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出品：科普中國

制作：周盈盈（中國科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心）

監(jiān)制：中國科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心

我們經(jīng)常會(huì)被問：“你心里到底在想些什么呢？”

如果人體器官能說話，那么聽到這個(gè)問題，心臟可能會(huì)說：“什么？？我根本就沒有‘想’這個(gè)功能好嘛！”

而大腦則可能會(huì)感覺更委屈：“為什么問心在想些什么？明明是我??！是我一直在‘想’！”

圖片來源：veer圖庫

大腦實(shí)實(shí)在在承載著“想”這件事。

因?yàn)椤跋搿保竽X這個(gè)僅占人體體重2%的器官，卻要消耗全身耗氧量的20%，及全身ATP（能量）的17%，因此被譽(yù)為人體的“CPU”。

它有著最復(fù)雜的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，也是世界上已知的擁有最強(qiáng)計(jì)算能力的“存在”。

2016年3日15日，著名圍棋棋手李世石對(duì)戰(zhàn)谷歌AlphaGo，盡管最終以1:4的成績輸給了AlphaGo，但是比賽時(shí)“阿爾法狗”要耗掉1202個(gè)CPU、176個(gè)GPU和100多名科學(xué)家的算力，而李世石只需要他的大腦和一杯咖啡。

你一定很好奇，大腦是如何實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)算和信息傳遞的？

它有什么樣的神奇之處？

在這個(gè)互相纏繞的網(wǎng)絡(luò)中，神經(jīng)細(xì)胞訴說著無盡的“秘密”（圖片來源：veer圖庫）

大腦“地圖”長啥樣？

我們的大腦由140億個(gè)神經(jīng)元組成，它們就像奔騰的大海，一天24小時(shí)，永遠(yuǎn)不停地為我們工作著，不同的腦區(qū)高度有序，各司其職，精細(xì)調(diào)控著我們的身體。

在人腦的結(jié)構(gòu)中，大腦皮層是整個(gè)中樞神經(jīng)系統(tǒng)的最高級(jí)中樞，大腦皮層的高度進(jìn)化也是哺乳動(dòng)物進(jìn)化的標(biāo)志。

大腦皮層的主要結(jié)構(gòu)與功能（圖片來源：維基百科-大腦皮層，作者改編）

而我們常說的大腦，通常是指大腦皮層及皮層下的一些重要結(jié)構(gòu)，如扣帶回、基底神經(jīng)節(jié)、邊緣系統(tǒng)、腹側(cè)被蓋區(qū)等。

如圖所示，人腦除大腦外，還包括胼胝體，間腦，腦橋，小腦，脊髓等結(jié)構(gòu)，它們共同構(gòu)成了我們的中樞神經(jīng)系統(tǒng)。

人腦主要的結(jié)構(gòu)與功能（圖片來源：《神經(jīng)生物學(xué)原理》，作者改編）

你記不記得電視劇里時(shí)常上演的“吞槍自殺”場景？其實(shí)，槍在喉嚨中正對(duì)著的就是腦干的延髓部分，而延髓又是調(diào)控我們呼吸、心跳和消化的重要腦區(qū)，一旦延髓被破壞，人就會(huì)立即喪失生命。

因此，當(dāng)遇到危險(xiǎn)時(shí)，一定要保護(hù)好我們的后腦勺！

而在事故中，如果損傷到了脊髓，大腦和身體連接的通路就斷了，此時(shí)大腦既接收不到身體的感覺信息，發(fā)出的運(yùn)動(dòng)指令也無法到達(dá)軀體，就會(huì)導(dǎo)致半身癱瘓。因此，在發(fā)生車禍或意外跌落的現(xiàn)場，切忌隨意翻動(dòng)傷員，以免加重其脊髓損傷，造成不可逆的后果。

聰明的腦是怎樣傳遞信號(hào)指揮身體的？

神經(jīng)元是大腦活動(dòng)的最基本的單元，約占神經(jīng)細(xì)胞的1/10。神經(jīng)元能傳遞外界的感覺信號(hào)、發(fā)出運(yùn)動(dòng)命令，像一位執(zhí)行總指揮似的。

除神經(jīng)元外，大腦還具有膠質(zhì)細(xì)胞，它則支持著神經(jīng)元及其環(huán)繞神經(jīng)的其他組織。膠質(zhì)細(xì)胞占神經(jīng)細(xì)胞的9/10，像是警衛(wèi)員一般，履行著讓大腦行動(dòng)有序、高效運(yùn)轉(zhuǎn)的責(zé)任。

神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞保護(hù)，供養(yǎng)和支持神經(jīng)元（圖片來源：www.visiblebody.com）

其次，神經(jīng)元獨(dú)特的形狀和結(jié)構(gòu)幫助神經(jīng)系統(tǒng)信號(hào)實(shí)現(xiàn)快速傳遞。神經(jīng)元胞體有許多樹突，它們就像是“天線”一樣，在接收到信號(hào)后，引起神經(jīng)元興奮，將信號(hào)通過軸突傳遞給下一個(gè)神經(jīng)元。

神經(jīng)元的基本結(jié)構(gòu)（圖片來源：www.visiblebody.com）

如果該信號(hào)是運(yùn)動(dòng)信號(hào)，當(dāng)該信號(hào)傳遞到大腦的運(yùn)動(dòng)皮層時(shí)，運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元就會(huì)發(fā)出運(yùn)動(dòng)指令，通過皮層-皮層下運(yùn)動(dòng)環(huán)路調(diào)控后將信號(hào)傳遞給腦干，并到達(dá)軀體的各個(gè)部位，精確地控制我們每一個(gè)行為。

