不可少。

我在之前的文章中提到了即时奖励猴子社会生存猛犸象,还有其他一些动物——它们所指都是边缘系统。每当你的大脑发生内部斗争时,边缘系统的工作可能就是怂恿你去做一些你以后会后悔的事情。

我确信学会控制边缘系统是人类成熟的象征,同时也是人类最核心的斗争。这并不是说如果没有边缘系统我们会活得更好——边缘系统是我们之所以为人类的一半原因,我们生命中的大部分乐趣都与情绪或者动物本能欲望的满足有关——只是边缘系统并不知道你生活在一个文明社会,如果你过于放任它的话,它很快就会毁掉你的生活。

好吧,让我们再拉近一点看看。边缘系统由许多小部分构成,不过我们只介绍其中最重要的一些部分:

杏仁体

杏仁体(amygdala)可以说是大脑中负面情绪的集中地。它负责焦虑、悲伤、还有我们对恐惧的反应。大脑有两个杏仁体,奇怪的是左边的杏仁体表现更加乐观一些,除了通常的负面情绪之外,它有时也会产生愉悦的情绪,而右边的那个就一直处于心情不好的状态。

海马体

海马体(hippocampus,顾名思义,因为它看起来像一只海马)就像是记忆的速写板。如果将老鼠放进一个迷宫里面,它会慢慢记得迷宫的路,因为迷宫路径的记忆会被编码到老鼠的海马体里面——确实是这样。当老鼠走到迷宫的不同位置时,它的两个海马体的不同部位会被唤醒,因为迷宫的每一个部分都对应着海马体的某一部位。但如果在记住了一个迷宫之后,这只老鼠又做了其他任务,在一年后再被放回原来的迷宫中,它就很难回想起这个迷宫要怎么走了。因为这时海马体速写板上的大部分内容都被清除了,这样才能腾出地方记忆新的东西。

电影《记忆碎片》(Memento)所描述的疾病是真实存在的——顺行性遗忘症(anterograde amnesia)是由海马体受损所导致的。阿兹海默症的病发就从海马体开始,然后才慢慢扩散到大脑的其他部分,这也是为什么阿兹海默症患者会先开始变得健忘,随后才出现其他一系列的严重症状。

丘脑

丘脑(thalamus)位于大脑的中心,它就像是感官系统的中间人,它负责接收来自感觉器官的信息,然后再将其传输到大脑皮层进行处理。当你在睡觉的时候,丘脑也跟和你一同入睡,也就是说负责传输感官的中间人下班了。所以在深度睡眠时,你通常不会因为轻微的声音、光亮或触碰而醒来。如果你想唤醒处于深度睡眠的人,你的动静一定要足够大才能唤醒丘脑。

唯一的例外是嗅觉,它是唯一可以绕过丘脑的感官。这就是为什么可以用嗅盐来唤醒昏迷者的原因。既然说到这儿了,下面就给大家补充一个冷知识:嗅觉是嗅球(olfactory bulb)的功能,而且这是最古老的一种感官。跟其他感官不一样,嗅觉位于边缘系统的深处,它与杏仁体和海马体都有紧密的联系——这也就是嗅觉可以唤起特定记忆和情绪的原因。

新哺乳动物脑:皮质

我们终于聊到皮质(cortex)了,它又名「cerebral cortex」、「neocortex」、「cerebrum」和「pallium」。

作为整个大脑最重要的部位,它竟然连自己的名字都搞不清楚。所以这是怎么回事?

