全网首发|如何不费吹灰之力就搞懂大脑的运行原理?这是有史以来最深入浅出的一篇科普文章了(《Neuralink》编译系列二)

昨天,我们全网首发了Tim Urban所撰写的,关于马斯克新公司Neuralink的科普文章的第一部分。 不过,那仅仅是个开胃汤,真正的热菜还没端上桌。 今天,我们也还不打算上热菜,而是来一个餐前小凉菜,挑动您的味蕾,激起您对热菜的无限期待。 是的,昨天,我们来了一场时间轴上的旅行,从最早的原始生物到复杂的人类系统,给出了一副神经网络如何一步步发展壮大的全景图。 今天,我们将抓住人类的大脑不放,带您深入这个旅行终点站,一览其中的神奇之处。 准备好了吗?那就让我们钻进大脑,在导游的带领下,用全新的视角,来真正搞懂它。这是一场对大脑的认知的飞跃,相信我。 以下为马斯克《Neuralink》系列文章编译的第二篇,Enjoy!

作者 | Tim Urban 编译 | AI100

这张图片总是会让我想起,为什么我会喜欢研究看上去这么舒服、可爱的大脑:

因为真正的大脑很不可爱,看上去令人很不舒服。人们会觉得很恶心。

但是,我已经在过去的一个月被油光发亮、略带浆汁、充满着血管的谷歌图片环绕着,现在你也不得不忍受这一切。所以还是来适应吧。

现在让我们从最外面开始。我想要说的一点就是,生物学某些时候是令人满意的,而且大脑也有一些令人满足的事情发生。首先就是在你的头部有着一整套真正的俄罗斯套娃。

最外层的是头发,头发下面的是头皮,你认为下面紧挨着的就是颅骨——但是事实上在头皮和颅骨枝间还有19层不同的内容:

皮肤 皮下组织 帽状腱膜和枕额肌 蜂巢组织 颅骨膜 颅骨

接下来,在颅骨和大脑之间,还有这些东西:

硬脑膜 蛛网膜 蛛网膜小梁 软脑膜 胶质界膜 血管 血管周围间隙

在颅骨下面,你的大脑总共有三层膜:

从外向内,第一层就是硬脑膜(dura mater,拉丁文原意是“hard mother”),一层兼顾、凹凸不平而且防水的膜。硬脑膜和颅骨齐平。我之前曾经听说大脑没有疼痛感知的区域,而这个区域位于硬脑膜上——敏感程度就像是脸上的皮肤一样——对于硬脑膜的压力或者内部的挫伤往往会引起人们剧烈的头痛。

接下来下面的一层就是蛛网膜(arachnoid mater,原意是spider mother),一层皮肤下面就是这些看上去弹性十足的纤维。我经常觉得我的大脑就是在我的头部的某种液体之中四处漂浮,但是事实上,在大脑外部和颅骨内部的唯一空间就是这一层蛛网膜。这些纤维把大脑固定在一个位置上,使它不能移动太多,而且当头部受到撞击时,他们可以吸收震动。这个区域之中充满了脊髓液,使大脑几乎可以漂浮,因为这种液体的密度和水十分相似。

最下面的一层就是软脑膜(pia mater,原意是soft mother),包裹在大脑周围的一层精巧的、易碎的膜。你知道为什么当你看到一个大脑时,它总是被黏乎乎的层层血管包围吗?这些血管其实并不是位于大脑的表面,而是嵌于软脑膜之中。(对于那些不会觉得恶心的人来说,这里有一位教授从人脑上剥下软脑膜的视频。)

这里展示的是一个全貌,使用的可能是猪的头部作为演示:

从左到右分别是皮肤(粉色部分),两层头皮,然后是颅骨,接着是硬脑膜、蛛网膜,在最右边可以看到的是被软脑膜包裹的大脑。

当我们把每一层剥开之后,剩下的就是这个了:

这个看起来十分滑稽可笑的东西是到目前为止宇宙上已知的最为复杂的东西——它拥有着三磅的重量,用神经工程师Tim Hanson的话来说,就是“信息最集中、成组织而且自身架构最完整的东西之一”。而这所有的东西只消耗20瓦特的能量(而同样强大的计算基要消耗2400万瓦特)。

麻省理工学院的教授Polina Anikeeva把它叫做“可以用勺子取食的柔软的布丁”。脑外科医生Ben Rapoport的描述更加科学,就好像是“在布丁和凝胶枝间的某种状态。”他解释道,如果你在桌子上放置一个大脑的话,重力会使它失去形状,然后变扁,有点像水母一样。我们一般并没有认为大脑会这么容易变形,因为它一般都是在液体中悬浮。

