神經(jīng)元優(yōu)化與動物生長發(fā)育

神經(jīng)元優(yōu)化與動物生長發(fā)育

人類無疑是地球上最有智慧的動物。人類能夠設(shè)計、制造和使用工具,能夠用復雜的語言文字系統(tǒng)來傳遞和儲存信息,能夠進行邏輯思考,用靈活的方式解決問題、預見和計劃將來,并對世界進行不斷深入的研究,還能創(chuàng)造和欣賞音樂、繪畫、雕塑等藝術(shù)形式。人類是唯一能大規(guī)模改變自身生存環(huán)境和條件的物種?？v觀周圍的建筑、橋梁、道路、汽車、飛機、人造衛(wèi)星、宇宙探測器,乃至人們使用的計算機、數(shù)碼相機、手機、高清電視、光纖網(wǎng)絡,無不是人類智慧的結(jié)晶。而智力和人類最為接近的靈長類動物黑猩猩,甚至不能給自己建造一個簡陋的居所。近一兩百年來,尤其是近幾十年,科學技術(shù)水平飛速進步,使人們感覺到人類好像越來越聰明,制造航天飛機的現(xiàn)代人似乎比制造馬車的古代人更聰明。事實是這樣嗎?若果真如此,那人類還會變得更聰明嗎?從類人猿進化到現(xiàn)代人,智力在不斷提高。人類祖先在大約500萬年前和黑猩猩分道揚鑣時,兩者的智力應該是比較相近的。因此,目前人類所擁有的智力應該是在之后的幾百萬年中發(fā)展起來的。在原始時期,人類祖先的智力發(fā)展是很緩慢的。目前發(fā)掘出最早的石器出現(xiàn)在大約250萬年前的非洲,也就是人類和黑猩猩分開大約250萬年之后。石器是人類祖先使用的日常工具,它的出現(xiàn)說明此時人類祖先的智力已經(jīng)超過了黑猩猩。人類用火最早的遺跡(云南省元謀縣)是在170萬年前的元謀人時代。最早的陶器出土于中國湖南,大約制作于1.8萬年前。在河南省舞陽縣賈湖出土的大約8000年前類似文字的契刻符號,以及大約5000年前在西亞兩河流域出現(xiàn)的楔形文字,都說明文字誕生于幾千年前。而最早的鐵器出現(xiàn)在約3500年前的赫梯帝國(現(xiàn)土耳其境內(nèi))。也就是說,在人類祖先和黑猩猩進化上分支以后的幾百萬年中,技術(shù)上的發(fā)展(在一定程度上也是智力發(fā)展的標志)是非常緩慢的。人類社會相對快速的發(fā)展,基本上是在過去的幾千年之內(nèi)。到了近代,科學技術(shù)的發(fā)展越來越快,近幾十年更是人類發(fā)展與創(chuàng)新的爆炸時期。但是科學技術(shù)發(fā)展的水平和速度,與人類智力的進步并不是一回事。原始社會時,生產(chǎn)力非常低下,不可能有不勞動而專門從事科學研究的人,但是不能因此就認為那個時期的人比較笨。生產(chǎn)力發(fā)展了,社會有了“余錢剩米”,才能分支出可以不從事生產(chǎn)活動的人員,科學技術(shù)的進步才可以加速。語言的出現(xiàn)使得儲存在每個人腦中的信息得以傳播給他人和下一代;文字的出現(xiàn)更使得知識和經(jīng)驗可以在人腦之外被記錄和積累,因此可以更方便地傳播以供后人學習。如此,個人就不必全憑自己的智力從頭開始獲取和創(chuàng)造知識,而是可以在旁人和前人成果的基礎(chǔ)上進一步發(fā)展。積累的知識越多,已有的技術(shù)手段越先進,不同學科之間越是互相滲透、相互促進,人類發(fā)現(xiàn)和獲取知識的速度就越快。近代和現(xiàn)代物理學的探測手段,如同位素示蹤、光譜、質(zhì)譜、X-射線衍射、核磁共振等,極大地促進了化學、生物學和醫(yī)學研究的進展。