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強烈推薦:可能是關於大腦工作原理最詳細的圖解

大腦是人身體最重要的、也是最神秘的器官。今天,我們就抓住人類的大腦不放,帶您深入這個旅行終點站,一覽其中的神奇之處。

準備好了嗎?那就讓我們鑽進大腦,在導遊的帶領下,用全新的視角,來真正搞懂它。這是一場對大腦的認知的飛躍,相信我。

大腦:可能是關於大腦工作原理最詳細的圖解

大腦看上去如此美麗可愛

但是真正的大腦非常不可愛,長得也難看,本文會涉及一些充斥著紅色血管的Google圖,請大家忍著點兒。

我們從外往裡看吧。生物學有時似乎非常讓人滿意,比如你的頭上有一個真正的俄羅斯套娃。

從上到下依次為:皮膚皮下組織帽狀腱膜和枕額肌蜂巢組織顱骨膜顱骨

你有頭髮,然後是頭皮,你認為下面就是你的頭骨了——但實際上頭骨之上還有19樣東西。

你的頭骨下面,又是一大堆東西,之後才是你的大腦:

硬腦膜蛛網膜蛛網膜小梁軟腦膜膠質界膜血管血管周圍間隙

在你的頭骨下面,大腦周圍有三個膜,將大腦環繞:

在外面,有硬腦膜,堅固耐用,防水。硬腦膜與顱骨齊平。我聽到有人說,大腦中沒有疼痛感覺區,但硬腦膜實際上能感覺疼痛,且和你的面部肌膚一樣敏感,硬膜上的壓力或挫傷往往造成了人們嚴重的頭痛。

然後下面是蛛網膜,這是一層皮膚,然後是帶有彈性的纖維的開放空間。我一直以為我的大腦只是漫無目的地漂在我大腦中的某種液體里,但實際上,腦外和顱骨內壁之間的唯一真正的空間差距是這個蛛網膜。這些纖維穩定了大腦的位置,因此不能動作太大,他們充當減震器,當你的頭撞到東西。這個區域充滿了脊髓液。

最後,是軟腦膜,和腦外融合的很精巧的皮膚層。你知道,當你看到一個大腦,它總是覆蓋著噁心的血管。但這些並不是真正在大腦的表面上,它們埋設在裡面。

下面是完整的樣子,使用的樣品可能是豬的大腦:

從左到右是皮膚(粉紅色),然後是兩個頭皮層,然後是頭骨,然後是硬腦膜,蛛網膜,最右邊是只由軟腦膜覆蓋的大腦。

一旦我們把其他部分都剝離下來,我們留下了這個傻孩子:

這個荒謬的東西是宇宙中最複雜的已知物體,重約三磅,神經工程師蒂姆·漢森(Tim Hanson)稱之為「最具信息密度、結構化、自組織化的物質之一」。所有這一切只有20瓦的功率(類似計算機的功率為2400萬瓦特)。

這也是麻省理工學院教授Polina Anikeeva所說的「你可以用勺子舀出的軟布丁」。大腦外科醫生Ben Rapoport將它更科學地描述為「布丁和果凍之間的某種形態」。他解釋說,如果你將大腦放在桌子上,重力會使它失去形狀,變得很平坦,像一個水母。

但這就是我們。你看著鏡子,看看你的身體和你的臉,你認為這是你——但這只是你的機器。你實際上是一個貪玩的果凍。我希望你不介意。

Krishna Shenoy教授將我們對大腦的認識與十五世紀初的世界地圖做比較。

另一位教授Jeff Lichtman甚至更加苛刻。他在課程開始問他的學生:「如果你需要知道的關於大腦的一切是一英里,我們走了幾英里?」他說,學生們給出了四分之三英里、二分之一英里或是四分之一英里的答案,但他認為真正的答案是「大約三英寸」。