但是这就是我们的样子。当你照镜子的时候,你看到镜子中的身体和脸就会认为那是你——但是事实上那是你在乘坐的机器。你真正的样子就是一个有着奇怪形状的果冻球。我希望这个解释可以接受。

就算它看上去很奇怪,你也不能真的指责亚里士多德,或者古埃及人或者其它人,因为他们认为大脑只是一些毫无意义的“头上的东西”(亚里士多德认为心脏是智慧的中心)。慢慢地,人们加深了对大脑的理解。但是只是一点点。

Krishna Shenoy教授把我们对于大脑的理解比作是人们在十六世纪初对世界的理解。另一位教授,Jeff Lichtman则更加严厉。他在开始讲课的时候问了学生们这样的一个问题:“如果对于大脑的全部理解是一英里的距离的话,那么我们在这一英里上已经走了多远呢?”他或学生们给出的答案是四分之三、一半、四分之一等等——但是他认为真正的答案是“大概三英寸”。

另一位教授,神经科学家Moran Cerf,和我分享了神经科学的一句老话,指出为什么想要了解大脑依然是任重道远的:“如果人类的大脑如此简单,我们可以轻而易举地理解的话,人类也将会变得十分简单,但是我们并非如此。”

可能在我们正在建造的知识的巴别塔的帮助下,我们可以在某种程度上更了解大脑。但是对于现在来说,让我们从全貌开始,一点点了解我们头部中的这个“水母”吧。

大脑,缩小

让我们看一下大脑半球的各个部分。下图就是大脑在头部之中的样子:

现在让我们把大脑从头部中拿出来,然后去掉左半球,这样可以让我们看得更清楚一点。

神经学家保罗·麦克莱恩制作了一幅示意图,展示了我们曾谈到的一个基本理念:在演化过程中中,首先是爬行动物脑,然后在上面构建了哺乳动物脑,最终又在上面构建了一层,我们便有了大脑的三部曲。

新哺乳动物脑 古哺乳动物脑(边缘系统) 爬行动物脑

在真实的大脑上就是这个样子:

我们来看一看每一个部分:

脑干(和小脑)

这是我们的大脑中最古老的一部分:

中脑 脑桥 延髓 小脑

这就是我们大脑的横截面,青蛙老板就住在那上面。实际上,青蛙的整个大脑很像我们大脑下边的这一部分:

如果你能明白这些部分的功能,那么所谓他们很古老的说法就说得通了——这些部分能干的事,青蛙和蜥蜴也能干。下面是一些主要的部分:

延髓

延髓只想干一件事:不让你死。它负责控制一些无意识的事物,干的都是些吃力不讨好的活,比如控制你的心率、呼吸和血压,还有当它认为你中毒时让你呕吐。

脑桥

脑桥的活儿就是干干这个,再干干那个。它掌管吞咽、膀胱的控制、面部表情、咀嚼、唾液、眼泪和坐姿——真的是想干什么就干什么。

中脑

中脑处理的事务比脑桥还杂得多。你知道,如果大脑的一个部分的功能全都已经属于另一个部分了,那么这个部分正处在一团乱麻之中。对于中脑来说,它负责视觉、听觉、运动控制、警觉、体温控制和一大堆大脑里面别人也要干的事情。大脑的其他部分似乎对中脑也不很关心,鉴于人们造出了一个不公平的“前脑、中脑、后脑”的区分,故意地把中脑孤立起来,而别人都在外面闲逛。

中脑 前脑 后脑

关于脑桥和中脑,我得承认,有一件事是他们俩干的:控制你的主动眼动,这确实是一件正经事。所以如果你现在正晃着眼睛到处看,那么你就是在专门使用你的脑桥和中脑。

小脑

那个看起来有点奇怪、就像是你大脑的阴囊一样的东西,就是你的小脑(即“小的脑子little brain”的拉丁语),他保证你保持平衡、协调和正常移动。这里又是那位很棒的教授在给你展示一个真的小脑是什么样子。

边缘系统

在脑干之上是边缘系统——那个让人类发疯的大脑部分。

丘脑 海马体 下丘脑 杏仁体 脑垂体

边缘系统是一种生存系统。一个不错的经验法则是,无论何时你在做一些你的狗也会做的事——吃、和、做爱、打架、藏起来或是从吓人的东西跑开——可能是你的边缘系统在控制着你。不管你有没有感觉到,只要你在做这类事情,你就处在原始的生存模式中。