目前許多國家在科學研究和技術(shù)開發(fā)上投入了大量的資金與人才,新成果的出現(xiàn)也就更多更快。但這并不等于現(xiàn)代人就比幾千年前的古代人聰明。比如在4700多年前建造的埃及胡夫金字塔(PyramidofKhufu),高146.5m,由230萬塊巨石堆砌而成,總重近700萬t,而且?guī)缀尉葮O高。即使現(xiàn)代人用現(xiàn)代技術(shù),也很難取得那樣的成就。2500多年前成書的《孫子兵法》,至今仍是世界上許多軍事院校的必讀教材。書中所包含的思想和智慧已經(jīng)超出軍事范疇,廣泛應用于社會生活的各個方面。我們讀古代的小說或演義,并不覺得里面的人物笨。即使將現(xiàn)代人放到當時的環(huán)境中去,其行為和處理問題的方式未必有古人高明。就好像爬山,古代人從海平面爬起,爬到海拔500m。現(xiàn)代人從5000m處爬起,可以爬至海拔5500m。5500m當然比500m高得多,但是每個人爬的相對高度仍然是500m。古代人發(fā)明的用火、燒制陶器、冶煉金屬,其難度不亞于現(xiàn)代人測定一個基因的序列,或者編一個軟件程序。所以從人類的生產(chǎn)水平和科學技術(shù)發(fā)展史來看,無法得出人類智力進化的準確過程。也許人類的智力在幾千年前,甚至更早,就已達到現(xiàn)在的水平。對近百年來各國人群智商的測定表明,在測定的早期階段不同人群的智商都隨時間增加,大約每10年增加3點左右(標準為100點)。這種現(xiàn)象被新西蘭Otago大學的科學家JamesRobertFlynn所注意到并進行了總結(jié),叫做“弗林現(xiàn)象”(FlynnEffect)。弗林現(xiàn)象的存在似乎說明人類的智力還在不斷進步。但仔細分析發(fā)現(xiàn),這種增加主要是低智商人群的進步,很可能是由于營養(yǎng)條件的改善消除了對大腦發(fā)育的不良影響。在同一時間段內(nèi),高智商人群的得分并沒有增加。而且從20世紀90年代開始,許多發(fā)達國家人群的平均智商已停止上升。雖然用各種方法對智商進行測定的結(jié)果并不能完全代表智力,但這些實際測定的結(jié)果也說明,對于營養(yǎng)有保障的人群來說,智力發(fā)展可能已經(jīng)進入了平臺期,計算機時代的到來并沒有使人類變得更聰明。從長遠來看,目前的問題是,人類的智力是否存在進一步發(fā)展的空間?是否有物理學和化學上的極限?人的思維和智力是大腦中神經(jīng)細胞(又叫神經(jīng)元)活動的產(chǎn)物。也就是說,人類的智力是基于神經(jīng)元的智力,這與現(xiàn)代計算機基于硅晶體管的“能力”不同。因此,判斷人類智力的發(fā)展有無極限,首先要了解智力與大腦中神經(jīng)元的關(guān)系。1牛的腦重和體重計算的一個“預期值”的數(shù)量大,很容易造成智力不高縱觀人類的進化過程,似乎是腦容量越大越聰明。比如現(xiàn)代黑猩猩的腦容量只有420mL,而現(xiàn)代人的平均腦容量有1350mL。生活在300多萬年前的非洲原始人類露西(Lucy),其腦容量只有400mL左右。200萬年前直立人出現(xiàn),其腦容量就增加到800mL。由此看來腦容量是伴隨著人類智力的發(fā)展而增大的(有些文獻用重量表示腦的大小。由于腦的密度在1.03~1.04g/mL之間,與水非常接近,因此可近似用克表示腦的重量,用毫升表示腦容量)。從表面上看,這似乎是不言自明的。腦容量越大意味著可以容納更多的神經(jīng)元,自然智力也會比較高。