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在宇宙内的所有物体当中,也许人类的大脑是最复杂的一个。

大脑中的神经元,跟银河中的星星一样多。所以,尽管随着科学技术的不断进步,我们对于大脑的认识越来越深入,但是,对于我们身体里面的这个器官,仍然留存有很多的未解之谜。
猿猴大脑内侧前额叶皮层中的锥体神经元
图片出处:brainmaps.org
1. 信息在神经元活动中是如何编码的?
神经元是大脑中的特殊细胞,通过其外隔膜可以产生简单的峰值电压。这些电压脉冲可以沿着神经轴传播,激发大脑中其他化学信号的释放。这些二进制的0或1脉冲载有关于我们和这个世界的信息:我们看见了什么?饿了吗?该走哪条路等等。然而这些以毫秒计算的电压是如何编码的呢?可能在大脑的不同地方脉冲信号的含意也不尽相同呢。在中枢神经系统(大脑和脊椎)中的一些部分中,峰值形成的频率通常与外部特征相关联,比如一种颜色或者一张面孔的出现。在周围神经系统中,峰值形成的越多说明热量越多,声音越大,或者肌肉收缩更强烈。
心智信息是储存在单细胞中,但是包含很多细胞和活动形态。然而,目前我们还不清楚怎样才能知道哪个细胞属于哪个特定的细胞群体。更糟糕的是,现代技术还不能一次性测量许多神经元。当然检测每个神经元之间的联系也并非易事:大脑皮层的一个神经元接收来自1万个其它神经元的信息。
尽管脉冲电压可以载有信息快速的在大脑中穿行,但是这些电信号也许并不是唯一的,甚至可能都不是神经系统中信息承载的主要方式。进一步的研究发现还有其他的信息传递方式,例如神经胶质细胞、细胞间的其他方式信号传输机制以及发生在细胞内的生化串联。
2. 记忆是怎么被存储然后又被提取的?
当你有了一个新的认识,例如某人的名字,都能改变你的大脑结构。但是我们还不能够准确的理解这些变化究竟是什么,它们如何在浩瀚的神经键和神经元中间进行编码,怎么形成知识,怎么在若干年后又被提取出来了?
一个复杂的问题是记忆如此众多,大脑还要去区分短期记忆(在瞬间记录一个电话号码)和长期记忆(比如去年生日你都做了哪些事情)。长期记忆中,公布的记忆(比如名字和事实)与未公布的记忆(比如骑自行车,受到潜意识的影响)是完全不同的。这些形形色色的种类正是无数的组织类型。不同的大脑组织支持不同的知识和记忆,大脑损害将导致一种类型的损坏,但是对其它组织没有任何影响。
虽然如此,相同的分子结构可能在这些记忆类型中运作。几乎所有的理论都是记忆储存取决于神经键和脑细胞之间的细微联系。当两个细胞在相同时间活动的时候,就会增强它们之间的联系性。当他们没有同时活动的时候,这种关联就会减弱。除了这种连锁反应外,还有另一种联系。比如,多次体验可以增加咖啡味道,颜色和温暖感觉之间的联系。在神经元与这些感觉之间连接起来的同时,仅仅通过味觉,它们之间的连接作用就能够引起所有关于咖啡感官之间的相互连接。
另外,大脑神经元之间的联系还不足以解释记忆,记忆的最大秘密在于,我们更容易把相关的事情联系起来,而不是全部的细节。
回忆比记忆的过程还要复杂,当我问你是否认识某人时,答案立刻就会出来。现在还没有很好的理论去解释,大脑对于记忆的回想为什么会如此迅速。而且,回忆将会动摇记忆。当你回忆过去,记忆暂时性地变得很容易抹去。
3. 大脑行为当中的活跃基线是什么?