你的情绪也处于边缘系统中,况且话说回来,情绪也都是为了生存——它们是更为先进的生存机制,对生活在复杂社会结构中的生物来说是很有必要的。

在其他帖子里,当我提到你的暂时满足的猴子,你的社会生存的猛犸象,和所有你的其他动物——我通常是在说你的边缘系统。每当你的脑子里在进行一场心理斗争时,很可能就是你的边缘系统在刺激你去做一些你随后会后悔的事情。

我十分确定,征服你的边缘系统就是所谓的成熟,也是人类挣扎的核心。这并不是说没有边缘系统就好了——我们人类之为人类,一半要靠边缘系统,而且生命中的大多数快乐都与情绪和/或动物性需求的满足有关——只是说,你的边缘系统并不明白你生活在文明之中,如果太过放任它来掌管你的生活,那他很快就会毁了你的生活。

无论如何,让我们来仔细观察一下。边缘系统里有很多细小的部分,但是我们别把这件事告诉那些大名人:

杏仁体

杏仁体是大脑结构中的某种情绪性事故。它负责焦虑、悲伤和我们对恐惧的反应。有两个杏仁体,而且奇怪的是左边的杏仁体表明是更加均衡的,除了提供焦虑情绪之外,有时还会提供一些快乐的感觉,然而右边的那个心情一直都不太好。

海马体

你的海马体(“海马seahorse”的希腊语,因为它看起来像海马)就像是一块记忆的草图板。当老鼠在迷宫里开始记住方向的时候,记忆就在它们的海马体里被编码——这种说法相当确切。在迷宫的不同部分,老鼠的两个海马体中发射信号的部分也会不同,因为迷宫的不同部分被储存在海马体中的不同部分里。但是如果学会了一个迷宫之后,老鼠又被安排了其他任务,一年之后再被带回到原来的迷宫里,它会很难记住它,因为海马体草图板上的记忆已经差不多被抹掉了,这样才能给新记忆留出地方。

电影《记忆碎片》中的情景是真实的——顺行性失忆症——它是由海马体损伤所引发。阿兹海默症在扩散到大脑许多部分之前,先出现在海马体中,这就是为什么这种疾病在产生大量破坏性影响之前,会先导致失忆。

丘脑

丘脑在大脑的中心位置,它就像是感觉的经销商,从你的感觉器官那里接收一些信息,再把它们传送给大脑皮层进行处理。当你睡觉的时候,丘脑和你一起入睡,也就是说感觉的经销商下班了。这就是为什么在深度睡眠中,一些声音、光亮和触碰常常并不能把你叫醒。如果你想叫醒一个深度睡眠中的人,你必须十分强硬,才能把丘脑叫醒。

你的嗅觉是个例外,它是一种绕过了丘脑的感觉。这就是为什么闻闻盐的味道可以把人从昏迷中唤醒。我们既然在这儿,给你一条冷知识:嗅觉是 嗅球的功能,而且是感觉中最古老的一种。不像其他感觉,嗅觉处在边缘系统的深处,在那里它与杏仁体和海马体密切合作——这就是嗅觉跟情绪和记忆的关系如此紧密的原因。

大脑皮层

终于,我们来到了大脑皮层。大脑皮层。新皮质。端脑。皮质层。

整个大脑里最重要的部分并不知道它叫什么名字。事情是这样的:

蓝盒子到底是个什么东西 端脑是大脑的一整块巨大的上层/外层部分,但是严格地说它也包括一些内层部分。 皮层在拉丁语中的意思是“树皮”,并被用来表示许多器官的外层,并不只是大脑。小脑的外面是小脑皮层,端脑的外面是大脑皮层。只有哺乳动物拥有大脑皮层。爬行动物大脑中的对应部分叫做皮质层新皮质一般可以与“大脑皮层”互换使用,但是专业上讲,它是指大脑皮层的外层,这只在更加高级的哺乳动物中发展出来。其他部分叫做旧皮质。 在其他帖子中,我们说的主要是新皮质,但是我们就叫它大脑皮层,因为这样说大家都能接受。

大脑皮层差不多掌管所有事情——处理你所看到的、听到的、感觉到的,以及谣言、运动、思考、计划和个性。

它被分为四个叶:

前叶 顶叶 颞叶 枕叶

想要说清楚它们各自负责什么是不会令人满意的,因为它们每个都负责许多事情,互相之间又多有重叠,但是简化起来可以这样说:

前叶负责你的个性,以及很多我们认为是“思考”的事情——推理、计划和执行功能。特别地,你的思考中有很多就发生在前叶的前部被称为前额叶皮质的地方——你脑子里的成年人。前额叶皮质就是你的一生中那些心理斗争中的另一个角色。它是努力让你做好你的工作的那个理性的决策者,是努力让你不要担心别人怎么想、只要做好你自己的那个可靠的声音,是希望你不要为琐事而焦急的那个高人。

如果这还不够让人担心,那么前叶还掌管你的身体的运动。前叶上部的一条带子是你的初级运动皮质

在其他的功能中,顶叶控制的是你的触觉,尤其是初级躯体感觉皮层——一条紧邻初级运动皮层的带子。

运动和躯体感觉皮层紧紧相邻,而且它们很有趣,因为它们可以被很好地映射。神经科学家准确地知道每条带子的一个部分与身体的哪一个部分相连,这把我们带到了本帖中最惊悚的一张图片:人造人

生殖器 脚趾 脚 腿 臀 躯干 颈 头 肩 臂 肘 前臂 腕 手 小指 无名指 中指食指 拇指 眼 鼻 脸 上唇 唇 下唇 牙 牙龈 舌 腹腔内 咽

生殖器 脚趾 脚踝 膝 臀 躯干 肩 肘 腕 手小指 无名指 中指 食指 拇指 颈 眉 眼皮和眼球 脸 唇 颌 舌 吞咽

这个人造人,由神经外科医生的先驱维尔德·潘菲尔德制造,在视觉上展示了运动和躯体感觉皮层是怎样被映射的。示意图中身体部分的图片越大,大脑皮层中与运动或触觉的专门联系就越多。与此相关有几件好玩的事情:

第一,令人惊异的是,你的大脑与脸和手相连的运动和感觉联系要多于身体其他部分之和。这也不是说不通——你需要做出极为细微的面部表情,你的双手也需要极为灵活,而你身体的其他部分——肩膀、膝盖、后背——的运动和感觉可以粗糙得多。这就是为什么人们可以用手指来演奏钢琴,用脚趾就不行。

第二,有意思的是,两个皮层与身体间的专门联系十分相似。我觉得这也能说得通,但是我从没真正地想到过,那些你需要控制大量运动的身体部分,往往也需要最敏锐的触觉。

最后,我遇到了这个货,从那之后就一直生活在一起——现在你也得这么干了。一个3D人造人。

来,继续——

颞叶是你的很多记忆居住的地方,并且它就在你耳朵的旁边,所以它也是你的听觉皮质的所在。

最后,在你脑袋后部是你的枕叶,它差不多都与你的视觉相关。

有很长一段时间,我以为这几个主要的脑叶就是大脑的组块——就像是整个3D结构的几个部分。但是实际上,大脑皮层只是大脑外层的两毫米——也就是一个镍币那么厚——在那下面的肉质大部分只是线路。

为什么大脑是一个皱纹这么多的蓝盒子 正如我们已经谈过的,我们大脑的进化靠的是向外构建,在已有的模型的上面添加更新颖的、更精致的特征。但是向外构建也有极限,因为人类要通过阴道才能来到世界上,这就为我们的脑袋的大小扣了个帽子。 因此,进化想出了新方法。由于大脑皮层很薄,其规模随着表面积增加而改变——这就意味着通过制造出许多褶皱(包括在两个半球之间两侧的向内褶皱),你可以把大脑的表面积增加到原来的三倍多,而不用增加太多体积。当大脑最初在子宫中发育时,它是光滑的——褶皱大部分都是在孕期的最后两个月里形成的。

25天 35天 40天 50天 100天 5个月 6个月 7个月 8个月 9个月 褶皱的形成在这里有很好的解释。

如果你能把大脑皮层取走,你会得到一张2毫米厚、面积有2000到2400cm2的薄片——规格大约是48cm x 48cm见方。一张餐巾纸。

这张餐巾纸就是你的大多数大脑活动发生地方——这就是为什么你能思考、运动、感觉、看见、听见、记忆和说出并理解一门语言。真是史上最好的餐巾纸。

还记得之前我说过你就是一个果冻球吗?当你想到你自己时,你想到的你——那实际上主要是你的大脑皮层。那意味着你实际上就是一张餐巾纸。

当我们把另一个大脑放在被剥下来的大脑皮层上时,用褶皱来增加餐巾纸表面积的魔法就看得很清楚了:

与大脑的规模相比较的大脑皮层面积

展开的大脑皮层

因此,尽管并不是很完美,但是当谈到大脑时,现代科学已经在宏观上有了不错的理解。微观上,我们的理解也不错。我们来一起看看。

大脑,放大

就算我们很早之前就已经明白,我们的智力“坐”在大脑里,科学家们直到最近才搞清楚大脑是由什么构成的。科学家们早就知道身体由细胞构成,但是直到19世纪末,意大利生理学家卡米洛·高尔基才搞清楚如何利用染色法观察脑细胞到底长什么样子。结果出人意料:

细胞不应该是这个样子。高尔基发现了神经元。

科学家很快就明白,神经元,就是构成几乎所有动物的大脑和和神经系统的庞大通信网络的核心单位。

但是,直到20世纪50年代,科学家们才弄清楚神经元是怎样互相通信的。

轴突是长长的一股携带着信息的神经元,其直径通常极为微小——小到最近科学家才能在上面做实验。但是在20世纪30年代,英国动物学家J·Z·杨发现随便一只鱿鱼就能改变我们所了解的一切,因为鱿鱼的身体中有一条异常巨大的、可以在上面做实验的轴突。几十年之后,利用鱿鱼的巨大轴突,科学家阿兰·霍奇金和安德鲁·赫胥黎终于搞清楚神经元传递信息的方式:动作电位。它是这样工作的:

首先,有很多种不同的神经元:

丘脑核团细胞 纺锤形细胞 粒细胞 锥体细胞 双锥体细胞 橄榄核神经元 卵形细胞 浦肯雅细胞 三叉神经束核大细胞 小胶质细胞 豆状核壳核神经元 小网状结构 苍白球细胞 大网状结构

简单起见,我们来看一看一种简单的、被说烂了的神经元——锥体细胞,你可以在你的运动皮层里找到它。画一个神经元的示意图,可以先画一个人:

然后只要给他加上几条腿、一些头发,把胳膊去掉,再拉长一点——就是一个神经元了。

树突(可能有几百根,而且按照本图的比例,它们可能有好几米长)

轴突(按照本图的比例,这个可能实际上要有一公里长)

胞体(神经元的身体,细胞核就在这里)

轴突末梢(可能有好几百个)

然后我们再画几个神经元。

突触

我不想马上就完整、详细地解释动作电位是怎样工作的——这涉及到许多没必要也很无聊的专业内容,9年级的生物课上早就学过了——我想把可汗学院的说明性文章链接给想知道整个故事的人。我们来仔细看看跟我们的目标相关的一些基本概念。

我们的小人的躯干——即神经元的轴突——有一个负的“静止电位”,也就是说,当它静止时,其电荷显弱负性。无论何时,一大群人的脚总是在触碰小人的头发——即神经元的树突——不管他愿意不愿意。他们的脚把一些化学物质滴到他的头发上——即神经递质——它会穿过他的头(细胞的身体,或者叫做胞体),然后依据这种化学物质,稍微提升或降低他身体中的电荷。这对于我们的神经元男孩来说有点不太舒服,但也不是什么大问题——然后就没什么别的事情了。

神经递质

但是如果有足够的化学物质碰到他的头发,使他的电荷提升到一定水平之上——即神经元的“阈值电位”——那么就会引发动作电位,然后小人就触电了。

动作电位

这种情况只有两个值——要么小人身上什么都没发生,要么他就结结实实地触了电。他不可能有一点儿触电,也不可能触过了头——他要么就根本没触电,要么就每次触电的程度都完全一样。

一旦触电发生,一个电脉冲(他身体中的常规电荷会短暂地从负电转为正电,然后迅速地恢复为常规的负电)就会沿着他的身体(轴突)快速移动到他的脚上——即神经元的轴突末梢——它们又会去触碰许多别人的头发(接触的位置成为突触)。当动作电位到达他的脚上时,它会使他的脚把一些化学物质释放到它们触碰的人的头发上,这可能会也可能不会引起别人的触电,就像他自己经历过的一样。

这就是信息通过神经系统而移动的一般方式——在神经元之间的微小间隙中传递的化学信号引发电信号通过神经元——但是有时候,当身体需要特比特别快速地传递一个信号的时候,神经元向神经元的连接可以自己通电。

动作电位的移动速度在每秒1到100米之间。这个区间这么大,部分是因为神经系统中其他种类的细胞——许旺细胞——就像一位超爱照顾人的老奶奶,总是把一些种类的轴突包裹在好几层脂肪层里,这种脂肪层叫做髓鞘。就像这样(需要一秒钟才能开始):