但是如果將范圍擴大到其他動物,就會發(fā)現(xiàn)此種說法并不完全成立。比如牛的大腦(約440g)比老鼠的大腦(約2g)重200倍以上,與黑猩猩差不多。但是牛不但遠不如黑猩猩聰明,也不比老鼠更聰明。即使同屬犬類,大型犬有時未必比小型犬聰明。烏鴉的腦只有10g重,卻是最聰明的鳥類之一。它會把石子填到裝有一部分水的瓶子里,使水位升高以便能喝到水。如果有不同大小的石子可供選擇,它會先用比較大的石子,以便使水面更快上升。渡鴉還會把堅果放在馬路上,讓汽車把果殼壓開。因此腦容量大并不等于高智力。體型較大的動物一般腦容量也較大。但是這多出來的神經(jīng)元并不一定是用來提高智力的,而是首先用來控制和管理自身較大的軀體。比如牛,它需要感覺的皮膚面積和要控制的肌纖維數(shù)量都遠多于老鼠。就好像一個國家或一個地區(qū),面積和人口多了,管理機構(gòu)及人員也會相應增多。只有在基本管理任務以外“富?！背鰜淼纳窠?jīng)元,才有可能被用于進行更高級的思維,從而發(fā)展出更高的智力。為了弄清腦重和體重的關(guān)系以及這種關(guān)系對智力的影響,荷蘭解剖學家杜波伊斯(EugeneDubois)及其同事收集了3690種動物的腦重和體重信息。他的后繼者對這些數(shù)據(jù)進行分析后發(fā)現(xiàn),隨著動物軀體變大,腦的重量并非以線性比例增大,而是以體重的0.7~0.8次方,即冪指數(shù)的形式而逐漸增大。比如麝鼠(muskrat)的體重是小鼠(mouse)的16倍,但麝鼠的腦重只有小鼠的8倍。把這些體重和腦重數(shù)據(jù)輸入到對數(shù)坐標上,橫坐標為體重,縱坐標為腦重,經(jīng)過數(shù)學分析得到一條直線,利用這條直線可以從動物的體重計算出腦重的“預期值”。有些動物的坐標正好處在直線上,比如小鼠、狗、馬和大象等。有些動物的坐標在直線的上方,說明它們的腦重超出了預期值,應該比較聰明。高出直線越遠,說明腦重超過預期值越多,理論上越聰明。實際情況也是如此,比如人的腦重超出預期值7.5倍,是所有動物中最高的,也最聰明。海豚是5.3倍,猴子是4.8倍,都相當聰明。反之,如果動物的坐標處在直線以下,也就是它們的腦重低于預期值,理論上講就會比較笨。牛的比值是0.5,也就是說它的腦重只有預期值的一半,也的確比較笨。不過這個規(guī)律也有例外。比如南美卷尾猴(NewWorldcapuchin)的腦重與預期值的比例就高于黑猩猩,但其遠不如黑猩猩聰明。對于體型巨大的動物,如藍鯨,腦重與預期值的比例也很低(約0.25),但藍鯨實際上是比較聰明的動物。所以腦重和智力的關(guān)系,還需要更深入地探討,以找出更好的評價指標。2利益質(zhì)量和智力的數(shù)量和數(shù)量前面討論了腦的大小與智力的關(guān)系。能否換一個角度,看看腦中神經(jīng)元的數(shù)目與智力的關(guān)系呢?不過人腦中并非所有的神經(jīng)元都與思維有關(guān)。比如控制身體一些基本活動(如呼吸、心跳、排泄)的神經(jīng)中心主要存在于延髓中。植物人全無意識,但這些基本生理活動依然可以正常進行。所以控制這些活動的神經(jīng)元可以被認為與智力無關(guān)而不予以考慮。小腦占腦總體積約10%,其神經(jīng)元(主要為顆粒細胞)與運動的協(xié)調(diào)有關(guān),在計算與智力相關(guān)的神經(jīng)元時,也可將其排除在外。