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周盈盈 一個精密神奇的結構,就藏在你的身體里

發布時間:2022-01-11

    作者:周盈盈  來源:中國科學院腦科學與智能技術卓越創新中心

  我們經常會被問:你心里到底在想些什么呢? 

  如果人體器官能說話,那么聽到這個問題,心臟可能會說:“什么??我根本就沒有‘想’這個功能好嘛!”

  而大腦則可能會感覺更委屈:“為什么問心在想些什么?明明是我??!是我一直在‘想’!”

  圖片來源:veer圖庫

  大腦實實在在承載著“想”這件事。

  因為“想”,大腦這個僅占人體體重2%的器官,卻要消耗全身耗氧量的20%,及全身ATP(能量)的17%,因此被譽為人體的“CPU”。

  它有著最復雜的神經網絡結構,也是世界上已知的擁有最強計算能力的“存在”。

  2016315日,著名圍棋棋手李世石對戰谷歌AlphaGo,盡管最終以1:4的成績輸給了AlphaGo,但是比賽時阿爾法狗要耗掉1202CPU、176GPU100多名科學家算力,而李世石只需要他的大腦和一杯咖啡。 

  你一定很好奇,大腦是如何實現高速運算和信息傳遞的? 

  它有什么樣的神奇之處? 

  在這個互相纏繞的網絡中,神經細胞訴說著無盡的“秘密”

 ?。▓D片來源:veer圖庫)

  大腦“地圖”長啥樣? 

  我們的大腦由140億個神經元組成,它們就像奔騰的大海,一天24小時,永遠不停地為我們工作著,不同的腦區高度有序,各司其職,精細調控著我們的身體。 

  在人腦的結構中,大腦皮層是整個中樞神經系統的最高級中樞,大腦皮層的高度進化也是哺乳動物進化的標志。 

  大腦皮層的主要結構與功能(圖片來源:維基百科-大腦皮層,作者改編)

  而我們常說的大腦,通常是指大腦皮層及皮層下的一些重要結構,如扣帶回、基底神經節、邊緣系統、腹側被蓋區等。 

  如圖所示,人腦除大腦外,還包括胼胝體,間腦,腦橋,小腦,脊髓等結構,它們共同構成了我們的中樞神經系統。 

  人腦主要的結構與功能(圖片來源:《神經生物學原理》,作者改編)

  記不記得電視劇里時常上演的“吞槍自殺”場景?其實,槍在喉嚨中正對著的就是腦干的延髓部分,而延髓又是調控我們呼吸、心跳和消化的重要腦區,一旦延髓被破壞,就會立即喪失生命。 

  因此,當遇到危險時,一定要保護好我們的后腦勺!  

  而在事故中,如果損傷到了脊髓,大腦和身體連接的通路就斷了,此時大腦既接收不到身體的感覺信息,發出的運動指令也無法到達軀體,就會導致半身癱瘓。因此,在發生車禍或意外跌落的現場,切忌隨意翻動傷員,以免加重脊髓損傷,造成不可逆的后果。 

  聰明的是怎樣傳遞信號指揮身體的? 

  神經元是大腦活動的最基本的單元,約占神經細胞的1/10。神經元能傳遞外界的感覺信號、發出運動命令,像一位執行總指揮似的。 

  除神經元外,大腦還具有膠質細胞,它則支持著神經元及其環繞神經的其他組織。膠質細胞占神經細胞的9/10,像是警衛員一般,履行著讓大腦行動有序、高效運轉的責任。 

  神經膠質細胞保護,供養和支持神經元(圖片來源:www.visiblebody.com

  其次,神經元獨特的形狀和結構幫助神經系統信號實現快速傳遞。神經元胞體有許多樹突,它們就像是“天線”一樣,接收到信號后,引起神經元興奮,將信號通過軸突傳遞給下一個神經元。 

  神經元的基本結構(圖片來源:www.visiblebody.com

  如果該信號是運動信號,當該信號傳遞到大腦的運動皮層時,運動神經元就會發出運動指令,通過皮層-皮層下運動環路調控后將信號傳遞給腦干,并到達軀體的各個部位,精確地控制我們每一個行為。 

  皮層-皮層下的運動環路,Cortex 皮層;Basal ganglia:基底神經節;Brain stem/Spinal cord 腦干/脊髓;Cerebellum 小腦;Thalamus 丘腦 (圖片來源:Movement Disorders. 2019 Aug;34(8):1130-1143) 

  被操控的大腦 

  在科幻電影中,我們經常能看到具有超能力者控制別人大腦的畫面。在現實生活中,大腦真的可以被操控嗎? 