很多神经科学家都在研究大脑活性与外接刺激之间的关系,例如与一幅画、触觉和听觉等等的关联性。不过在休息时的大脑活动性,或许活跃基线,才是我们神经活动中最重要的方面。清醒或者休息的大脑,会消耗身体20%的氧气,虽然大脑仅仅是身体质量的2%。大脑的一些 活跃基线代表大脑正在重新构造知识,模拟未来的情形和事件,或者处理记忆。我们关心的大部分事情—回忆,感情,动力,计划,等等。这些能够在没有任何外部刺激的情形下出现。
大量实验发现,当一个人执行一项有目的的任务时,大脑中的一些区域的活动性会减退。减少的区域不管任务的详细情况,意味着这些区域可能会在休息的时间进行基线计划,就好比当不需要运用信息的时候,电脑会进行磁盘整理。
从传统的观点来看,外界的信息进入感觉器官,然后通过大脑起作用,这样我们才能感受到所见、所听、所触。而这些信息会被记录在大脑当中,当你睡觉的时候可以享受这些感觉,那就是梦境;醒着的时候,也能通过大脑回想起很多感受,那就是白日梦。
4. 大脑是怎样模拟未来的?
当消防队长遇见了新的任务,他马上就能预测出每个战士的最佳位置。能进行这种未来的模拟,是大脑的特性之一。
显然我们对于大脑预测未来的能力还知之甚少,因为传统的神经系统科学技术比较时候研究外部行为与大脑活动之间的关联,而并不是精神疗法。有一种看法认为,大脑不仅仅要处理来自外界的各种信息,还要在脑中构建一个关于外界的模型,并且提炼出事物以往的行为表现。内部形式不仅会对发动行为方面产生作用,还对感知产生影响。比如,视觉吸收大量大脑中的信息。很多年前,神经系统科学家就提出,感知的产生并不仅仅是因为许多数据的建立,更多地是因为要将输入的感观数据与内在愿望相匹配。
不过,到底一个系统是如何通过学习来很好的预测世界呢?也许记忆的存在就是为了这个目的。这并不是一个新想法:两百万年前,亚里士多德和伽林曾经强调利用记忆这种工具可以很好地预测未来。
5. 什么是情绪?
我们总说大脑是一个信息处理系统,但是没有情绪、动机、恐惧、和希望的大脑是不完整的。情绪是对外界刺激的一种生理反应:害怕会引起心跳加速,出汗。生气会引起肌肉紧绷。从另一个方面来说,情绪是伴随这些感觉的主观体验:幸福,羡慕,悲伤,等等。情绪似乎可以支配许多无意识的机机器—比如,脑部控制情绪的区域可以导致生气的表情暂时出现,但是很快又可以很好地掩饰起来。人类基本的情绪表现都很相同,Darwin曾说过,所有哺乳类动物的情绪表现都很相似。甚至人类,爬行类和鸟类表现害怕,愤怒等情绪的生理反应都大致相同。
现代的观点认为,情绪是大脑的一种状态,是对于外界刺激的一种简单的反应模式。因此,情绪可以看作是一种大脑的快速运算,自动生成摘要,并主动采取适当的行动。当一只熊正向你扑来,不断增加的恐惧感会引导你的大脑做出正确反应(决定一个逃跑路线)。在记忆领域中,情绪反应是不同地存放在一个叫做大脑杏仁核区域的记忆存储系统中。
情绪神经学研究的目的之一,就是弄明白众多的神经混乱是怎么发生的,抑郁是最常见的疾病。冲动地进攻和暴力行为被认为是情绪紊乱的结果。
6. 什么是智慧?
智慧有很多种表现形式,不过从生物学的角度来看,还有很多未解之迷。为什么数十亿的神经元组合在一起就能控制知识、模拟情境、删除不合逻辑的信息呢?为什么当两个事物相符合的时候,你就能突然想起解决的办法呢?当你慢慢发现电影中的杀手就是嫌疑者的妻子时,你的大脑中有会有怎样的反应?那些聪明的人是通过更集中,更丰富或者更容易获取的方式来存储知识的吗?