大腦占人腦總重量的82%,其中大腦皮層(大腦表面幾毫米厚的組織,是大腦神經(jīng)元的集中分布區(qū))與人的思維直接相關(guān)。其他哺乳動物的大腦也占據(jù)了腦體積的絕大部分,與人腦的結(jié)構(gòu)和功能類似,所以大腦皮層中神經(jīng)元的數(shù)目也許是估計動物智力的一個更優(yōu)指標。的確,如果比較不同動物大腦皮層中神經(jīng)元的數(shù)量,人類明顯是第1位,大約有120億個神經(jīng)細胞(不同實驗室得出的數(shù)值不完全相同,大約為110億~140億)。即使鯨魚的腦比人腦大好幾倍,但其大腦皮層中神經(jīng)元的數(shù)量比人類還要少一些,在100億~110億之間。黑猩猩大腦皮層中神經(jīng)元的數(shù)量是人的一半左右,約62億,海豚是58億,大猩猩是43億,這些動物的智力相當。這些數(shù)值表明,120億左右是地球上動物大腦中神經(jīng)元數(shù)量的最高值,只為人類所擁有。鯨類動物大腦皮層中神經(jīng)元的數(shù)目與人相近,智力卻遠不如人。這說明足夠數(shù)量的神經(jīng)元是高智力的必要條件,卻不一定是充分條件。在神經(jīng)元數(shù)量相同的情況下,智力還與神經(jīng)元之間的連接方式和信號傳輸?shù)乃俣扔嘘P(guān)。3在壓力和速度之間的傳遞人腦中的120億個神經(jīng)元本身并不能自發(fā)地產(chǎn)生智力。嬰兒出生時,大腦中的神經(jīng)元已經(jīng)完全形成,也就是說人類從出生起就已經(jīng)擁有了120億個神經(jīng)元。但是新生兒并沒有明顯的智力。要經(jīng)過數(shù)年的時間,智力才逐漸由這些神經(jīng)元發(fā)展出來。這說明神經(jīng)元之間聯(lián)系的建立對于智力的發(fā)展是必不可少的。而且智力的發(fā)展有一個與外部環(huán)境密切相關(guān)的關(guān)鍵期。由狼哺養(yǎng)大的狼孩,雖然擁有和正常人同等數(shù)量的神經(jīng)元,但是由于錯過了智力發(fā)展的關(guān)鍵期,即使后來再回到人類社會,其智力也始終停留在非常低的水平。這就像計算機中央處理器(centralprocessingunit,即CPU)中的晶體管。目前的CPU中已經(jīng)可以容納數(shù)以千萬個、甚至上億個晶體管,但這些晶體管還需要導線將它們連接起來才會產(chǎn)生運算能力。思維過程涉及到大腦的不同區(qū)域,信號需要沿著神經(jīng)元之間的通路(本文中筆者將這些通路統(tǒng)稱為神經(jīng)纖維)在不同區(qū)域的神經(jīng)元之間進行傳遞和交換。信號在大腦不同區(qū)域之間傳播的途徑越順暢,速度越快,大腦處理信息的速度就越快,智力就有可能更高。而神經(jīng)纖維傳輸信號的速度是比較慢的。不同神經(jīng)纖維的信號傳遞速度在0.5~100m/s之間。假設(shè)信號傳遞速度的平均值為10m/s,也就是每傳輸1cm,需要1ms的時間。在這種傳輸速度下,腦的尺寸對信息傳輸時間有很大的影響。比如牛的大腦比老鼠的大腦重200多倍,直徑為6~7cm,而老鼠的大腦直徑不到1cm。信號從牛大腦的一邊傳到另一邊的時間需要6ms左右。如果思維需要腦中多個部分之間信息的多次來回交換,牛思考所需要的時間就更長了。這也許可以部分解釋為什么老鼠的反應和行動是那么迅速,而牛卻總是慢吞吞的。