周围轴突上髓鞘的形成

除了有保护和绝缘的好处之外,髓鞘也是影响通信速度的一个主要因素——当轴突上覆盖了髓鞘时,动作电位会移动得快得多。

有一个很好的例子来展示髓鞘导致的速度差异:当你脚底下绊了一跤,还没感觉到疼的时候,你知不知道你的身体是怎样给你一秒钟的思考时间来让你想想你刚刚做了什么,你又将会感觉到什么?实际上,你同时感觉到了你脚底下绊到了东西和刺痛,因为刺痛信号是通过覆盖了髓鞘的轴突传递到大脑的。要花一两秒才能感到钝痛,因为钝痛是通过没有覆盖髓鞘的“C纤维”传导的,速度仅有约每秒1米。

神经网络

神经在一点上很像计算机晶体管——它们都用二进制语言传递1(发放动作电位)和0(不发放动作电位)的信息。但是与计算机晶体管不同的是,大脑里的神经无时无刻不在变化。

你知道为什么有时你学了一项新技能而且你干得还挺不错,然而第二天你又试了一下发现你还是不行?那是因为你前一天之所以干得不错,是因为你调节了或者集中了在神经之间传导信号的化学物质的量。不停的重复会调节化学物质,这能帮你做得更好,但是第二天化学物质恢复到了常规水平,你的水平也跟着回去了。

但是如果你坚持练习,你就会持久地擅长某件事情。这是因为,你已经告诉了你的大脑“这可不是什么一次性的事情”,然后大脑的神经网络就回应以制造持久的结构性变化。神经改变了形状和位置,并加强或减弱各种各样的连接,这样就建立了一个知道如何完成这项技能的路径的硬线集。

神经拥有改变其化学、结构甚至功能的能力,这使你的大脑的神经网络可以充分优化自身以适应外部世界——这种现象称为神经可塑性。婴儿的大脑是最具有神经可塑性的。当婴儿出生时,他的大脑根本不知道他需要适应的人生是属于一位需要专精剑术的中世纪武士,还是属于一位需要精细的肌肉记忆以演奏大键琴的17世纪音乐家,亦或是一位需要存储和管理海量信息并精通复杂的社会结构的现代知识分子——但是婴儿的大脑已经准备好改变它自己的形状,以面对它已准备好去面对的任何一种人生。

婴儿是神经可塑性的超级明星,但是我们一辈子都拥有神经可塑性,这就是为什么人类可以成长、改变并学习新东西。并且这也是为什么我们能够形成新的习惯,打破旧的习惯——你的习惯反映了你大脑中现存的回路。如果你想改变你的习惯,你需要用意志力来凌驾你大脑中的神经路径,但是如果你坚持的时间足够长,你的大脑最终会领会你的意思然后改变那些路径,然后新的表现就不再需要意志力了。你的大脑会在生理上改变形状,形成新的习惯。

总之,大脑中有大约1000亿个神经元,它们构成了这个不可思议的巨型网络——这个数字相当于银河中恒星的数量,比世界人口的十倍还多。大约150—200亿个神经元存在于大脑皮层,其余的都在大脑的髓质。(令人惊奇的是,随便一个小脑拥有的神经元数量都比大脑皮层的三倍还多)。

让我们把镜头缩小回来,看看大脑的另一个横截面——这一次不再从前往后切来看一个脑半球,而是从左往右切:

大脑物质可以分成所谓的灰质白质。灰质颜色上看起来更暗,由脑神经元的细胞体、树突丛和轴突构成——还有许多其他物质。白质主要是线路——那些携带着信息从一些胞体传送到另一些胞体或者到身体中的目的地轴突。白质是白的,是因为那些轴突通常都覆盖着像白色脂肪组织的髓鞘。

大脑中的灰质有两个主要区域——包括了边缘系统和我们上文讨论过的脑干的内部集群,和包裹在外部的有一镍币厚的皮层。居于其中的大块白质主要由皮层神经元的轴突构成。皮层就像是一个指挥中心,它通过它下面的由大量轴突构成的白质来发号施令。

我所遇到的阐释这一概念的最棒的插图是由格雷格·A·唐恩博士和布里安·爱德华博士所做的一套艺术地再现了大脑结构的精美图集。

那些皮层神经元可能正把信息带向皮层中的另一处,带向大脑中较低的一部分,或者正通过脊髓——神经系统的高速公路——去向身体的其他部分。

我们来看看整个神经系统:

大脑 脊髓 中枢神经系统 神经节 神经 蓝色=周围神经系统

神经系统分为两部分:中枢神经系统——你的大脑和脊髓——和周围神经系统——由从脊髓放射到身体其他部分的神经元构成。

大多数神经元都是中间神经元——那些与其他神经元通信的神经元。当你思考时,大量的中间神经元正在互相讨论。大脑包含的主要是中间神经元。

其他两种神经元是感觉神经元运动神经元——它们通向你的脊髓,构成了周围神经系统。这些神经元最长可达一米。每个类型的典型结构如下:

(a)多级中间神经元 树突 细胞体 轴突 轴突 轴突末梢

(b)运动神经元 树突 细胞体 轴突丘 轴突 郎氏结 髓鞘 神经-肌肉突触 肌肉 轴突末梢

(c)感觉神经元 感受细胞 周围神经支轴突 细胞体 轴突 中枢神经支

还记得我们的两条带子?

运动皮层 躯体感觉皮层

这两条带子就是你的周围神经系统的源头。感觉神经元从你的躯体感觉皮层出发,穿过大脑白质,通向脊髓(它只是一大捆轴突)。从脊髓出发,它们通向你全身各处。你的每一寸皮肤都连接着从躯体感觉皮层出发的神经。顺便说一下,一条神经,就是用一小段线包起来的几束轴突。这是一张神经的示意图:

神经纤维束 神经外膜 神经 动脉 脂肪细胞 静脉

神经就是用紫色圈出来的部分,其中四个大圈就是捆起来的许多轴突(这里是一张有帮助的卡通画)。

如果一只苍蝇落在了你的胳膊上,就会发生下面的事:

苍蝇碰到了你的皮肤,刺激了一束感觉神经元。神经中的轴突末梢产生微小的痉挛并开始发放动作电位,向大脑发送信号来告发这只苍蝇。信号传递到了脊髓并到达躯体感觉皮层中的胞体。躯体感觉皮层轻轻敲了敲运动皮层的肩膀,告诉他“你胳膊上有一只苍蝇,你得收拾收拾他(懒)”。你的运动皮层中那些连接着你胳膊上的肌肉的胞体接着开始发放动作电位,把信号传递回脊髓,接着传到胳膊上的肌肉。这些神经元末端的轴突末梢刺激了你的臂肌,臂肌收缩以挥动手臂来赶跑苍蝇(此时这只苍蝇已经在你的胳膊上吐了),然后苍蝇(它的神经系统也来了这么一大圈)飞走了。

然后你的杏仁体检查了一下,发现有个问题,然后它叫你的运动皮层尴尬地跳起来。要是那不是一只苍蝇而是一只蜘蛛,它也会叫你的声带不由自主地大叫起来,丢尽你的脸面。

那么,现在看起来我们好像真的有点理解大脑了,是吧?但是,为什么那位教授提了那样一个问题——如果你需要知道的所有关于大脑的事情有一英里长,那我们已经走了多远?——然后说答案是3英寸?

答案就在这里。

你是否知道,我们完全了解单独一台电脑是怎样发电子邮件的,我们也完全理解互联网的一些宽泛的概念,例如网上有多少人、哪些是最大的网站、有哪些主要的趋势——但是所有中间的事情——互联网的内部运行——人们依然搞不清楚?

你是否知道,经济学家能告诉你单独一个消费者发挥了什么作用,他们也能告诉你宏观经济学的主要概念和正在起作用的最重要的力量是什么——但是没人能告诉你经济运行的所有细节,或者预测经济在下一个月或下一年里会发生什么事?

大脑就像这些东西。我们有微观的认识——我们完全知道神经元发射信号的方法。我们也有宏观的认识——我们知道大脑里有多少神经元,知道主要的脑叶和结构控制了什么,也知道整个系统消耗多少能量。但是那些中间的事情——那些关于大脑各部分的实际运行情况的中间的事情?是的,我们还没有看到。

想要知道我们到底有多困惑,就要去听一位神经学家讲讲我们理解得最好的那些大脑的部分。

例如视觉皮层。我们对视觉皮层理解得很好,是因为很容易为它画一张图。

科学家保罗·梅罗拉对我说: 视觉皮层拥有很好的解剖学功能和结构。当你观察它,你真的像是看到了一幅世界地图。因此,当你的视野中的某个东西存在于空间中的某一特定区域,你将会在皮层中看到一小块色斑,它代表着那个空间中的区域,并会亮起来。并且随着那个物体的移动,相邻的细胞会描绘出一幅地形图。这就像是把真实世界的直角坐标映射到视觉皮层中的极坐标一样。而且你真的可以从你的视网膜,经过你的丘脑,追踪到你的视觉皮层,然后你就会看到从空间中的一点到视觉皮层中的一点的真实映射。

