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罗胖精选 | 分工的巅峰之作:人类大脑

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发表于 2018-6-24 11:21:03 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 luojisw 于 2018-6-24 11:21 编辑

罗胖精选 | 分工的巅峰之作:人类大脑
罗振宇

和你一起终身学习,这里是罗辑思维

今天的“罗胖精选”,来自得到App付费课程《王立铭·生命科学50讲》。

有句话是这么说的,“我们总以为大脑是最厉害的,别忘了这句话是谁告诉你的。”

人类的大脑,是人世间最复杂最神奇的存在。我们每个人都有大概1000亿个神经细胞,每一秒钟会进行10^16次运算,这些神经细胞之间的回路比今天全世界的电话网络还要复杂1400多倍。

那么,这个生命体内最复杂的器官是怎么被建造出来的呢?下面我们就来听听王立铭老师的讲解,建造大脑有哪几个步骤。


你好,我是王立铭,欢迎来到生命科学50讲。

这一讲,我想给你讲讲代表了细胞分工合作最高水平的作品——人类的大脑。


你可能对它习以为常,觉得它人人都有,很普通。但是在我看来,它其实是所有地球生命体内最复杂、最精巧的一个器官。

这一讲,我们就来探讨这个复杂器官的制造问题。

当然了,这个过程一定是非常复杂、充满各种细节的。不过没关系,我们这一讲,主要来拆解这个过程里最核心的几个步骤。

建造大脑第一步:安放元器件

这么说吧,我们可以把自己的大脑看成是一个超大规模的集成电路,里面有1千亿个元件。这些元件之间还产生了1百万亿个连接。

那么,咱们来探讨一下,这个超大规模集成电路是怎么被设计出来的。

你不要被集成电路设计、1千亿、1百万亿这些词吓到。因为不论怎样,这个过程一定是需要三个步骤的:

第一,将每个元器件安放在合适的位置上;

第二,按照一定的规则,在集成电路板上蚀刻电路,将元器件连接起来;

第三,根据实际使用过程中的情况,进行反复调试改错,增加某些新元器件和新电路,去掉某些旧元器件和旧电路,最终制造出一个能够高效运转的芯片。

先说第一个步骤,安放元器件。

首先你要知道,大脑的元器件是什么。很简单,就是神经细胞。

神经细胞的样子比较特别,一个圆圆的细胞长了个超长的尾巴,还长了一堆树丛一样的分叉。

如果神经细胞一开始就是这个乱七八糟的样子,要想把它们放在确定的位置还真的是挺麻烦的。不过还好,一开始的神经细胞可不是这个样子的,而是圆圆的。
罗胖精选 | 分工的巅峰之作:人类大脑
左:新生的神经细胞 右:长出“长尾巴”的神经细胞

在受精卵不断分裂繁殖和分化的过程中,大量的神经细胞就被制造出来了。

这些新生的神经细胞,就像一大盆酒酿圆子,互相挤在一起。酒酿圆子这个比喻其实还挺传神的,它们真的和圆子一样圆圆的。而且,它们都没有找到自己应该待的位置,更没有形成彼此间的连接。

那么这些圆子,是怎么被安放在正确位置的呢?

这件事其实挺难的,因为大脑皮层可能比你想的复杂得多。大脑皮层是人类许多认知功能的核心,神经细胞主要都是集中在这里。

如果把大脑看作一个巨型的核桃仁,那大脑皮层就是核桃仁最外面的一层。

你可能会想:大脑皮层有啥复杂的,不就像核桃仁外面的膜一样薄薄的么?但是,事实并不是这样。

100多年前,西班牙生物学家卡哈尔(Santiago Ramón y Cajal)就发现,薄薄的大脑皮层不是一层简单的膜,而是多层细胞叠加在一起的三维结构。
罗胖精选 | 分工的巅峰之作:人类大脑
大脑皮层的6层结构

比如,人类大脑中负责处理视觉信息的大脑皮层区域,可以被清晰地观察到有6层,每一层神经细胞的密度、形态都不太一样。后来人们更是发现每一层的神经细胞,确实有着非常不同的生物学功能。

那问题就来了,酒酿圆子一样的神经细胞,是怎么被正确地摆放到自己的位置上,形成清晰的层次呢?

后辈的生物学家们发现,这个过程靠的是细胞迁移。

在最早的时候,神经细胞诞生在大脑深处。之后,它们会慢慢地向外移动。在移动完成之后,同时迁移出来的一批神经细胞,就形成了一个薄薄的细胞层。

在此之后,新诞生的一批细胞会穿过它们的前辈,迁移到更远、更靠上的位置上。所以,会在原来一层细胞的上面,堆积出更高、更新的一层。

就这样重复几次,层次分明的6层细胞就被堆积起来了。最里面的是最早形成的,最靠外面的是最后形成的。

你肯定会好奇,这些细胞怎么能老老实实地迁移到固定的位置上呢?原因还要从咱们上一讲的内容——细胞分工的内因和外因——里面寻找。

你可以想象,如果在每一次神经细胞大迁移的时间窗口里,大脑中都会有一些化学信号分子出现在特定的位置,吸引神经细胞迁移到它们周围去,然后,在下一个时间窗口,又会有新的信号分子,出现在新的位置。

