为什么大脑如此神奇？|《人人都该懂的脑科学》

本文来源：《人人都该懂的脑科学》

作者：阿马尔·阿尔查拉比、马丁·特纳、沙恩·德拉蒙特

出版社: 天津科学技术出版社

阿马尔·阿尔查拉比

伦敦国王学院医院的神经学名誉顾问

伦敦国王学院精神病学研究所高级讲师

马丁·特纳

牛津大学约翰·拉德克利夫医院的神经学注册医师

牛津大学格林学院临床导师

沙恩·德拉蒙特

伦敦国王学院的神经学专业顾问

01

脑的进化：脑是如何形成的？

我们不从进化论的角度来思考“我们从何而来”，我们要从进化过程是“人脑发展背后的推动力”这个理念来思考。

进化是不同时代之间的变化过程，通常每种变化都很细微，但随着时间的积累，与最初相比，这种变化就显而易见了。

我们不妨思考一个简单的例子：

语言。南非语、荷兰语和德语都是相关联的语言，而且都被认为源自一种共同的类似德语的语言，但这是如何发生的呢？

这种共同语言的最初使用者能够理解自己孩子说的话，没有人会质疑孩子与自己说的不是同一种语言，但孩子们会经常使用父母不会使用的一些词语，比如俚语，也可能会使用不同的词汇或父母不理解的短语。

慢慢地，经过几代人的发展，差异变得越来越大，以至于与原始语言及其他语言相比较时，它们变成了一种不同的语言。

包括人脑在内，地球上所有的生命都经历了相似的、不断变化的、选择的过程。在脑中，复杂的布局结构在某些情况下具有优势，因此这种结构会再进化。

原始的神经样细胞，形成更复杂的细胞结构和具有神经网络的生物体，然后进一步形成神经节，最后形成数十亿神经元的复杂集合体，也就是我们所说的脑。

人脑中，神经潜在的联系远比宇宙中的原子还要多。人脑有一个可预测且高度组织化的结构，它是进化的产物。为了理解这种结构的事件链，我们需要接受，一些源自进化和选择被动过程中衍生出来的观念。

第一，复杂性其实源于简单性。当然，这并不意味着简单性不会因复杂性而生。例如，我们认为哺乳动物的祖先比它们简单，而它们的祖先的祖先可能更简单，由此可以追溯到生命的起源。

第二，有机体的发育过程与过去的进化相呼应。例如，人类胚胎在发育过程中曾有鳃、鳃弓和尾巴，而这实际上与哺乳动物的胚胎几乎无法区分。

第三，所有生物都“带着”自己进化的产物，所以自然界中必然存在某种相似性。就像南非语、荷兰语和德语都用相似的词来表达“谢谢”一样，所有现代生物体都拥有相同的细胞组成、细胞结构和蛋白质，人类与酵母有90%的相同基因。

一般来说，脑越大，智力越高。然而，这并没有严格的相关关系，事实上，脑的表面积或者脑的质量占身体的比重似乎更加重要。脑表面的褶皱被称为脑回，它们之间的凹陷被称为脑沟。

相比于身体的大小，人类的脑不仅过大，而且布满褶皱，看起来就像核桃一样。这意味着我们不仅有一个相对过大的脑，而且脑还有非常大的表面积。

我们通常会认为，作为人类，智慧使我们有别于其它动物。但新的理论认为，在原始人类进化中有几个平行分支，其中只有一个分支产生了智人。

证据表明，尼安德特人非常聪明，有语言能力和工具制造能力，与我们的直系祖先同时存在，但尼安德特人不是现代人的祖先。

02

学习“做人”：行为和推理能力的发展

我们是否生来知道如何应对周围的环境？

人在出生时就被设定了某种特定的反应方式，这听起来似乎很荒谬，但众所周知，对某些行为的确适用。

我们似乎生来就有一些固有的行为和反应，有些人把这称为“族生记忆”，即编程到物种神经系统里的记忆。这种记忆不是通过学习来产生的，而是通过自然选择和自然进化收集起来的，因此我们生来就知道一些知识。

婴儿一出生就有固定的反射。抚摸婴儿的脸颊，他们就会转动头、抿嘴巴、准备吮吸，这就是觅食反射。让婴儿站起来，他们的双脚会以“反重力反射”的方式来推地面。把他们的脚轻轻推到台阶上，他们就会站起来。