补充说明:它究竟叫什么名字?

cerebrum 是指人脑的整个顶部及外部,但从严格意义上讲,它也包含人脑的一部分内部部位。

 

cortex(皮质)在拉丁语中是「树皮」的意思,除了大脑之外,这个词还可以指许多器官的最外层。比如小脑(cerebellum)的外层就叫做 cerebellar cortex,而大脑(cerebrum)的最外层是 cerebral cortex。cerebral cortex 是哺乳动物的专属名称,爬行动物相应的脑部结构则叫做 pallium

 

neocortex(新皮质)常被用作「cerebral cortex」的同义词,但严格来说,neocortex 是指高等哺乳动物特有的位于 cerebral cortex 外部的一层,而其他部位则被统称为 allocortex(旧皮质)。

 

本文接下来的部分将主要探讨 neocortex,但是为了方便起见,我们会把它简称为「皮质」(cortex)

皮质几乎无所不能——它负责处理听觉、视觉及感觉信息,同时还掌管着语言、运动、思考、计划、性格等诸多方面。

皮质可以分为四叶:

这几个部位的职责要描述起来确实没有什么条理可言,因为每个部位所做的东西都很多,而且彼此之间存在大量重叠的功能,不过我们可以简单概括一下:

额叶(frontal lobe)负责你的性格,以及一系列我们认为跟「思考」有关的东西,包括推理、规划和执行等功能。其中,你的大部分思考行为都发生在额叶前端叫做前额皮质(prefrontal cortex)的部位——这是在你大脑中的智者。

在之前提到的大脑内部斗争中,前额皮质是与边缘系统对立的一方。它是敦促你完成工作的理性决策者;叫你不要担心其他人看法的内部声音;希望你不要对小事斤斤计较的高级存在。

如果你觉得这些工作还不够麻烦,额叶还负责你身体的运动。额叶顶部的前回是你的「主要运动皮质」(primary motor cortex)。

顶叶(parietal lobe)负责的一项功能是触觉控制,其中最主要是主要体觉皮质(primary somatosensory cortex)的作用,它就在主要运动皮质的后面。

互相紧挨着的主要运动皮质和主要体觉皮质是特别有趣的两个部位,因为神经科学家发现它们的每个位置都与某个身体部位一一对应。这就引出了本文最惊悚的一张配图——「小矮人图」(homuculus)。

小矮人图由神经外科先驱怀尔德·彭菲尔德(Wilder Penfield)提出,它形象地展示了主要运动皮质和主要体觉皮质所对应的身体部位。图中比例越大的身体部位,它们在相应皮质中所占的区域也越大。这里可以得出一些有趣的发现:

首先,大脑负责面部和手部运动和触觉的区域比其他身体部位的全部加起来还要多,虽然这听起来有点难以置信,但其实还是可以理解的,因为我们需要做出差别非常细微的面部表情,而且我们的双手需要无比灵巧,但是身体的其他部分,比如肩膀、膝盖、后背,它们的动作和感觉就不需要那么细致了。这就是为什么人类可以用手指弹钢琴,用脚趾就不行。

其次,这两种皮质所对应的身体部位比例也高度近似。我也可以理解这点,但我从来没有想过,身体最需要运动控制的部位恰恰也是最敏感的部位。

最后,我偶然找到了下面这张图片,然后它就一直在我的脑海中挥之不去,所以现在我也让你们体会一下这种感觉——一个 3D 版的小矮人。

我们继续——

颞叶

颞叶(Temporal lobe)负责储存你的大部分记忆。另外因为它就在你的的耳朵旁边,所以它也是听觉皮质(auditory cortex)所在的位置。

最后,位于你的后脑勺的是枕叶(Occipatal lobe),它几乎被完全用于处理视觉信息。

一直以来,我都以为这些大片的脑叶就是组成大脑的一块块部位——就像我们在 3D 模型中看到的分区一样。但实际上,皮质只占大脑最外层的 2 毫米——也就相当于一个硬币的厚度——表层下面的空间基本上是各种神经组织的复杂连结。

补充说明:为什么大脑会有这么多皱褶?