第三個教授,神經科學家Moran Cerf,跟我分享了一個神經科學中由來已久的說法,指出試圖理解大腦有點22條軍規的感覺:「如果人類的大腦這麼簡單,能夠讓我們理解,那我們將會因為如此簡單,而不能理解大腦。」

也許,在我們正在建設的偉大的知識塔的幫助下,我們可以在某個時候理解大腦。現在,讓我們看看我們對頭腦裡面的這隻水母目前有哪些了解。

大腦,縮小看看

讓我們使用半球橫截面看看大腦的主要部分。因此,這是你腦袋裡大腦的樣子:

現在,讓我們把大腦取出來,並刪除左半球,這讓我們能看清楚內部。

神經學家 Paul MacLean做了一個簡單的示意圖,說明我們前面談到的爬行動物大腦在進化中的第一次出現,然後是在哺乳動物興盛階段形成的古生哺乳動物腦和新哺乳動物腦。

新哺乳動物腦古哺乳動物腦(邊緣系統)爬行動物腦

也可以這麼表示:

讓我們來看看每個部分:

腦幹及小腦(The Brain Stem and Cerebellum)

這是我們的大腦最古老的部分:

中腦腦橋延髓小腦

我們的大腦橫截面中青蛙大腦的殘留。事實上,青蛙的整個大腦與我們大腦的低水平部分相似。

當你了解這些部分的功能,它們很古老這件事就說得通了:一切這些部分能做的事情,青蛙和蜥蜴都可以做。以下是主要部分:

延髓(The medulla oblongata)

延髓真的只是讓你不會死。它控制非自主的事情,比如你的心臟速率、呼吸和血壓。當它認為你中毒了,就會讓你嘔吐。

腦橋(The pons)

腦橋的工作是,做點這個,做點那個。它涉及吞咽,膀胱控制,面部表情,咀嚼,唾液,眼淚等等。

中腦(The midbrain)

中腦與視覺,聽覺,動作控制,警覺性,體溫控制有關,還有一堆其他的事情。大腦被分為了前腦、中腦和後腦。

有一件我要感謝腦橋和中腦的事是,它控制你的眼球自主運動,如果現在你在轉眼球,就是你的腦橋和中腦在搞事情。

小腦(The cerebellum)

這個看起來像你大腦陰囊的東西是你的小腦,它使人保持平衡、協調和正常移動。

邊緣系統(The limbic System)

大腦的邊緣系統在腦幹上,就是它讓人類如此瘋狂。

丘腦海馬體下丘腦杏仁體腦垂體

邊緣系統是一種生存系統。如果你在做你的狗也會做的事情,比如吃,喝,交配,戰鬥,躲避等等,可能就是你的大腦邊緣系統在駕馭你。無論你喜歡與否,你做的那些事情,就是處在原始的生存模式。

邊緣系統也是你的情感所在,最終,情緒也都是為了生存——情感是更高級的生存機制,對於處在一個複雜的社會結構中的動物是必須的。每當你發生思想鬥爭時,你的邊緣系統很可能會讓你做出你會後悔的事情。

我敢肯定,控制你的大腦邊緣系統,既意味著成熟,也是一種人性的掙扎。這並不是說沒有邊緣系統,我們會過得更好。邊緣系統在讓我們人類如此獨特中起到了一半的作用。生活的大部分樂趣來源於你的情緒和需要得到滿足。只是你的邊緣系統不知道你活在社會文明中,如果你讓它做主太多,它很快就會毀了你的生活。

無論如何,讓我們再仔細看看。邊緣系統有很多小部分。

杏仁核(The amygdala)

杏仁核有點兒像是大腦結構的情感遺骸。它涉及焦慮,悲傷,以及我們的恐懼反應。有兩個杏仁核,奇怪的是,左邊的已被證明更平衡,有時會產生一些幸福的感覺,而右邊的永遠心情不好。

海馬體(The hippocampus)