在控制行为方面，额叶最重要。额叶还参与语言输出控制、眼球运动控制及动作制订等。

瑞士心理学家让·皮亚杰（Jean Piaget）首次研究并描述了，我们在构建外部世界心理模型时，所经历的各个阶段。

这个阶段的主要特点是眼见为实；

这个阶段的孩子开始理解具体的物理概念，并用图像和语言来表征世界；

这个阶段的孩子能够以合乎逻辑的方式思考，主要是关于具体对象的描述；

这是心智发展的最后阶段，这个阶段的人可以思考抽象的东西。

大多数人认为动物受本能所支配，但是人类可以超越本能。除了基本本能，比如饥饿、口渴，我们可以自由选择做什么事，以及思考如何去做。但这些行为很有可能不是真实的——也许只是人类比其它动物拥有更多的本能，因为我们日常的大部分决策都是在潜意识中进行的，而决策的过程可能相比其它动物要复杂得多。

即使在发育早期，婴儿也已经拥有了“假设”思维。虽然人们可能会认为，出生几个月后发生的反应是后天所得的，但实验可以证明事实并非如此。

在出生时不存在的一些能力，并不意味着它们是被习得的。我们刚出生时没有牙齿，但这并不意味着我们通过“习得”而“拥有”牙齿。由于人与生俱来的假设能力，因此婴儿很聪明能够快速了解周围的环境，从而做出反应。

人类被视为高等动物，本能被进化抹去，被理性思维支配，但学习和推理是我们的本能。我们可以很容易地将它们运用起来，就像鸟儿可以飞翔，猫可以捕食一样。

儿童时期形成的学习和推理思路具有本能的所有特性：专门处理特殊的问题，所有人都能可靠地、可预见地、自动地发展；不需要意识来参与和指令，不需要意识到潜在逻辑。这与一般的智能思考或行为能力完全不同。

03

睡眠：脑的就寝时间

长久以来，人类对睡眠都很感兴趣，不同文化都试图理解睡眠治愈和提神的本质，以及睡眠与梦之间的联系。

目前认为，我们有特定的神经回路来保持清醒，如果这些回路关闭，我们便会睡着。

回路中的神经元位于脑干的网状激活系统，来自这一系统的信号进入丘脑，丘脑将这些信号与它接收到的感觉信息结合起来，并将其传递给大脑皮质。

该系统利用一种被称为谷氨酸的神经递质，它可以激活神经，因此就像一扇门，允许感觉进入丘脑最后到达大脑皮质。如果这扇门关闭了，对外界我们就会失去知觉，这就是为什么周围有噪音或在移动时也有人能睡着。

下丘脑中还有一个负责控制清醒状态的系统，它是自主神经系统的一部分，负责调节心率、呼吸、出汗和其他自主生理过程，信号从这里沿着脑底部传到大脑皮质。

这两个系统使我们保持清醒。促进睡眠的神经元和身体产生的化学物质会抑制它们，因此我们通常会慢慢进入睡眠状态，这个过程大约需要20分钟。如果睡眠不足，这个过程可以缩减到几分钟。

刚入睡的一个半小时左右，奇怪的事情发生了：此时的脑电图与清醒时的脑电图几乎没有区别，与此同时，眼球开始在眼皮下快速移动。这就是快速眼动睡眠（rapid eye movement，REM），有些人也把同步化睡眠称为非快速眼动睡眠（non rapid eye movement，NREM）。

快速眼动睡眠和非快速眼动睡眠之间有规律的节律波动，整晚每隔60～90分钟就会出现一次，所以整个周期大约发生4～5次。

梦的内容会受睡眠场所影响，与实验室相比，在家做的梦更情绪化和个人化，有更多关于性和攻击性的内容。

梦发生在快速眼动睡眠和非快速眼动睡眠中，而在非快速眼动睡眠阶段中，梦的内容通常不像快速眼动睡眠阶段的那样，遵循简单的叙述规则。如果睡眠者变得焦虑或不开心，那么梦更有可能发生在快速眼动睡眠这一阶段。

1、一般普遍认为，睡眠是为了帮助我们恢复元气。已有证据支持这一观点：在睡眠中，促进蛋白质生成的激素被释放，促进蛋白质损耗的激素则被关闭。我们清醒的时间越长，就越需要非快速眼动睡眠。

2、另一种观点认为，睡眠是一种保存能量的方式，新陈代谢率越高的动物，所需的睡眠时间越长。但是，一般人在8小时睡眠中“节省”的热量只有约500焦耳，所以这一解释并不令人信服。

3、睡眠在记忆和学习方面的重要性以及它对突触和神经网络完整性的重要性变得显而易见。如果在快速眼动睡眠被剥夺的情况下学习一项新技能，我们的表现会比剥夺非快速眼动睡眠的情况糟糕得多。

4、一种全新的观点认为，睡眠是一种刺激被忽略的神经纤维的方式，以确保神经保持最佳状态。肌肉如果不运动，就会消耗殆尽。睡眠时刻刺激神经纤维，这可能是保持脑健康的一种方式。

