一个精密神奇的结构，就藏在你的身体里

UFO爱好者

　　出品：科普中国
　　制作：周盈盈（中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心）
　　监制：中国科学院计算机网络信息中心
　　我们经常会被问：“你心里到底在想些什么呢？”
　　如果人体器官能说话，那么听到这个问题，心脏可能会说：“什么？？我根本就没有‘想’这个功能好嘛！”
　　而大脑则可能会感觉更委屈：“为什么问心在想些什么？明明是我啊！是我一直在‘想’！”
　　


　　图片来源：veer图库
　　大脑实实在在承载着“想”这件事。
　　因为“想”，大脑这个仅占人体体重2%的器官，却要消耗全身耗氧量的20%，及全身ATP（能量）的17%，因此被誉为人体的“CPU”。
　　它有着最复杂的神经网络结构，也是世界上已知的拥有最强计算能力的“存在”。
　　2016年3日15日，著名围棋棋手李世石对战谷歌AlphaGo，尽管最终以1:4的成绩输给了AlphaGo，但是比赛时“阿尔法狗”要耗掉1202个CPU、176个GPU和100多名科学家的算力，而李世石只需要他的大脑和一杯咖啡。
　　你一定很好奇，大脑是如何实现高速运算和信息传递的？
　　它有什么样的神奇之处？
　　


　　在这个互相缠绕的网络中，神经细胞诉说着无尽的“秘密”
　　（图片来源：veer图库）
　　大脑“地图”长啥样？
　　我们的大脑由140亿个神经元组成，它们就像奔腾的大海，一天24小时，永远不停地为我们工作着，不同的脑区高度有序，各司其职，精细调控着我们的身体。
　　在人脑的结构中，大脑皮层是整个中枢神经系统的最高级中枢，大脑皮层的高度进化也是哺乳动物进化的标志。
　　


　　大脑皮层的主要结构与功能（图片来源：维基百科-大脑皮层，作者改编）
　　而我们常说的大脑，通常是指大脑皮层及皮层下的一些重要结构，如扣带回、基底神经节、边缘系统、腹侧被盖区等。
　　如图所示，人脑除大脑外，还包括胼胝体，间脑，脑桥，小脑，脊髓等结构，它们共同构成了我们的中枢神经系统。
　　


　　人脑主要的结构与功能（图片来源：《神经生物学原理》，作者改编）
　　你记不记得电视剧里时常上演的“吞枪自杀”场景？其实，枪在喉咙中正对着的就是脑干的延髓部分，而延髓又是调控我们呼吸、心跳和消化的重要脑区，一旦延髓被破坏，人就会立即丧失生命。
　　因此，当遇到危险时，一定要保护好我们的后脑勺！
　　而在事故中，如果损伤到了脊髓，大脑和身体连接的通路就断了，此时大脑既接收不到身体的感觉信息，发出的运动指令也无法到达躯体，就会导致半身瘫痪。因此，在发生车祸或意外跌落的现场，切忌随意翻动伤员，以免加重其脊髓损伤，造成不可逆的后果。
　　聪明的脑是怎样传递信号指挥身体的？
　　神经元是大脑活动的最基本的单元，约占神经细胞的1/10。神经元能传递外界的感觉信号、发出运动命令，像一位执行总指挥似的。
　　除神经元外，大脑还具有胶质细胞，它则支持着神经元及其环绕神经的其他组织。胶质细胞占神经细胞的9/10，像是警卫员一般，履行着让大脑行动有序、高效运转的责任。
　　


　　神经胶质细胞保护，供养和支持神经元（图片来源：www.visiblebody.com）
　　其次，神经元独特的形状和结构帮助神经系统信号实现快速传递。神经元胞体有许多树突，它们就像是“天线”一样，在接收到信号后，引起神经元兴奋，将信号通过轴突传递给下一个神经元。
　　


　　神经元的基本结构（图片来源：www.visiblebody.com）
　　如果该信号是运动信号，当该信号传递到大脑的运动皮层时，运动神经元就会发出运动指令，通过皮层-皮层下运动环路调控后将信号传递给脑干，并到达躯体的各个部位，精确地控制我们每一个行为。
　　