 

正如我们之前讨论过的,人类大脑的进化一个由内向外扩展的过程,我们不断在现有的结构上添加更多高级的新功能。但是这种进化方式也有一定的限制,因为人类的出生还是需要经过母亲的阴道,而这就限制了我们的头部可以发育的大小。

 

作者注:而且更困难的是,人类在进化过程中成为了直立行走的动物,这会导致女性的骨盆变小(否则她们就无法奔跑了)。幸好我们也进化出了适应这种情况的办法——婴儿在出生的时候其实尚未发育完全。所以每个新生儿在变得超级可爱之前,他们在出生后的第一个月左右看起来会像温斯顿·丘吉尔一样——他们本来应该继续待在子宫里面的。这也是人类新生儿如此脆弱无能的原因。

 

于是我们在进化过程中找到了一个取巧的办法。因为皮质非常薄,所以它的生长是通过增加表面积来实现的——它会形成很多皱褶(包括向下延伸到左右半球之间空隙里面),这样你就能在不增加太多大脑容量的前提下得到超过三倍的大脑表面积。

当大脑开始在子宫内发育时,它的表面还是光滑的——这些褶皱大多在孕期的最后两个月才会出现。

这里可以看到更详细的皱褶形成过程)

如果将皮质从大脑上剥下来,你可以得到一个 2 毫米厚,面积为 2000 至 2400 平方厘米的区域,相当于一块 48 厘米 x 48 厘米(19 x 19 英寸)正方形餐巾。(这个表面积已经足够了,即使皮质只有 2 毫米厚,但它的体积可以达到 300 至 500 立方厘米,超过大脑总体积的三分之一,相当于一个垒球的体积。)

这块餐巾是你的大部分大脑行为发生的地方——它是你能够思考、运动、感觉、看见、听到、记忆、说话和理解语言的原因。这简直是史上最棒的餐巾。

还记得之前我说过「你只是个果冻球」吗?好吧,其实你所认为的自己其实主要是你的皮质。换句话说,你其实是一块餐巾。

当把完整的大脑和扒下来的皮质放在一起时,我们就能清楚地看到这些褶皱所增加的餐巾面积了:

尽管还不完美,但是现代科学已经基本掌握了大脑的全貌。此外,我们对大脑的细节也有了一定的认识。接下来是对大脑细节的介绍:

放大后的大脑

尽管我们早就明白了大脑是人类智力的源泉,但是科学界是在不久前才弄清楚大脑的构造。科学家已经知道人体是由细胞构成的,但是直到 19 世纪末,意大利外科医生卡米洛·高尔基(Camillo Golgi)才发现一种染色法可以揭开大脑细胞的真面目。他最后发现的结果令人意外:

这看上去不是细胞应该有的样子。高尔基当时没有意识到自己发现的其实是「神经元」(neuron)。

科学家后来认识到,几乎对于所有动物来说,神经元都是构成大脑和神经系统,以及它们内部的巨大沟通网络的核心单位。

但直到 1950 年代,科学家才进一步发现神经元之间进行交流的方法。

轴突(axon),即神经元上负责承载信息的细长突起,它的直径通常非常小——因为它实在太小了,所以科学家直到最近才能用它来做实验。在 1930 年代,英国动物学家 J·Z·扬(J. Z. Young)在偶然之下得到了一个颠覆传统认知的发现——乌贼拥有异常巨大的神经轴突,可用于实验。

几十年之后,科学家艾伦·霍奇金(Alan Hodgkin)和安德鲁·赫胥黎(Andrew Huxley)利用乌贼的巨大轴突,终于找出了神经元传递信息的方式——动作电位(action potential)。它的原理是这样的:

首先,神经元的种类有很多:

为了简单起见,我们在此只讨论一种简单常见的神经元——椎体细胞(pyramidal cell),你可以在运动皮质中找到它们。如果要画出一个神经元图示,我们可以先画一个小人:

然后给他多加几条腿和一些头发,把胳膊卸掉,最后再把他拉长——这样我们就画出了一个神经元。

然后我们再加几个神经元进来。

这里我就不打算解释动作电位的详细原理了,因为其中会涉及许多不必要又没意思的专业内容,这些东西你应该已经在初中生物课上了解过了。如果你想完整了解相关的只是,我建议你阅读可汗学院的这篇优质科普文。接下来,我们只会了解跟本文主题相关的一些基本概念。