而體型微小的蜜蜂,腦重只有幾毫克,但是蜜蜂腦中神經(jīng)元之間的距離很短(在毫米范圍內(nèi)),因而信息可以在神經(jīng)元之間迅速傳遞。這使得蜜蜂在互相追逐時,可以在一眨眼的工夫飛出復雜的曲線,從而在毫秒級的時間段里對飛行軌跡進行精確的控制。因此,要提高大腦處理信息的速度,就要盡量縮短神經(jīng)元之間的距離。從這個意義上講,腦子越大越不利。4功能區(qū)之間的距離人腦相對來說是比較大的,寬約14cm,長約16.7cm,高約9.3cm。大腦皮層分為許多功能區(qū),思維過程中信息需要在多個功能區(qū)之間交換。不同的人其功能區(qū)之間的距離亦有所不同(見下文)。為了研究信號在功能區(qū)之間的傳輸距離是否與人的智力有關(guān),科學家用不同的方法測定了部分人大腦中功能區(qū)之間的距離,再將數(shù)據(jù)與測試對象的智力相比較,得出了類似的結(jié)果。荷蘭Utrecht大學醫(yī)學院的MartijnvandenHeuvel等人用功能核磁共振(functionalmagneticresonanceimaging)測定處于休息狀態(tài)時人腦不同功能區(qū)之間的距離。在時間上高度同步的神經(jīng)活動區(qū)域被認為是彼此相關(guān)的。從核磁共振圖中可以得出這些功能區(qū)的距離。Heuvel等人的實驗結(jié)果表明,信號傳輸路徑最短的人,智商最高。英國劍橋大學的神經(jīng)圖像專家EdwardBullmore用腦磁圖(magnetoencephalography)估算大腦中不同區(qū)域之間信號傳輸?shù)乃俣?并且與測試對象的短期記憶力(在短期內(nèi)同時記住幾個數(shù)的能力)相比較,發(fā)現(xiàn)區(qū)域之間具有最直接聯(lián)系、信號傳輸速度最快的人,具有最好的短期記憶力。這些研究結(jié)果都支持了上述觀點,即神經(jīng)功能區(qū)之間的距離長短與信號在這些功能區(qū)之間傳輸?shù)乃俣戎苯佑嘘P(guān),也和智力的高低有關(guān)。讀者也許會問,人腦的大小和重量不是都差不多嗎?為什么功能區(qū)之間的距離還會不同呢?這是因為不同的人大腦皮層的形狀不同。人的大腦表面不是平滑的,而是布滿了溝回。這使得大腦皮層的表面積比光滑的大腦要大得多,因此可以容納下更多的神經(jīng)元。但就像人的指紋一樣,沒有2個人的溝回形式是完全相同的。即使是同卵雙胞胎,溝回的形式也只是相似,但仍彼此不同。由于大腦皮層分為許多功能區(qū),不同的溝回形式意味著每個人功能區(qū)之間的距離不同,信號在這些功能區(qū)之間傳輸所需要的時間也不同。對于一個特定的人來說,如果2個功能區(qū)之間的距離比平均距離短,與這2個功能區(qū)有關(guān)的智力就有可能比較高。但是另外2個功能區(qū)之間的距離也許又比平均數(shù)長,與這些功能區(qū)有關(guān)的智力也許就相對較差。這或許可以部分解釋為什么不同的人所具有的才能不同。有些人在數(shù)學領(lǐng)域較為擅長,有些人具有音樂天賦,但是在別的領(lǐng)域就相對較差。愛因斯坦的腦重只有1230g,相當于1194mL,明顯低于人類1350mL的平均值。但是他的大腦的頂葉部位有一些特殊的山脊狀和凹槽狀結(jié)構(gòu)。較小的大腦和特殊的溝回結(jié)構(gòu),也許造就了愛因斯坦進行思維時神經(jīng)通路特別短且通暢,從而形成了他超于常人的智力。但是他在語言方面似乎稍遜于常人,直到3歲才會說話。