以此类推,外部环境就可以在不同的时间,发挥不同的作用,吸引神经细胞按照一个特定的方式,堆积摆放起来了。

在过去20多年里,人们陆续发现了一批能够诱导神经细胞迁移的信号分子,有的作用距离长,有的作用距离短,有的起吸引作用,有的则起排斥作用。

你可以把这些信号分子,想像成高速公路两侧的路牌和引导信号灯,能够将神经细胞按照某种预先设计好的路径,引导到大脑中特定的位置去。

设计大脑的第一个步骤:安放元器件,也就是神经细胞,就这样完成了。之后呢,我们就可以开始第二步:搭建元器件之间的电路。

建造大脑第二步:连接元器件

具体地说,从这个时候开始,神经细胞自己的位置就基本固定了。它们需要长出长长的突起,与其他神经细胞搭在一起产生联系。

我们一般把这种突起叫做轴突。只有这样,生物电信号才能在神经细胞之间运转起来,产生大脑活动,甚至产生智慧。

这一步实现的难度,可能比上一步更难。

因为在这个时候,大脑里已经密密麻麻地堆积起了海量的神经细胞。那些细长的轴突是怎么伸展出去,准确地找到目标,并且建立联系的呢?
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神经细胞的移动

特别是有的时候,神经细胞之间的距离非常遥远。

比如,大脑皮层第一层的细胞,可能会伸出轴突插到第四层去。而在路途当中,又绝对不能和第二、三或者五、六层的细胞发生关系。它是怎么做到的呢?

这还不算,人体内最长的轴突,可能要从脊椎的位置,一直延伸到人的脚趾部位,长度可能超过1米。它们到底怎么完成如此精确的定位呢?
罗胖精选 | 分工的巅峰之作:人类大脑
人体内最长的神经细胞轴突

现在我们知道,这个连接的过程,其实和第一阶段有些相似。

刚才我们提到的那些,能够改变细胞移动方向的信号分子,其中大多数,也参与了神经细胞的连接过程。只不过,这一次它们改变的不是整个细胞的位置,而是轴突顶端的生长方向。

信号分子会产生各种信号,让轴突那小小的尖端,能够按照预设的方式生长。等到生长到目标部位后,就会和当地的神经细胞建立联系。这就是第二步:建立电路连接。

建造大脑第三步:调试完善

好,在前两步基本完工之后,我们已经建造了一个有模有样的大脑。元器件安装就位,电路连接完成。人类刚出生时的大脑,基本就是这样子的。

这个时候的大脑,也的确可以完成一些很基本的功能了,比如:哭、移动身体、吃奶等等。

但是你肯定也知道,这个时候的大脑,功能还是很不完备,还是很粗糙的。

比如,新生的婴儿看东西是看不清楚的,肌肉控制能力很差,也没有语言、逻辑分析、数学计算这些高级能力。

当然,这并不奇怪,就像任何一个程序员或者芯片设计师都会告诉你:没有谁设计的第一版程序或者芯片就是完美的,肯定是经过反复测试和修改之后,才能正常工作。

人脑其实也一样。

它需要依靠丰富的外部环境,进行测试和修改,最终在很短的时间里,实现不断地迭代升级。这也就是我们说的第三个步骤。

在这个过程又会发生什么呢?

你也许会猜,这个升级过程,可能需要更多新的神经细胞,以及更多神经细胞的连接。

可真实的情况恰恰相反,人脑完善的过程,主要不是依靠新东西的加入,反而是靠删除没用的,或者错误的旧东西。

比如,在人类发育的过程中,特别是青春期前后,大脑中神经细胞的总数量,将达到1000亿的量级。并且在此之后,就几乎不再有新的神经细胞加入了,所以,大脑中的神经细胞是在缓慢减少的。

与此同时,神经细胞之间连接的数量,也会出现明显的下降,将会有接近一半的连接消失。

这其实就已经说明,人类大脑发育完善和积累经验的过程,实际上,主要是靠原有连接的消失来完成的,而不是增加新细胞,或者新连接。

当然,在这个调试修改的过程中,具体发生了什么,现在我们知道的还不是非常多。

那如果我们继续追问,大脑这个巨型集成电路的完善和修改,是根据什么指导原则来完成的呢?

换句话说,大脑自己怎么知道哪些连接需要增强或者删除,哪些细胞需要杀死或者增加呢?

可以肯定的是,环境中的各种刺激,一定起到了非常重要的作用。

比如,在上个世纪八十年代,两位神经科学家——休伯(David Hunter Hubel)和维瑟(Torsten Nils Wiesel)就发现,如果从出生开始,把小猫的一只眼睛封起来,让它看不到光,经过几个月后再打开,这个眼睛就再也看不见东西了,尽管眼睛的各种结构还是完好无损的。

也就是说,在没有光线刺激的时候,大脑的神经系统失去了分析视觉信号的能力。

所以你看,在这个例子里,环境里面的光信号,对于大脑处理视觉信息这个功能的完善和修改,是绝对必要的。

以此类推,大脑的其他功能,比如语言、运动、情绪、学习,其实也都需要和环境持续的互动才能完成。

一句话总结:建造大脑的第三步,也就是调试完善的步骤,需要环境信息的持续参与。

说到这里,大脑这块集成电路终于设计完成了。总结一下,大脑的建造就像设计集成电路一样,需要三个步骤:

首先,安放元器件;其次,搭建电路;最后,依靠外部环境进行调试。

就这样,在这个伟大工程完工之后,人类大脑这座智慧机器才能投入运行。

来源:得到



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