你的海馬體就像記憶的一塊板子。當老鼠開始記憶迷宮的方向,記憶在海馬體上編碼。大鼠的兩個海馬體的不同部分將在迷宮的不同部分起作用,因為迷宮的每個部分被存儲在自己的海馬體部分。但是,如果學習一個迷宮後,大鼠被給予其他任務,一年後,被帶回原來的迷宮,就會很難回憶起它,因為海馬體記憶板上的大多記憶已經被抹去,釋放給新的記憶。

丘腦(The thalamus)

在大腦的中心位置,丘腦也作為中間人,從你的感官接收信息,並將其發送到你的皮質處理感官。當你睡覺時,丘腦也一起上床,這意味著感官中間人下班了。這就是為什麼在沉睡中,一些聲音或輕輕的觸摸往往不會讓你起來。如果你想喚醒深度睡眠的某人,你必須展示出足夠的侵略性來喚醒他們的丘腦。

唯一的例外是你的嗅覺,這是繞過丘腦的一個感覺。這就是為什麼嗅鹽可以用來喚醒一個暈倒的人。不像其他的感官,嗅覺位於邊緣系統,這就是為什麼氣味和記憶與情感如此緊密地聯繫在一起。

皮層(Cortex)

最後,我們到達了大腦皮層。

大腦皮層(本文主要指新皮層,文中統稱皮層)基本上負責所有事情:看,聽,觸覺,語言,動作,思維,規劃和個性。

它分為四葉(lobe):

前葉頂葉顳葉枕葉

想要說清楚它們各自負責什麼是不會令人滿意的,因為它們每個都負責許多事情,互相之間又多有重疊,但是簡化起來可以這樣說:

前葉負責你的個性,以及很多我們認為是「思考」的事情——推理、計劃和執行功能。特別地,你的思考中有很多就發生在前葉的前部被稱為前額葉皮質的地方——你腦子裡的成年人。前額葉皮質就是你的一生中那些心理鬥爭中的另一個角色。它是努力讓你做好你的工作的那個理性的決策者,是努力讓你不要擔心別人怎麼想、只要做好你自己的那個可靠的聲音,是希望你不要為瑣事而焦急的那個高人。

如果這還不夠讓人擔心,那麼前葉還掌管你的身體的運動。前葉上部的一條帶子是你的初級運動皮質。

在其他的功能中,頂葉控制的是你的觸覺,尤其是初級軀體感覺皮層——一條緊鄰初級運動皮層的帶子。

運動和軀體感覺皮層緊緊相鄰,而且它們很有趣,因為它們可以被很好地映射。神經科學家準確地知道每條帶子的一個部分與身體的哪一個部分相連,這把我們帶到了本帖中最驚悚的一張圖片:人造人。

生殖器腳趾腳腿臀軀幹頸頭肩臂肘前臂腕手小指無名指中指食指拇指眼鼻臉上唇唇下唇牙牙齦舌腹腔內咽

生殖器腳趾腳踝膝臀軀幹肩肘腕手小指無名指中指食指拇指頸眉眼皮和眼球臉唇頜舌吞咽

這個人造人,由神經外科醫生的先驅維爾德·潘菲爾德製造,在視覺上展示了運動和軀體感覺皮層是怎樣被映射的。示意圖中身體部分的圖片越大,大腦皮層中與運動或觸覺的專門聯繫就越多。與此相關有幾件好玩的事情:

第一,令人驚異的是,你的大腦與臉和手相連的運動和感覺聯繫要多於身體其他部分之和。這也不是說不通——你需要做出極為細微的面部表情,你的雙手也需要極為靈活,而你身體的其他部分——肩膀、膝蓋、後背——的運動和感覺可以粗糙得多。這就是為什麼人們可以用手指來演奏鋼琴,用腳趾就不行。