  2017年,耶魯大學的Ivan E de Araujo教授利用光遺傳技術(通過光來激活神經元)操控了小鼠捕食蟋蟀的過程。其中,中心杏仁核CeA和對應靶點應導水管周圍灰質PAG,在小鼠的捕食行為中發揮著重要作用。

  如視頻所示,當藍色激光處于關閉狀態,小鼠看到蟋蟀會產生“好奇害怕”的反應,而后慢慢遠離它。一旦藍色激光開啟,通過光遺傳技術激活 CeA →PAG神經環路時,小鼠會立馬跑過去捕食蟋蟀。這說明在實驗中,小鼠的大腦是會被光信號控制的。 

  人腦——地表最強! 

  人和動物的大腦究竟有什么區別?為什么是人類而不是其他動物創造了社會文明? 

  不同哺乳動物的大腦,結構和比重上的差異是很大的,而人腦的特殊性人類文明的創造奠定了生理上的基礎。相比較而言,人,猩猩和海豚大腦有很多褶皺,大鼠和兔子的大腦皮層則比較光滑。 

  不同哺乳動物的腦對比(圖片來源Neuroscience: Exploring the Brain(2007)-Chapter7

  皺褶的產生取決于兩個參數:大腦皮質的生長速度和厚度。在大腦皮層發育過程中,神經細胞的數量、大小、形狀和位置變化導致了大腦表面皮質的膨脹,而位于皮層下方的白質則變化不大,使大腦皮層在壓力下出現物理作用力的機械不穩定,最終形成褶皺結構。 

  盡管猩猩和海豚都擁有多“溝壑縱橫”的大腦皮層,但是黑猩猩的皮層面積只有600平方厘米,人的大腦皮質面積卻有2400 平方厘米之多。人的大腦皮質的面積和結構與猩猩有著巨大的差異,尤其是人大腦皮層的額葉所占比例遠遠大于猩猩,這也導致人的智力更高。 

  海豚作為擁有較高智商的動物,它的大腦皮質面積達到了2600 平方厘米,但是海豚大腦的功能遠遠無法和人類相比,這是為什么? 

  這是由于人和海豚的祖先選擇了不同的進化路徑:海豚選擇了在海洋進化,四肢變為鰭。 

  為了適應復雜而廣闊的海洋環境,海豚大腦皮質雖然很發達,但大部分都用來管理和控制它們的聲波定位系統。更有趣的是,海豚為了24小時保持運動、交流和捕食能力,它們的左右大腦甚至可以輪流睡覺。 

  海豚的回聲定位系統(圖片來源: https://dolphinquest.com/

  而人類選擇了陸地,進化出靈活的手指。手的進化創造了復雜的工具,而對復雜工具的學習制作,使得腦和手得到進一步開發。如此循環,漸漸使我們的祖先從原始人進化成智人,以及腦容量的急劇增加使得智人可以分辨和發出更多的音素,最終發展出人類獨有的語言和文字,從而創造了社會文明。 

  大腦的結構不斷向復雜演化,適應著千變萬化的復雜環境。而同時,環境的改變又促使著大腦結構的“升級”,我們就這樣在不斷的變化之中開啟了漫長的進化之旅。 

  參考文獻:

  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. 大腦表面為什么有這么多褶皺?知乎

  5. 如果海豚在陸地上堅持了下來,或許海豚文明會取代我們人類文明 個人圖書館

http://www.kepu.net.cn/ydrhcz/ydrhcz_zpzs/ydrh_2021/202109/t20210923_495264.html

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