我们都在未来智能机器人的时代中成长,但是现在我们对真空吸尘器Roomba机器人了解甚微。这到底是怎么回事呢?关于人工智能的弱点有2种观点:一种是我们不够了解大脑功能的基本原理,另一种是我们没能很好地效仿神经元的共同作用。如果后者是正确的,那确实是个不错的消息:电脑每年都变得越来越便宜,越来越快,所以人们应该很快就可以享受到让Asimovian机器人来帮助我们做家务。然而大多数神经科学家认为人们距离这种想法的日子还很遥远。目前人类制造的机器人的智商很低,即使经过了几十年的研究,这些机器人也只能停留在婴儿一样的智力水平,只能够认出一些数字而已。
最近的研究尝试发现智慧和短期记忆、快速解决冲突以及记忆力之间的关系,不过还没有最终的结论。许多其它的可能性-存储信息更好的结构重建,更多的多重处理程序等等,还没有经过实验证实。
也许智慧并不是一个简单的机制或者简单的神经元区域。如果能够揭开智慧的秘密,也就能揭开人类自身的秘密。其它物种的智力只可以解决一些特定的问题,而人类的抽象思维可以让我们解决一系列的问题。
7. 时间在大脑中是怎么处理的?
强烈的冲击通常是指枪声而不是闪光灯,因为我们的大脑对于听觉的反应速度要比视觉反应速度快得多。当人们没有处在运动性反应的领域中,而是处在感知的领域中时,会发生变化。不过我们的大脑对以不同速度接受的信号,仍就可以进行同步的处理。
例如你打个响指,尽管你的听觉系统处理信息的速度比视觉系统要快30毫秒,但是你打响指的听觉和视觉信号是同步出现在你的大脑中的。我们的大脑似乎具有把同步发生的事件信号同步看待的能力。
有一个很简单的例子,可以看出大脑处理时间的小秘密。从镜子里看左眼,然后看右眼。虽然你的眼睛在动,可是你却看不出来。好像是世界瞬间就从一边转向了另一边。到地在这小小的时间间隔中发生了什么?在黑暗的80毫秒中,到底发生了什么呢?原因:那段间隙时间是大脑的建造时间。弄清楚大脑是如何处理时间问题的原因可以了解在这段时间到底发生了什么。
8. 为什么大脑会休眠和做梦?
我们生活中最令人震惊的事儿,莫过于花费了生命三分之一的时间在睡觉上,新生儿的睡眠时间甚至更长。坚持一天不睡觉是非常困难的事情。连续的失眠将会导致精神错乱; 老鼠如果连续10天不睡觉就会死亡。连续10天不睡觉将会死亡。所有的哺乳动物,爬行动物,鸟类,以及每次只有一个脑半球休眠的 海豚等等,都需要进行睡眠。虽然动物进化的趋势很清晰,但是关于睡眠这一块的功能却没有什么变化。
一般而言,尽管睡眠非常消耗时间而且会让你处于毫无防备的状态,然而睡眠的作用仍然是非常重要的。这里虽然不能提供一个最终的答案,却有三个流行的猜想。其一是认为睡眠是恢复性的活动,补充人体所需要的能量;其二是认为睡眠是对其他日常准备工作的一个补充;第三种观点认为睡眠对于学习和记忆方面,都有很重要的推动作用。换句话说,睡眠可以帮助大脑储存重要的信息,驱除垃圾信息。
近年来对于睡眠和梦境的研究,也许在将来能够在治疗疾病方面起到不可低估的作用。在一个研究实验中,研究人员训练老鼠按照食物路线不停急转,然后记录下位置细胞神经元的活动。然后,当老鼠停下来进入睡眠状态的时候,记录继续。在睡眠过程中,老鼠的位置细胞经常重复之前相同的活动跑动形式。它们的关联如此紧密,研究人员认为,这就是动物的在“做梦”。他们能够重新构造出老鼠醒来后的活动路线,还能判断出老鼠是梦见跑动还是静止不动。这也许能够决定我们以后会想起哪些事情。在近期的一些实验中,人们通过连续几日的工作来表现自己的工作能力,而不会在同一天,这表现出睡眠的重要性。
了解睡眠和做梦是根据外伤,药物和疾病而变化,以及我们可以根据睡眠来调整我们的需求,可以很好地收获未来信息。
9. 自成系统的大脑部分是如何结合在一起的?