现在,我们的神经元小人的尾巴——轴突——带有负极性的「静息电位」,也就是说当它静止时会稍微带负电荷。我们的神经元小人的头发(树突,dendrites)总是会被其他小人的脚碰到,尽管他可能不太情愿(其实并没有真正接触,两者之间还是存在 20 到 40 纳米的空隙)。

其他人的脚会将一种叫做神经递质(neurotransmitter)的化学物质掉在他的头发上,这种化学物质会穿过他的头部(细胞体,或称「soma」),根据化学物质的性质,他会稍微改变自己身体所带的电荷。虽然这会让我们的神经元小人有点不舒服,但这也不是什么大问题——除此之外什么都不会发生。(人们经常说的多巴胺和血清素都属于神经递质)

但是如果有足够多的化学物质碰到了他的头发,使他的电荷上升到某个值——即神经元的「阈电位](threshold potential),这时小人就会处于动作电位,也就是说他被电击了。

这是一种非此即彼的状态:我们的小人不是处于完全没有变化的状态,就是处于被完全电击的状态。他不会存在被部分电击或者过度电击的状态——要么完全没有受到电击,要么受到每次程度都一样的电击。

当出现这种情况的时候,一股电流会从他的身体(轴突)流向他的脚(轴突末梢,axon terminal),后者会因此碰到其他小人的头发(这个接触点叫做突触,synapse),在这个过程中,小人身体的电荷会从负电短暂转变为正电,然后迅速回到他正常的负电位状态。

当这个动作电位到达小人的脚时,轴突末梢会释放化学物质到它正在触碰的头发上,这样有可能会导致被触碰的小人受到电击,正如他之前所遭遇的情况。

这就是信息在神经系统中传递的方式——化学信息通过神经元间的细小间隙传导,并触发穿过神经元的电流信息——不过当身体需要快速传递某个信号时,神经元之间也可以通过电流来传递信息。

动作电位的传递速度为每秒 1 到 100 米之间。之所以会有这么大的变动范围,部分原因是神经系统中的另一种细胞——施旺细胞(Schwann cell)——它像是一位总觉得孙子穿不够的老奶奶,一直往轴突身上盖一层层厚厚的毯子——髓鞘(myelin sheath)。整个过程就像这样:

除了起到保护和绝缘的作用以外,髓鞘还是影响神经元信息传递速度的主要原因——当轴突被髓鞘包裹时,动作电位的传导速度会快很多:

多发性硬化(multiple sclerosis)是由于身体免疫系统失灵导致的一种疾病,这种失灵会破坏神经元的髓鞘,如下面的 GIF 所示,神经元在失去髓鞘后会严重影响身体内部传递信息的能力。电影《罗伦佐的油》(Lorenzo’s Oil)中的肾上腺白质退化症(ALD)也是由髓鞘受损引起的。

下面举个例子来说明髓鞘对信息传递速度的影响:比如当你的脚趾踢到什么的东西的时候,你会马上意识到自己刚才的动作,但是你可能要过一两秒的时间才会开始感受到脚趾隐隐作痛。

你立刻可以感到自己踢到东西和一阵剧痛,因为剧痛信息是通过经过髓鞘包裹的轴突传到大脑的,而你后来才开始感到隐隐作痛是因为这种痛感是通过没有髓鞘保护的「C类神经纤维」传递的,它的传递速度为每秒 1 米左右。

神经网络

在某种意义上,神经元跟电脑的晶体管很相似——它们都是用「1」(动作电位激活)和「0」(没有动作电位激活)的二进制语言传递信息。但是跟电脑晶体管不同的是,大脑的神经元会一直处于变化之中。

你肯定有过这样的经历,你学会了一种新技能,掌握得还不错,但是到了第二天你发现自己又不会了。你第一天之所以能学会这项技能,是因为在神经元之间传递信号的化学物质的数量或浓度发生了变化。