第二,有意思的是,兩個皮層與身體間的專門聯繫十分相似。我覺得這也能說得通,但是我從沒真正地想到過,那些你需要控制大量運動的身體部分,往往也需要最敏銳的觸覺。

最後,我遇到了這個貨,從那之後就一直生活在一起——現在你也得這麼幹了。一個3D人造人。

來,繼續——

顳葉是你的很多記憶居住的地方,並且它就在你耳朵的旁邊,所以它也是你的聽覺皮質的所在。

最後,在你腦袋後部是你的枕葉,它差不多都與你的視覺相關。

有很長一段時間,我以為這幾個主要的腦葉就是大腦的組塊——就像是整個3D結構的幾個部分。但是實際上,大腦皮層只是大腦外層的兩毫米——也就是一個鎳幣那麼厚——在那下面的肉質大部分只是線路。

為什麼大腦是一個皺紋這麼多的藍盒子

正如我們已經談過的,我們大腦的進化靠的是向外構建,在已有的模型的上面添加更新穎的、更精緻的特徵。但是向外構建也有極限,因為人類要通過陰道才能來到世界上,這就為我們的腦袋的大小扣了個帽子。

因此,進化想出了新方法。由於大腦皮層很薄,其規模隨著表面積增加而改變——這就意味著通過製造出許多褶皺(包括在兩個半球之間兩側的向內褶皺),你可以把大腦的表面積增加到原來的三倍多,而不用增加太多體積。當大腦最初在子宮中發育時,它是光滑的——褶皺大部分都是在孕期的最後兩個月里形成的。

25天35天40天50天100天5個月6個月7個月8個月9個月

褶皺的形成在這裡有很好的解釋。

如果你能把大腦皮層取走,你會得到一張2毫米厚、面積有2000到2400cm2的薄片——規格大約是48cm x48cm見方。一張餐巾紙。

這張餐巾紙就是你的大多數大腦活動發生地方——這就是為什麼你能思考、運動、感覺、看見、聽見、記憶和說出並理解一門語言。真是史上最好的餐巾紙。

還記得之前我說過你就是一個果凍球嗎?當你想到你自己時,你想到的你——那實際上主要是你的大腦皮層。那意味著你實際上就是一張餐巾紙。

當我們把另一個大腦放在被剝下來的大腦皮層上時,用褶皺來增加餐巾紙表面積的魔法就看得很清楚了:

與大腦的規模相比較的大腦皮層面積

展開的大腦皮層

因此,儘管並不是很完美,但是當談到大腦時,現代科學已經在宏觀上有了不錯的理解。微觀上,我們的理解也不錯。我們來一起看看。

大腦,放大

就算我們很早之前就已經明白,我們的智力「坐」在大腦里,科學家們直到最近才搞清楚大腦是由什麼構成的。科學家們早就知道身體由細胞構成,但是直到19世紀末,義大利生理學家卡米洛·高爾基才搞清楚如何利用染色法觀察腦細胞到底長什麼樣子。結果出人意料:

細胞不應該是這個樣子。高爾基發現了神經元。

科學家很快就明白,神經元,就是構成幾乎所有動物的大腦和和神經系統的龐大通信網路的核心單位。

但是,直到20世紀50年代,科學家們才弄清楚神經元是怎樣互相通信的。

軸突是長長的一股攜帶著信息的神經元,其直徑通常極為微小——小到最近科學家才能在上面做實驗。但是在20世紀30年代,英國動物學家J·Z·楊發現隨便一隻魷魚就能改變我們所了解的一切,因為魷魚的身體中有一條異常巨大的、可以在上面做實驗的軸突。幾十年之後,利用魷魚的巨大軸突,科學家阿蘭·霍奇金和安德魯·赫胥黎終於搞清楚神經元傳遞信息的方式:動作電位。它是這樣工作的:

首先,有很多種不同的神經元:

丘腦核團細胞紡錘形細胞粒細胞錐體細胞雙錐體細胞橄欖核神經元卵形細胞浦肯亞細胞三叉神經束核大細胞小膠質細胞豆狀核殼核神經元小網狀結構蒼白球細胞大網狀結構

簡單起見,我們來看一看一種簡單的、被說爛了的神經元——錐體細胞,你可以在你的運動皮層里找到它。畫一個神經元的示意圖,可以先畫一個人:

然後只要給他加上幾條腿、一些頭髮,把胳膊去掉,再拉長一點——就是一個神經元了。

樹突(可能有幾百根,而且按照本圖的比例,它們可能有好幾米長)

軸突(按照本圖的比例,這個可能實際上要有一公里長)

胞體(神經元的身體,細胞核就在這裡)

軸突末梢(可能有好幾百個)

然後我們再畫幾個神經元。

突觸

我不想馬上就完整、詳細地解釋動作電位是怎樣工作的——這涉及到許多沒必要也很無聊的專業內容,9年級的生物課上早就學過了——我想把可汗學院的說明性文章鏈接給想知道整個故事的人。我們來仔細看看跟我們的目標相關的一些基本概念。

我們的小人的軀幹——即神經元的軸突——有一個負的「靜止電位」,也就是說,當它靜止時,其電荷顯弱負性。無論何時,一大群人的腳總是在觸碰小人的頭髮——即神經元的樹突——不管他願意不願意。他們的腳把一些化學物質滴到他的頭髮上——即神經遞質——它會穿過他的頭(細胞的身體,或者叫做胞體),然後依據這種化學物質,稍微提升或降低他身體中的電荷。這對於我們的神經元男孩來說有點不太舒服,但也不是什麼大問題——然後就沒什麼別的事情了。

神經遞質

但是如果有足夠的化學物質碰到他的頭髮,使他的電荷提升到一定水平之上——即神經元的「閾值電位」——那麼就會引發動作電位,然後小人就觸電了。

動作電位

這種情況只有兩個值——要麼小人身上什麼都沒發生,要麼他就結結實實地觸了電。他不可能有一點兒觸電,也不可能觸過了頭——他要麼就根本沒觸電,要麼就每次觸電的程度都完全一樣。

一旦觸電發生,一個電脈衝(他身體中的常規電荷會短暫地從負電轉為正電,然後迅速地恢復為常規的負電)就會沿著他的身體(軸突)快速移動到他的腳上——即神經元的軸突末梢——它們又會去觸碰許多別人的頭髮(接觸的位置成為突觸)。當動作電位到達他的腳上時,它會使他的腳把一些化學物質釋放到它們觸碰的人的頭髮上,這可能會也可能不會引起別人的觸電,就像他自己經歷過的一樣。

這就是信息通過神經系統而移動的一般方式——在神經元之間的微小間隙中傳遞的化學信號引發電信號通過神經元——但是有時候,當身體需要特比特別快速地傳遞一個信號的時候,神經元向神經元的連接可以自己通電。

動作電位的移動速度在每秒1到100米之間。這個區間這麼大,部分是因為神經系統中其他種類的細胞——許旺細胞——就像一位超愛照顧人的老奶奶,總是把一些種類的軸突包裹在好幾層脂肪層里,這種脂肪層叫做髓鞘。就像這樣(需要一秒鐘才能開始):

周圍軸突上髓鞘的形成

除了有保護和絕緣的好處之外,髓鞘也是影響通信速度的一個主要因素——當軸突上覆蓋了髓鞘時,動作電位會移動得快得多。

有一個很好的例子來展示髓鞘導致的速度差異:當你腳底下絆了一跤,還沒感覺到疼的時候,你知不知道你的身體是怎樣給你一秒鐘的思考時間來讓你想想你剛剛做了什麼,你又將會感覺到什麼?實際上,你同時感覺到了你腳底下絆到了東西和刺痛,因為刺痛信號是通過覆蓋了髓鞘的軸突傳遞到大腦的。要花一兩秒才能感到鈍痛,因為鈍痛是通過沒有覆蓋髓鞘的「C纖維」傳導的,速度僅有約每秒1米。