肉眼看不出大脑的表面与其它部位有什么不同。但是当我们观察大脑活动的时候,我们发现不同的信息类型存在于每个不同的神经区域。例如视觉功能的区域,就可以进一步划分为处理运动、边缘、面部和颜色的区域,功能区块在成年人大脑中的划分就好像划分世界地图一样。
关于这些区域是如何被划分的,神经学家对此有一个合理的解释。人类的大脑有一个神奇的分类网络,包括味觉,饥饿,痛苦,制定目标,温度,预测,以及很多方面的功能。尽管这些功能不尽相同,还是可以完好地一起工作。对于这一点,还没有一个合理的解释。
另外大脑是如何把这些不同的功能区域迅速结合在一起的,至今仍是一个谜。一个人可以立即认出他的朋友,而电脑在识别面孔方面的反映很慢。普遍的看法是,大脑是一个并行处理器,同时可以进行许多操作。这个看法确实很合理,但是电脑的并行处理功能为什么会很慢,这还需要进行比较来做出判断。由于大脑并行处理的能力非常明显,那么将并行处理变为单一行为的能力就显得不那么重要了。动物必须只能围绕大树向左转或者向右转,而不能将二个动作同时进行。
在大脑的信息聚集处没有特殊的解剖部位,特定区域互相连接形成一个平行网络。人们对世界的印象来自大脑结构的错综复杂的网络。目前,对于这方面的研究还很少,也许大脑里面就是一个难以捕捉的动态网络。
10. 到底什么是意识?
回想一下你的初吻吧,那个画面可能会一下子跳入你的脑海当中。那么这些记忆是怎么存储到你的脑袋里,然后又进入你的意识当中的呢?这两者又有什么区别呢?
对于意识的解释,是现代科学的一个悬而未决的难题。神经科学家认为意识来源于大脑中的物质,因为大脑中微小的变化也能有力的改变你的主观经验。问题的核心是:这一切是如何发生的?如果给你世界上所有的工具然后让你把它们结合在一起从而组成一个有意识的机器,这是个好机会。可是我们还没有理论去指导这样做的方法,甚至不知道会有什么样的理论。
关于意识研究的一个挑战就是通过实验来进行研究。任何时间一些活动的神经元都可能会和意识产生关联,而有些则没有。第一个挑战就是分辨二者的区别。即使最成功的试验也只取得了很小的进展。其中有一个试验,就是一只眼睛看到了房子,同时,另一只眼睛看到的是奶牛。除非看到的是房子和奶牛的混合图像,否则人们只能察觉 智能察觉到其中的一样事物。然后,在随后的任意时间中,人们会认为他们看到了另一样事物,他们会不断地来回看。其实人们看到的事物没有任何改变,只是意识经历在改变。通过这个试验,研究人员开始研究神经元活动的哪些特点使它和主观经验变化之间产生关联。
潜藏在意识下面的一些机能可能处在许多物理层之中:分子,细胞,电路,路经,或者是一些尚未定义的组织层。这种机制或许也是这些层之间的物质互动。有一种备受关注但是尚未得到证实的观点就是大脑的大量反馈线路对于意识结果是至关重要的。
在最近的研究中,科学家正在努力研究大脑中那个部位和意识有关联。接下来,还需要弄明白为什么有关联。这就是所谓的神经科学领域最难解的谜题。
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