不断重复的行为会导致这些化学物质的改变,让你可以取得进步,但是到了第二天,之前调整过化学物质会回归到正常水平,你之前取得的进步也会随之消失。

但如果你接下来继续坚持练习,你最终会长久地掌握这项技能。在这个过程中,你其实在告诉大脑,「这不是一次性的工作」,然后大脑的神经网络便会做出可以长期持续的结构性调整。神经元会改变自己的形状和位置,强化或弱化不同的连接,根据需要学习的技能搭建一套固定的路径。

神经元能够在化学上、结构上、甚至是功能上改变自己,根据外部世界不断优化大脑的神经网络,这种现象就叫做神经可塑性(neuroplasticity)。

婴儿的大脑拥有最高的神经可塑性。婴儿出生后,他的大脑完全不知道自己以后会有什么样的人生:拥有一流剑术的中世纪勇士?擅长弹奏大键琴的十七世纪音乐家?还是既要记住并整理海量信息,又要管理复杂人际关系的现代学者?不管怎样,婴儿的大脑都已经准备好不断调整自己,可以应对未来任何形态的人生。

虽说婴儿拥有最强大的神经可塑性,不过这种能力将会伴随我们的一生,所以人类才能不断成长、改变和学习新知识,同时这也是我们可以养成新习惯、改变旧习惯的原因——习惯其实是大脑现有神经结构的反映。

如果你想改变自己的习惯,你就需要付出巨大的意志力来推翻大脑之前建立的神经路径,但如果你可以坚持足够长的时间,你的大脑最终会得到指示,改变之前的路径,新的行为习惯将不再需要意志力的支撑。大脑已经为新的习惯做出了相应的生理变化。

这个难以想象的巨大神经网络是由大脑内部的大约 1000 亿个神经元构成的——这个数量与银河系的恒星数量相仿,或者说是全球人口的十几倍。其中有 150 到 200 亿的神经元位于皮质,剩下的神经元都在大脑的低级部位(令人意外的是,小脑的神经元数量是皮质的三倍有余)。

现在我们再缩小一点,看看另一张大脑的截面图——不过这次不把大脑切成两个半球,而是从中间切开:

大脑的内部物质可以分为灰质(gray matter)和白质(white matter)两种。

灰质看起来的颜色要更深一些,由大脑神经元的细胞体、树突和轴突等东西组成。

白质的主要成分是负责在神经细胞体之间或身体其他部位传递信息的轴突。白质是白色的原因是这些轴突通常都会被髓鞘包裹,后者是一些白色的脂肪组织。

灰质主要存在于大脑的两个区域——我们上面提到的边缘系统和脑干部位的内部,以及跟硬币一样厚的大脑皮质。 而在这两者之间的大块白质主要由皮质神经元(cortical neuron)的轴突组成。

皮质就像是大脑的总指挥中心,它会通过存在于下方白质的大量轴突传达自己的指令。

下面是我见过最漂亮的关于灰质和白质的概念图解,由格雷格·A·邓恩(Greg. A. Dunn)博士和布莱恩·爱德华兹(Brian Edwards)博士制作。大家可以清晰看到外层的灰质和底下的白质之间的结构区别:

这些皮质轴突可能会将信息传递到皮质的其他部位、皮质下方的大脑部位,或者通过脊髓(神经系统的告诉功能)传递到身体的其他部位。

一位神经外科医生向我解释了为什么人在头部受到重击之后会昏迷。灰质和白质拥有不同的密度,所以当你的头部受到重击,或者出现严重脑震荡的时候,你的灰质和白质会以不同的加速度发生震荡,这样可能会导致皮质上的部分灰质嵌入白质,或者部分白质嵌入脑干中的灰质。

如果是后一种情况,你的皮质与脑干之间的沟通会被短暂切断。由于你的意识存在于脑干,所以这时你会陷入昏迷。上面两种情况都有可能导致部分轴突受到损伤。如果只是轻微的损伤,没有破坏轴突上的髓鞘,那么受伤的轴突会重新生长和恢复;但如果是特别严重的冲击就会破坏掉髓鞘,这样的话轴突就永远无法恢复了。