神經網路

神經在一點上很像計算機晶體管——它們都用二進位語言傳遞1(發放動作電位)和0(不發放動作電位)的信息。但是與計算機晶體管不同的是,大腦里的神經無時無刻不在變化。

你知道為什麼有時你學了一項新技能而且你幹得還挺不錯,然而第二天你又試了一下發現你還是不行?那是因為你前一天之所以幹得不錯,是因為你調節了或者集中了在神經之間傳導信號的化學物質的量。不停的重複會調節化學物質,這能幫你做得更好,但是第二天化學物質恢復到了常規水平,你的水平也跟著回去了。

但是如果你堅持練習,你就會持久地擅長某件事情。這是因為,你已經告訴了你的大腦「這可不是什麼一次性的事情」,然後大腦的神經網路就回應以製造持久的結構性變化。神經改變了形狀和位置,並加強或減弱各種各樣的連接,這樣就建立了一個知道如何完成這項技能的路徑的硬線集。

神經擁有改變其化學、結構甚至功能的能力,這使你的大腦的神經網路可以充分優化自身以適應外部世界——這種現象稱為神經可塑性。嬰兒的大腦是最具有神經可塑性的。當嬰兒出生時,他的大腦根本不知道他需要適應的人生是屬於一位需要專精劍術的中世紀武士,還是屬於一位需要精細的肌肉記憶以演奏大鍵琴的17世紀音樂家,亦或是一位需要存儲和管理海量信息並精通複雜的社會結構的現代知識分子——但是嬰兒的大腦已經準備好改變它自己的形狀,以面對它已準備好去面對的任何一種人生。

嬰兒是神經可塑性的超級明星,但是我們一輩子都擁有神經可塑性,這就是為什麼人類可以成長、改變並學習新東西。並且這也是為什麼我們能夠形成新的習慣,打破舊的習慣——你的習慣反映了你大腦中現存的迴路。如果你想改變你的習慣,你需要用意志力來凌駕你大腦中的神經路徑,但是如果你堅持的時間足夠長,你的大腦最終會領會你的意思然後改變那些路徑,然後新的表現就不再需要意志力了。你的大腦會在生理上改變形狀,形成新的習慣。

總之,大腦中有大約1000億個神經元,它們構成了這個不可思議的巨型網路——這個數字相當於銀河中恆星的數量,比世界人口的十倍還多。大約150—200億個神經元存在於大腦皮層,其餘的都在大腦的髓質。(令人驚奇的是,隨便一個小腦擁有的神經元數量都比大腦皮層的三倍還多)。

讓我們把鏡頭縮小回來,看看大腦的另一個橫截面——這一次不再從前往後切來看一個腦半球,而是從左往右切:

大腦物質可以分成所謂的灰質和白質。灰質顏色上看起來更暗,由腦神經元的細胞體、樹突叢和軸突構成——還有許多其他物質。白質主要是線路——那些攜帶著信息從一些胞體傳送到另一些胞體或者到身體中的目的地軸突。白質是白的,是因為那些軸突通常都覆蓋著像白色脂肪組織的髓鞘。

大腦中的灰質有兩個主要區域——包括了邊緣系統和我們上文討論過的腦幹的內部集群,和包裹在外部的有一鎳幣厚的皮層。居於其中的大塊白質主要由皮層神經元的軸突構成。皮層就像是一個指揮中心,它通過它下面的由大量軸突構成的白質來發號施令。

我所遇到的闡釋這一概念的最棒的插圖是由格雷格·A·唐恩博士和布里安·愛德華博士所做的一套藝術地再現了大腦結構的精美圖集。

那些皮層神經元可能正把信息帶向皮層中的另一處,帶向大腦中較低的一部分,或者正通過脊髓——神經系統的高速公路——去向身體的其他部分。

我們來看看整個神經系統:

大腦脊髓中樞神經系統神經節神經藍色=周圍神經系統

神經系統分為兩部分:中樞神經系統——你的大腦和脊髓——和周圍神經系統——由從脊髓放射到身體其他部分的神經元構成。

大多數神經元都是中間神經元——那些與其他神經元通信的神經元。當你思考時,大量的中間神經元正在互相討論。大腦包含的主要是中間神經元。

其他兩種神經元是感覺神經元和運動神經元——它們通向你的脊髓,構成了周圍神經系統。這些神經元最長可達一米。每個類型的典型結構如下:

(a)多級中間神經元樹突細胞體軸突軸突軸突末梢

(b)運動神經元樹突細胞體軸突丘軸突郎氏結髓鞘神經-肌肉突觸肌肉軸突末梢

(c)感覺神經元感受細胞周圍神經支軸突細胞體軸突中樞神經支

還記得我們的兩條帶子?

運動皮層軀體感覺皮層

這兩條帶子就是你的周圍神經系統的源頭。感覺神經元從你的軀體感覺皮層出發,穿過大腦白質,通向脊髓(它只是一大捆軸突)。從脊髓出發,它們通向你全身各處。你的每一寸皮膚都連接著從軀體感覺皮層出發的神經。順便說一下,一條神經,就是用一小段線包起來的幾束軸突。這是一張神經的示意圖:

神經纖維束神經外膜神經動脈脂肪細胞靜脈

神經就是用紫色圈出來的部分,其中四個大圈就是捆起來的許多軸突(這裡是一張有幫助的卡通畫)。

如果一隻蒼蠅落在了你的胳膊上,就會發生下面的事:

蒼蠅碰到了你的皮膚,刺激了一束感覺神經元。神經中的軸突末梢產生微小的痙攣並開始發放動作電位,向大腦發送信號來告發這隻蒼蠅。信號傳遞到了脊髓併到達軀體感覺皮層中的胞體。軀體感覺皮層輕輕敲了敲運動皮層的肩膀,告訴他「你胳膊上有一隻蒼蠅,你得收拾收拾他(懶)」。你的運動皮層中那些連接著你胳膊上的肌肉的胞體接著開始發放動作電位,把信號傳遞迴脊髓,接著傳到胳膊上的肌肉。這些神經元末端的軸突末梢刺激了你的臂肌,臂肌收縮以揮動手臂來趕跑蒼蠅(此時這隻蒼蠅已經在你的胳膊上吐了),然後蒼蠅(它的神經系統也來了這麼一大圈)飛走了。

然後你的杏仁體檢查了一下,發現有個問題,然後它叫你的運動皮層尷尬地跳起來。要是那不是一隻蒼蠅而是一隻蜘蛛,它也會叫你的聲帶不由自主地大叫起來,丟盡你的臉面。

那麼,現在看起來我們好像真的有點理解大腦了,是吧?但是,為什麼那位教授提了那樣一個問題——如果你需要知道的所有關於大腦的事情有一英里長,那我們已經走了多遠?——然後說答案是3英寸?

答案就在這裡。

你是否知道,我們完全了解單獨一台電腦是怎樣發電子郵件的,我們也完全理解互聯網的一些寬泛的概念,例如網上有多少人、哪些是最大的網站、有哪些主要的趨勢——但是所有中間的事情——互聯網的內部運行——人們依然搞不清楚?

你是否知道,經濟學家能告訴你單獨一個消費者發揮了什麼作用,他們也能告訴你宏觀經濟學的主要概念和正在起作用的最重要的力量是什麼——但是沒人能告訴你經濟運行的所有細節,或者預測經濟在下一個月或下一年裡會發生什麼事?