　　皮层-皮层下的运动环路，Cortex 皮层；Basal ganglia:基底神经节；Brain stem/Spinal cord 脑干/脊髓；Cerebellum 小脑；Thalamus 丘脑 (图片来源：Movement Disorders. 2019 Aug;34(8):1130-1143)
　　被操控的大脑
　　在科幻电影中，我们经常能看到具有超能力者控制别人大脑的画面。而在现实生活中，大脑真的可以被操控吗？
　　2017年，耶鲁大学的Ivan E de Araujo教授利用光遗传技术（通过光来激活神经元）操控了小鼠捕食蟋蟀的过程。其中，中心杏仁核CeA和对应靶点应导水管周围灰质PAG，在小鼠的捕食行为中发挥着重要作用。
　　如视频所示，当蓝色激光处于关闭状态时，小鼠看到蟋蟀会产生“好奇”和“害怕”的反应，而后慢慢远离它。而一旦蓝色激光开启，通过光遗传技术激活 CeA →PAG神经环路时，小鼠会立马跑过去捕食蟋蟀。这说明在实验中，小鼠的大脑是会被光信号控制的。
　　人脑——地表最强！
　　人和动物的大脑究竟有什么区别？为什么是人类而不是其他动物创造了社会文明？
　　不同哺乳动物的大脑，在结构和比重上的差异是很大的，而人脑的特殊性则为人类文明的创造奠定了生理上的基础。相比较而言，人，猩猩和海豚大脑有很多褶皱，大鼠和兔子的大脑皮层则比较光滑。
　　


　　不同哺乳动物的脑对比（图片来源Neuroscience: Exploring the Brain(2007)-Chapter7）
　　皱褶的产生取决于两个参数：大脑皮质的生长速度和厚度。在大脑皮层发育过程中，神经细胞的数量、大小、形状和位置变化导致了大脑表面皮质的膨胀，而位于皮层下方的白质则变化不大，这使大脑皮层在压力下出现物理作用力的机械不稳定，最终形成褶皱结构。
　　尽管猩猩和海豚都拥有更多“沟壑纵横”的大脑皮层，但是黑猩猩的皮层面积只有600平方厘米，但人的大脑皮质面积却有约2400 平方厘米之多。人的大脑皮质的面积和结构与猩猩有着巨大的差异，尤其是人大脑皮层的额叶所占比例远远大于猩猩，这也导致人的智力更高。
　　而海豚作为拥有较高智商的动物，它的大脑皮质面积达到了2600 平方厘米，其神经元数目比人类还多，但是海豚大脑的功能远远无法和人类相比，这是为什么？
　　这是由于人和海豚的祖先选择了不同的进化路径：海豚选择了在海洋进化，四肢演变为鳍。
　　为了适应复杂而广阔的海洋环境，海豚大脑皮质虽然很发达，但大部分都用来管理和控制它们的声波定位系统了。更有趣的是，海豚为了24小时保持运动、交流和捕食能力，它们的左右大脑甚至可以轮流睡觉。
　　


　　海豚的回声定位系统（图片来源: https://dolphinquest.com/）
　　而人类选择了陆地，进化出灵活的手指。手的进化创造了复杂的工具，而对复杂工具的学习与制作，又使得脑和手得到进一步开发。如此循环，渐渐使我们的祖先从原始人进化成智人，以及脑容量的急剧增加使得智人可以分辨和发出更多的音素，最终发展出人类独有的语言和文字，从而创造了社会文明。
　　大脑的结构不断向复杂演化，适应着千变万化的复杂环境。而同时，环境的改变又促使着大脑结构的“升级”，我们就这样在不断的变化之中开启了漫长的进化之旅。
　　参考文献：
　　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. 大脑表面为什么有这么多褶皱？知乎
　　5. 如果海豚在陆地上坚持了下来，或许海豚文明会取代我们人类文明 个人图书馆
               
               

                           

                        
                        
                                
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                                        2021-09-23