这也是为什么一记挥向下巴的上勾拳,或者后脑勺受到冲击会导致昏迷——因为这种冲击会导致大脑发生剧烈震荡;而额头或者两侧受到的冲击就不容易导致昏迷。

下面我们来看看完整的神经系统是长什么样的:

神经系统分为两个部分:中枢神经系统(你的大脑和脊髓)和周围神经系统(由从脊髓向身体其他部位发散的神经元组成)。

大多数的神经元都属于中间神经元(interneuron)——负责与其他神经元交流的神经元。你在思考的时候其实就是一大堆中间神经元在互相传话。中间神经元主要存在于大脑。

除此之外还有另外两种神经元:感觉神经元(sensory neuron)和运动神经元(motor neuron)——它们是通向脊髓和组成周围神经系统的神经元。这些神经元的长度可以达到 1 米。下面是各种神经元的典型形态。

大家还记得之前提到的两个条状结构吗?

这两个部位就是周围神经系统的源头。感觉神经元的轴突会从体觉皮质出发,经过大脑的白质,然后进入脊髓(它其实只是一大束轴突)。这些轴突会从脊髓延伸到身体的各个部位。你皮肤上的每一寸下面都布满了源自体觉皮质的神经。

顺便一提,我们所说的一条神经其实是一束束的轴突被捆在一起。下面是一条神经放大后的样子:

图中被紫色圈出来的部分就是一条神经的截面,里面的四个圆形就是无数被捆在一起的轴突。

(这里有一个更为生动的图示)

所以当有一只苍蝇停在你的手臂上时,你的身体会发生如下的情况:

苍蝇会碰到你的皮肤,并刺激了那里的感觉神经。这些神经里面的轴突末梢会受到激发,开始发出动作电位,将发现苍蝇的信号向大脑传递。

 

这些信号会经过脊髓,一直到达体觉皮质的神经细胞体。然后体觉皮质会拍拍运动皮质的肩膀,告诉它:「我们手臂上有一只苍蝇,你得想办法搞定它。」

 

这时运动皮质上专门负责手臂肌肉的神经细胞体就会开始发出动作电位,这个信号会重新经过脊髓传递到手臂的肌肉。接下来,相关神经元的轴突末梢会刺激你的手臂肌肉,让它们产生收缩,这样你的手臂就会摆动,那只烦人的苍蝇也被赶走了。

 

随后你的杏仁体意识到刚刚有只虫子在自己身上,它就会叫你的运动皮质让你尴尬地跳起来,而如果刚才在你身上的是一只蜘蛛,它还会叫你的声带发出一声尖叫,让周围的人一脸惊愕的看着你。

 

(作者注:在某些时候,比如你踩到钉子或摸到发烫的锅时,感觉轴突会直接向脊髓中的相应运动轴突发出信号,让它们立即将你的脚或手挪开。这种现象叫做「反射弧」)

所以现在看来我们其实已经比较了解大脑了,不是吗?但为什么之前那位教授的问题:「如果大脑总共包含的知识是一英里,我们已经在这个路程上走了多远?」,他给出的答案是「三英寸」呢?

好吧,其实是这样子的:

我们都知道电脑是怎么发邮件的,也明白互联网的大致概念,比如互联网有多少用户,主流的网站有哪些,还有未来的主要发展趋势等,但是那些中间的过程——也就是互联网的内部工作原理,就不是那么好懂了。

经济学家可以告诉你个体消费者的行为原理,也可以告诉你宏观经济学的主要概念,还有各种看不见的手是如何推动市场的——但是没有人能透彻地向你阐释一个经济体详细运作方式,或者准确预测下个月或明年的经济会怎样。

大脑有点类似这些东西。我们掌握了微观的细节——我们完全了解了神经传递信息的方法;我们也掌握了宏观的概念——我们知道大脑里面有多少个神经元,知道主要的脑叶和结构负责控制什么,也知道这个整体系统会消耗多少能量。但是在微观和宏观中间的东西——大脑各个部分究竟是怎么做到这些的?