到目前为止,没有什么问题。但是他接着说道: 因此,如果你想要与视觉皮层的特定部分发生互动,这种映射确实很有用。但是,视觉区域有很多,随着你越来越深入到视觉皮层的内部,事情就变得有些模糊,然后这幅地形图开始崩溃。……大脑里尽是这种事情,视觉只是一个突出的例子。我们观察世界,然后那里就是这样一个3D的物理世界——就像你观察一个杯子,你只看到一个杯子——但是你的眼睛看到的实际上只是一堆像素。当你观察视觉皮层时,你会看到那里有差不多20-40种不同的地图。V1是第一个区域,那里它以那种方式追踪很小的边缘和颜色等等。还有别的区域在观察更为复杂的对象,在你的大脑表层中你能看到有如此多种不同的视觉表现。而且所有那些信息都以某种方式在这个信息流中捆绑在一起,那种编码方式使你以为你只是在看一个简单物体而已。

还有运动皮层,大脑中另一个我们理解得最好的部分,可能在粒度级别上比视觉皮层更难理解。因为尽管知道在运动皮层中哪些宽泛的区域对应着身体的哪些部分,可是在运动皮层的这些区域里还没有在局部解剖中确定个体神经元,而且它们共同引发身体运动特定方式还完全不清楚。保罗又说到: 大脑中手臂运动部分的神经震颤有点不同——并非像是神经会讲英语然后说“动起来”——它是一种电活动的模式,在每个人那里都有一点不一样。……你想要能够无缝地理解那意味着“胳膊往这边动一动”、“把胳膊往目标那边动一下”、“把胳膊往左动动,抬起来,抓,用一定的力气抓,用一定的速度伸出去”,等等。我们运动的时候是不考虑这些的——它就这样无缝地发生了。因此每个大脑都有一套独特的代码,用它来对胳膊和手上的肌肉说话。

神经可塑性不仅使我们的大脑十分有用,也使它难以置信地不可理解——因为每个大脑的运行方式都基于大脑如何塑造了它自己的形状,基于它独特的环境的人生经历。

那些我们理解得最好的大脑的部分,“当谈到一些更为复杂的计算过程,如语言、记忆、数学”,一位专家再次对我说,“我们真的不知道大脑是怎样工作的。”他不无叹惋地说到,举个例子,对每一个人来说,母亲的概念都以不同的方式编码,都在大脑中的不同部分。在前额叶——你知道,大脑的那个部分是你真正生存的地方——“根本就没什么地形图”。

但是无论如何,这根本不是建立有效的脑机接口为什么如此困难、或如此令人畏惧的原因。使BMI如此困难的原因在于,工程方面的挑战是极为严峻的。与大脑在身体上的协作,使BMI成为了世界上最为困难的工程事业之一。

既然我们的大脑背景的树干已经建立起来,我们已经准备好向第一根树枝进发。

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全网首发 | 科技超人马斯克的第四次惊天创举,这一次,他将拿人脑开刀(一)

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关于作者Tim Urban: AI100

Tim Urban 是 Elon Musk 最欣赏的科技作者,他用一系列长文通俗解释过人工智能革命、费米悖论、拖延症等读者关心的话题。 2015年4月,Musk 邀请他参观 Tesla 与 SpaceX,两人秉烛夜谈。Musk 希望他来帮忙向公众解释关于 Tesla、SpaceX 的大量行业和科技问题,Tim Urban 欣然答应。 作为人类应对人工智能挑战的 Musk 方案,Neuralink 一经公布,Tim Urban 就开始写此长文。就此话题,他跟 Musk 及 Neuralink 团队有过深度交流,文章用大量内容解释了脑机接口与日常信息交流的同源性,并进一步解释了 Neuralink 的具体原理及时间表。 Facebook 刚公布的 Building 8 脑机接口项目也说明,这个领域确实在引起大家的重视。 2016年6月,Tim Urban 受邀做过一期 TED 演讲。今年初,福布斯做过一篇他的专访,Pocket 针对他的写作也专访过他。

原文链接:http://waitbutwhy.com/2017/04/neuralink.html

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原始发表时间:2017-04-23

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