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举个栗子:你了解大脑吗?

日报 举个栗子 2年前 (2017-11-14) 243次浏览 0个评论 扫描二维码

举个栗子:你了解大脑吗?

世界上也许没有比人类的大脑更复杂的物体了。大脑中神经元,跟银河中的星星一样多。尽管对大脑的了解越来越多,但仍有许多未解之谜困扰着我们。

信息在神经元活动中如何编码

神经元其实是大脑中的特殊细胞,可以通过其外隔膜产生简单的峰值电压。这些电压脉冲沿着神经轴传播,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?听到了什么?是否要吃饭?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义也不尽相同呢。在中枢神经系统(大脑和脊椎)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。

心智信息储存在单细胞中,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 万个其他神经元的信息。

尽管脉冲电压可以载有信息快速地在大脑中穿行,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。

记忆如何存储如何提取

当你遇到一个人,看了一本书,记住了一个计算公式,你的大脑结构都在变化。但是我们还不能够准确地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?

记忆如此众多,大脑如何区分短期记忆(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)呢。长期记忆中,公布的记忆与未公布的记忆是完全不同的。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,但是对其他组织没有任何影响。

目前,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,多次体验可以增加巧克力味道,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巧克力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或者曾经看过的电影情节时,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。

活跃基线是什么

休息时的大脑活性,或说活跃基线,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%。

有研究发现,当一个人执行一项任务时,大脑中的一些区域活性会减退。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。

情绪是什么

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:害怕会引起出汗、颤抖、心跳加速、头皮发麻;生气会引起肌肉紧绷,会破坏大脑兴奋与抑制的节律,弱化大脑功能。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。

情绪似乎是一台可以支配许多无意识的机器——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,有科学家认为,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。  

大脑各区域如何协调工作

我们已经知道,不同的信息类型存在于大脑不同的神经区域。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,功能区域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。

此外,大脑是如何把这些不同的功能区域迅速结合在一起的,至今仍是谜。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。

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。

智慧在哪里

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?聪明人是通过更集中,更丰富或者更容易获取的方式来存储知识的吗?

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。许多其他的可能性——存储更多的信息,更好地重建结构,更多地多重处理程序等等,但还没有经过实验证实。

做梦,是谁在作怪

我们花费生命的三分之一,甚至更多时间用在睡觉上。坚持一天不睡觉是非常困难的事情。科学家研究发现,连续的失眠将会导致注意力不集中、记忆出现障碍,甚至会精神错乱;老鼠如果连续 10 天不睡觉就会死亡。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,都需要睡眠

但是,睡眠和做梦对于我们来说,还是个未解之谜。

一般而言,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,都有很重要的促进作用。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,并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形式。它们的关联如此紧密,研究人员认为,这就是动物在“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发现,人们只要晚上能睡好觉,就能连日坚持高强度工作;如果睡不好觉,则无法做到,这表明睡眠的重要性。

科研人员是根据人体受伤、用药和疾病变化唉大脑中的反应,来观察了解睡觉、做梦与这些变化的联系,以解开睡眠、做梦的奥秘。由此还发现,我们可以根据睡眠来调整我们的需求,并获取其他许多有用信息。

大脑如何模拟未来

每当遇到火灾,消防队长会迅速地在预测队员的最佳位置,并按照这种预测进行布置。科学家认为,这就是对未来的一种模拟,这种模拟能尽量减少实际尝试中的风险代价。因此,对未来可能发生的情况的模拟,是聪明的大脑所投资的十分重要的“生意”之一。

但是,大脑的未来模拟器是如何运行的?我们却知之甚少。因为神经学的传统技术最适合于在大脑的活动和明确的行为,而不是智力模拟之间建立联系。一个想法是,大脑的资源不仅用于处理刺激因素并对其做出反应,而且还用于构筑有关外部世界的一个内部模型,并从中提取有关事物的一般趋势的规则。内部模型可能不仅是在接球等肌肉运动中发挥作用,而且还在知觉方面。例如,视觉就利用大脑中存储的大量信息,而不是仅仅依靠从视网膜中输入的信息。神经学家近年来都表示,知觉并非简单地通过一点点地积累数据而形成,而是通过使外来的感官数据与内部生成的期望相匹配来实现知觉。

但是,大脑怎样才能学会就未来事件做出出色的预测呢?有人认为,可能是大脑会记忆,而记忆就是为了这一目的而存在的。这并不是一个新的想法:两千年前,亚里士多德就强调,记忆是成功地预测未来方面的一项工具。

意识到底是什么?

当你静默沉思的时候,很多过去的画面会在你的脑海中闪现。那么,这些记忆是怎么存储到你的脑袋里的?它们又是怎样进入你的意识中的呢?这两者有什么区别呢?

其实,对于意识的解释,仍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地改变你的主观经验。

关于意识研究的一个挑战就是如何通过实验研究。任何时间,有些活动的神经元可能会和意识产生关联,而有些则不会。第一个挑战就是分辨关联和不关联二者的区别。但是,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,否则人们只能察觉到其中的一样事物。而随后的任何时候,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。

潜藏在意识里面的一些机能,可能存在不同的物理层次中:如分子、细胞、电路、路径,或者是一些尚未定义的组织层面。这种机制或许也是这些层次之间的物质互动。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。

最近,科学家正在努力研究大脑中哪个部位和意识有关联。接下来,还需要弄明白为什么有关联。这是神经科学领域最难解的谜题。

(整理自中国科普期刊研究会)


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