皮層-皮層下的運(yùn)動(dòng)環(huán)路，Cortex 皮層；Basal ganglia:基底神經(jīng)節(jié)；Brain stem/Spinal cord 腦干/脊髓；Cerebellum 小腦；Thalamus 丘腦 (圖片來源：Movement Disorders. 2019 Aug;34(8):1130-1143)

被操控的大腦

在科幻電影中，我們經(jīng)常能看到具有超能力者控制別人大腦的畫面。而在現(xiàn)實(shí)生活中，大腦真的可以被操控嗎？

2017年，耶魯大學(xué)的Ivan E de Araujo教授利用光遺傳技術(shù)（通過光來激活神經(jīng)元）操控了小鼠捕食蟋蟀的過程。其中，中心杏仁核CeA和對(duì)應(yīng)靶點(diǎn)應(yīng)導(dǎo)水管周圍灰質(zhì)PAG，在小鼠的捕食行為中發(fā)揮著重要作用。

如視頻所示，當(dāng)藍(lán)色激光處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，小鼠看到蟋蟀會(huì)產(chǎn)生“好奇”和“害怕”的反應(yīng)，而后慢慢遠(yuǎn)離它。而一旦藍(lán)色激光開啟，通過光遺傳技術(shù)激活 CeA →PAG神經(jīng)環(huán)路時(shí)，小鼠會(huì)立馬跑過去捕食蟋蟀。這說明在實(shí)驗(yàn)中，小鼠的大腦是會(huì)被光信號(hào)控制的。

視頻：小鼠被藍(lán)光刺激捕食蟋蟀（視頻來源：Cell. 2017 Jan 12;168(1-2):311-324.e18）

人腦——地表最強(qiáng)！

人和動(dòng)物的大腦究竟有什么區(qū)別？為什么是人類而不是其他動(dòng)物創(chuàng)造了社會(huì)文明？

不同哺乳動(dòng)物的大腦，在結(jié)構(gòu)和比重上的差異是很大的，而人腦的特殊性則為人類文明的創(chuàng)造奠定了生理上的基礎(chǔ)。相比較而言，人，猩猩和海豚大腦有很多褶皺，大鼠和兔子的大腦皮層則比較光滑。

不同哺乳動(dòng)物的腦對(duì)比（圖片來源Neuroscience: Exploring the Brain(2007)-Chapter7）

皺褶的產(chǎn)生取決于兩個(gè)參數(shù)：大腦皮質(zhì)的生長速度和厚度。在大腦皮層發(fā)育過程中，神經(jīng)細(xì)胞的數(shù)量、大小、形狀和位置變化導(dǎo)致了大腦表面皮質(zhì)的膨脹，而位于皮層下方的白質(zhì)則變化不大，這使大腦皮層在壓力下出現(xiàn)物理作用力的機(jī)械不穩(wěn)定，最終形成褶皺結(jié)構(gòu)。

盡管猩猩和海豚都擁有更多“溝壑縱橫”的大腦皮層，但是黑猩猩的皮層面積只有600平方厘米，但人的大腦皮質(zhì)面積卻有約2400 平方厘米之多。人的大腦皮質(zhì)的面積和結(jié)構(gòu)與猩猩有著巨大的差異，尤其是人大腦皮層的額葉所占比例遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于猩猩，這也導(dǎo)致人的智力更高。

而海豚作為擁有較高智商的動(dòng)物，它的大腦皮質(zhì)面積達(dá)到了2600 平方厘米，其神經(jīng)元數(shù)目比人類還多，但是海豚大腦的功能遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法和人類相比，這是為什么？

這是由于人和海豚的祖先選擇了不同的進(jìn)化路徑：海豚選擇了在海洋進(jìn)化，四肢演變?yōu)轹挕?/p>

為了適應(yīng)復(fù)雜而廣闊的海洋環(huán)境，海豚大腦皮質(zhì)雖然很發(fā)達(dá)，但大部分都用來管理和控制它們的聲波定位系統(tǒng)了。更有趣的是，海豚為了24小時(shí)保持運(yùn)動(dòng)、交流和捕食能力，它們的左右大腦甚至可以輪流睡覺。

海豚的回聲定位系統(tǒng)（圖片來源: https://dolphinquest.com/）

而人類選擇了陸地，進(jìn)化出靈活的手指。手的進(jìn)化創(chuàng)造了復(fù)雜的工具，而對(duì)復(fù)雜工具的學(xué)習(xí)與制作，又使得腦和手得到進(jìn)一步開發(fā)。如此循環(huán)，漸漸使我們的祖先從原始人進(jìn)化成智人，以及腦容量的急劇增加使得智人可以分辨和發(fā)出更多的音素，最終發(fā)展出人類獨(dú)有的語言和文字，從而創(chuàng)造了社會(huì)文明。

大腦的結(jié)構(gòu)不斷向復(fù)雜演化，適應(yīng)著千變?nèi)f化的復(fù)雜環(huán)境。而同時(shí)，環(huán)境的改變又促使著大腦結(jié)構(gòu)的“升級(jí)”，我們就這樣在不斷的變化之中開啟了漫長的進(jìn)化之旅。

參考文獻(xiàn)：

1. Han, W., et al., Integrated Control of Predatory Hunting by the Central Nucleus of the Amygdala. Cell, 2017. 168(1-2): p. 311-324 e18.

2. Parker, J.G., et al., Diametric neural ensemble dynamics in parkinsonian and dyskinetic states. Nature, 2018. 557(7704): p. 177-182.

3. Wichmann, T., Changing views of the pathophysiology of Parkinsonism. Mov Disord, 2019. 34(8): p. 1130-1143.

4. 大腦表面為什么有這么多褶皺？知乎

5. 如果海豚在陸地上堅(jiān)持了下來，或許海豚文明會(huì)取代我們?nèi)祟愇拿?個(gè)人圖書館

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