从清醒到睡眠的转变过程中，大多数人会抽搐几次。入睡前的抽搐很正常，就像关灯时发出的最后火花。

然而，大多数人都有突然被人唤醒的感觉，从熟睡中醒来，这是十分痛苦的，这种状况被称为“异态睡眠”，多始于童年时期。

第一类，异态睡眠是“睡眠-觉醒”转换过程中出现的问题。例如，无意义的节律运动，或身体摇摆、摇头和身体来回运动等行为。

第二类，异态睡眠是非快速眼动睡眠障碍。比如：睡醉（sleep drunkenness）、梦游和睡眠恐惧。

第三类，异态睡眠是快速眼动睡眠障碍，症状包括噩梦、睡眠麻痹和快速眼动睡眠行为障碍。快速眼动睡眠障碍通常发生在正常人身上，并可能在整个家庭成员中蔓延。这可能会指向一种更严重的疾病，比如嗜睡。

04

衰老与死亡：长生不老的科学密码

脑死亡是脑功能不可逆转的丧失，一般来说，当脑干反射、肌肉反应和呼吸驱动都不存在时，就会宣布脑死亡。

身体的部分可以归为两种类型之一：一种是器官或四肢，如心脏、肝脏或手臂，这些都可以被移除，并替换上新的“插件”；另一种是像血管网络这样的系统，它们只可以被调整，不容易被替换。

当代医学技术正在快速发展，这意味着人体四肢可以用机器进行修复、代替、移植或提高治愈进程。生活条件、生活方式和医疗保健的改善意味着越来越多的人活得越来越长，器官等“零件”的失效或磨损也不再意味着残疾或死亡。

长生不死的限制因素便是脑和神经系统的衰竭，如果用其它方式予以克服，那么高质量的长寿很有可能。但这并不一定意味着它是可取的，其伦理意义需要一整本书来讲述。

虽然现在普遍认为移植合乎道德且可取，但它在最初被提出时遭到了大多数人的反对。为什么？假设移植的前提是我们不改变主体的身份，古人会怎么理解心脏移植？

对一些人来说，这类似于将情感或灵魂移植并转移到另一个人身上。不过，现代人已经不再如从前。当我们思考脑的程序时，同样的问题也会摆在我们面前。

对于生命，一直存在一个疑问：是什么阻止我们长生不死？

有些人认为，我们必须衰老和死亡，这样才能为下一代让路，否则物种将无法生存。但没有证据证明这一点，且这与我们目前关于进化和选择的观点不一致。进化选择的是基因，而不是物种。因此，我们应该是为生存而设计的。

对我们而言，变老这一事实意味着，要么衰老是基因的优势（进化使我们变老），要么不可能永远保持年轻（所以没有办法解决衰老的必然性）。

人类生命长度的限制性因素不是被猎食，而是被感染。拥有一个好的免疫系统对生存是最基本的条件，而进化已经赋予了我们一个良好的防御系统。

但是，拥有良好的免疫系统也会让我们付出代价。一些有趣的研究表明，一个人的免疫系统越好，活得越长，拥有的孩子也越少。因此，对抗感染和繁殖后代之间在进化上存在一个权衡。

如果我们老了，会对后代有利吗？婴儿完全依赖父母，没有父母，他们生存下来的概率几乎为零。很显然，自然选择决定基因的走向，所以成年人可能会生存，直到他们的孩子长到足以养活自己。

研究表明，有祖父母的人，他（她）的家庭规模也会更大。换句话说，自然选择使我们生存下去，直到孙辈出生，且他们能够向我们学习。因此，进化似乎不可能使我们衰老。事实上正如我们所说，人类的进化发生在老年期并不存在，衰老似乎不是“应该”的，而是我们别无选择。

进化尽可能地使人类活得更长久，但也不可能“设计”出一个可以长生不死的人。因为我们无法解决的真正问题，虽然我们可以替换心脏、肺、肝脏和肾脏，但我们无法替换脑。

一个90岁大脑，它脑中的神经元在90年前就已经存在了。它们彼此构成一个复杂的连接网络，即使每天有一小部分神经元死亡，但也会很快增加。

如果身体能活200年，那我们死的时候都会精神错乱，很可能还会得帕金森病和运动神经元疾病。

对于“神经元寿命有限”这样的问题，一种新的解决办法是用电子设备取代它们。然而，科技的发展还有很长一段路要走。

结语

或许，我们的大脑自认为很了解自己，但我们仍然知之甚微，因此，对于脑科学的研究还亟待探索。

好在，我们已离开知识的安全港口，正在驶向更广阔的海洋。在接下来的发展中，神经科学将会随着时间的步伐，逐渐向我们展示更多的知识，也许，在不久的将来，我们就会真正了解关于人脑的奥秘。

正如狄更斯所言：“顽强的毅力可以征服世界上任何一座高峰！”

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