是的,我们对此一无所知。

想知道我们到底有多么无知,你只要听听神经科学家是如何谈论大脑中我们最熟知的部分的。

以视觉皮质为例,我们已经很了解视觉皮质,因为我们很容易找到它与现实世界的联系。

研究科学家保罗·梅洛拉(Paul Merolla)向我这样描述道:

从解剖学的角度来看,视觉皮质拥有精美的功能和结构。它确实就是一张对应周围环境的地图,当某物体出现在你的视野中某个空间位置时,视觉皮质上代表这一空间位置的一小块区域就会被点亮。

 

当物体移动时,这个亮点也会随着物体的轨迹产生相应的移动,这几乎就像是把现实世界的直角坐标系套进了视觉皮质的极坐标系里面。如果你看到了现实世界中的某一个点,你可以从视网膜、丘脑,一路追踪到视觉皮质上这个点对应的位置。

到这里为止好像没什么问题,不过他还继续说道:

所以如果你想研究视觉皮质的某个部位,这种一一对应的特性确实会很方便,但是视觉对应的区域有很多,而且当你更进一步了解视觉皮质时,你会发现一些模糊不清的地方,之前对应关系也不管用了……

 

大脑中有很多类似的情况,视觉感知就是一个很好的例子。我们在观看周围环境的时候只会看到一个三维的实体世界——比如你看着一个杯子,你就能看见一个杯子——但是你的眼睛所接收到的其实只是一堆像素,这时你的视觉皮质上可能有 20 到 40 处不同的映射。比如「V1」是第一个映射区域,它负责追踪物体边缘和颜色之类的信息,还有其他区域负责处理更复杂的细节,所以你的大脑表面上会有各种各样类似的视觉呈现,这就是你能看见东西的原因。

 

这些信息会以某种方式整合成一条信息流,在经过某种方式的处理之后,你只会认为自己看到的是一个简单的物体。

运动皮质是我们熟知的另一个大脑区域,但是它在细节上的理解难度可能要比视觉皮质更高。因为虽然我们知道各个身体部位所对应的大致运动皮质区域,但是在这些区域上的单独神经元并没有像地图一样的对应关系,而且它们协同产生身体动作的特定机制也完全未知。

保罗·梅洛拉还说:

同样是命令手臂做出动作,每个人的大脑和手臂之间都有一套不尽相同的神经沟通机制——神经不会说话,不会对着手臂说「动一下」——这是一种特定的电流活动模式,而且每个人的模式都不太一样……

 

我们需要身体可以顺畅地理解「这样移动手臂」,或者「将手臂伸向目标」,或者「往左移动手臂、往上提、抓住、以某种力度抓住、以某种速度伸出去」这样的指令。

 

我们做动作的时候不会想这些东西——而是行云流水地把动作做出来了。所以每个人的大脑都有一套跟身体交流的独特暗号。

虽然大脑的神经可塑性让我们如此强大,但这也导致我们的大脑变得如此难以理解——因为每个大脑的工作方式都取决于它之前塑造自己的方式,取决于它所在的特定环境和人生经历。

再说,这些已经是我们最了解的大脑区域了。

一位专家惆怅地告诉我:

如果是一些更复杂的运算,比如语言、记忆和算术,我们真的不知道大脑是如何运作的。

例如,每个人对母亲的概念都会以不同的方式编码,并储存在大脑的不同部位,每个人都不一样。而且大脑额叶的内部——「你」真正存在的大脑部位——「根本找不到任何的对应关系」。

但是上面这些都不是让建造脑机接口如此困难,或者说如此令人望而却步的原因。脑机接口的难点在于它背后的工程难度是非常浩大的。正是需要实打实地与大脑打交道,才让脑机接口成为世界上最艰巨的工程难题之一。

现在我们已经掌握了大脑背景知识的树桩,接下来我们应该向上爬到第一个树枝。

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