大腦就像這些東西。我們有微觀的認識——我們完全知道神經元發射信號的方法。我們也有宏觀的認識——我們知道大腦里有多少神經元,知道主要的腦葉和結構控制了什麼,也知道整個系統消耗多少能量。但是那些中間的事情——那些關於大腦各部分的實際運行情況的中間的事情?是的,我們還沒有看到。

想要知道我們到底有多困惑,就要去聽一位神經學家講講我們理解得最好的那些大腦的部分。

例如視覺皮層。我們對視覺皮層理解得很好,是因為很容易為它畫一張圖。

科學家保羅·梅羅拉對我說:

視覺皮層擁有很好的解剖學功能和結構。當你觀察它,你真的像是看到了一幅世界地圖。因此,當你的視野中的某個東西存在於空間中的某一特定區域,你將會在皮層中看到一小塊色斑,它代表著那個空間中的區域,並會亮起來。並且隨著那個物體的移動,相鄰的細胞會描繪出一幅地形圖。這就像是把真實世界的直角坐標映射到視覺皮層中的極坐標一樣。而且你真的可以從你的視網膜,經過你的丘腦,追蹤到你的視覺皮層,然後你就會看到從空間中的一點到視覺皮層中的一點的真實映射。

到目前為止,沒有什麼問題。但是他接著說道:

因此,如果你想要與視覺皮層的特定部分發生互動,這種映射確實很有用。但是,視覺區域有很多,隨著你越來越深入到視覺皮層的內部,事情就變得有些模糊,然後這幅地形圖開始崩潰。……大腦里儘是這種事情,視覺只是一個突出的例子。我們觀察世界,然後那裡就是這樣一個3D的物理世界——就像你觀察一個杯子,你只看到一個杯子——但是你的眼睛看到的實際上只是一堆像素。當你觀察視覺皮層時,你會看到那裡有差不多20-40種不同的地圖。V1是第一個區域,那裡它以那種方式追蹤很小的邊緣和顏色等等。還有別的區域在觀察更為複雜的對象,在你的大腦表層中你能看到有如此多種不同的視覺表現。而且所有那些信息都以某種方式在這個信息流中捆綁在一起,那種編碼方式使你以為你只是在看一個簡單物體而已。

還有運動皮層,大腦中另一個我們理解得最好的部分,可能在粒度級別上比視覺皮層更難理解。因為儘管知道在運動皮層中哪些寬泛的區域對應著身體的哪些部分,可是在運動皮層的這些區域里還沒有在局部解剖中確定個體神經元,而且它們共同引發身體運動特定方式還完全不清楚。保羅又說到:

大腦中手臂運動部分的神經震顫有點不同——並非像是神經會講英語然後說「動起來」——它是一種電活動的模式,在每個人那裡都有一點不一樣。……你想要能夠無縫地理解那意味著「胳膊往這邊動一動」、「把胳膊往目標那邊動一下」、「把胳膊往左動動,抬起來,抓,用一定的力氣抓,用一定的速度伸出去」,等等。我們運動的時候是不考慮這些的——它就這樣無縫地發生了。因此每個大腦都有一套獨特的代碼,用它來對胳膊和手上的肌肉說話。

神經可塑性不僅使我們的大腦十分有用,也使它難以置信地不可理解——因為每個大腦的運行方式都基於大腦如何塑造了它自己的形狀,基於它獨特的環境的人生經歷。

那些我們理解得最好的大腦的部分,「當談到一些更為複雜的計算過程,如語言、記憶、數學」,一位專家再次對我說,「我們真的不知道大腦是怎樣工作的。」他不無嘆惋地說到,舉個例子,對每一個人來說,母親的概念都以不同的方式編碼,都在大腦中的不同部分。在前額葉——你知道,大腦的那個部分是你真正生存的地方——「根本就沒什麼地形圖」。

但是無論如何,這根本不是建立有效的腦機介面為什麼如此困難、或如此令人畏懼的原因。使BMI如此困難的原因在於,工程方面的挑戰是極為嚴峻的。與大腦在身體上的協作,使BMI成為了世界上最為困難的工程事業之一。

既然我們的大腦背景的樹榦已經建立起來,我們已經準備好向第一根樹枝進發。

本文摘錄自:

責任編輯: 王和   來源:新浪愛問醫生 轉載請註明作者、出處並保持完整。

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