5在壓力和速度上的應用為了擁有盡可能多的大腦皮層神經(jīng)元,同時這些神經(jīng)元必須安排得盡可能緊湊以縮短它們之間的距離,還要使神經(jīng)元之間的通訊盡可能快捷,人腦已經(jīng)采取了多種方式進行優(yōu)化。這些措施是其他高等動物所共同采取的,但是人類將其發(fā)展到了極致。1)保持神經(jīng)元的體積,使其避免過大。通常情況下,動物在體型變大時,神經(jīng)元的體積也隨之增大,這樣勢必會增加神經(jīng)元之間的距離。而靈長類動物的大腦有一個特點,即腦隨著身體的增長變大了,但神經(jīng)元的體積基本上不變,因此可保持較高的神經(jīng)元密度。人每1mm3的大腦皮層,也就只有大頭針的針頭那么大,里面卻含有約10萬個神經(jīng)元,每個神經(jīng)元平均有29800個連接處與其他神經(jīng)元相聯(lián)系。用這種方式,人的大腦已經(jīng)含有所有生物中數(shù)量最多的神經(jīng)元,而大腦的總體積仍然在人體可以接受的范圍內(nèi)。與此相反,大象和鯨魚的大腦中神經(jīng)元的尺寸就相對較大,使得它們的大腦雖然比人的大得多,但是神經(jīng)元的密度卻相對較低。因此大象和鯨魚大腦的工作效率也比人的大腦要低。2)大腦的神經(jīng)元多集中在表層(大腦皮層)2~3mm的厚度中。這樣可以使神經(jīng)元之間的距離盡可能地短。數(shù)學分析表明,這種安排比起把神經(jīng)元在大腦中平均分布再彼此聯(lián)系更有效率。絕大多數(shù)的神經(jīng)元之間的聯(lián)系都是短途的,只有少數(shù)是長距離的聯(lián)系。3)大腦皮層的構(gòu)造也不同。大腦皮層分為新皮層(neocortex)、古皮層(archeocortex)和舊皮層(paleocortex)。古皮層與舊皮層比較古老,與嗅覺有關(guān)。這些皮層的結(jié)構(gòu)只有3層,叫做爬行動物的大腦皮層。而從哺乳動物開始,新皮層出現(xiàn)。動物的進化程度越高,新皮層所占的比例越大。像人的大腦皮層中,約有96%是新皮層。新皮層中神經(jīng)元的排布依據(jù)神經(jīng)元類型的不同分為6層,可以實現(xiàn)更高程度的皮質(zhì)神經(jīng)元的密集。計算機的CPU也借鑒了這個設(shè)計,在芯片中有多達9層的晶體管。4)用不同的神經(jīng)纖維完成不同的任務。由神經(jīng)元發(fā)出的,將信號傳給其他細胞的纖維叫做軸突。有的軸突外部包有絕緣層(髓鞘),叫做有鞘纖維,傳輸信號的速度比較快,但是占的體積也比較大。另一種沒有絕緣層,叫做無鞘纖維,傳輸速度比較慢,但是占的體積相對較小。大腦皮層神經(jīng)元之間的短途連接使用無鞘纖維,以減少占用的空間,使神經(jīng)元之間可以更加靠近。而途徑較長的聯(lián)系就用有鞘纖維以獲得更高的傳輸速度。由于髓鞘是白色的,這部分腦組織就叫做白質(zhì)。神經(jīng)元集中的地方因為軸突沒有髓鞘,成灰色,叫做灰質(zhì)。白質(zhì)和灰質(zhì)的分區(qū),說明大腦已經(jīng)在減少體積和保持信號傳輸速度上盡量兼顧二者。由于這些改進,人腦在擁有地球上動物中最多數(shù)量大腦皮層神經(jīng)元的同時,又在神經(jīng)元的密集程度、連接路徑及信號傳輸速度上進行了優(yōu)化,使人類擁有其他動物無法比擬的智力。問題是,大腦的這些優(yōu)化過程已經(jīng)接近終點了嗎?人類的智力還能提高嗎?6智力和集程度的影響從上文可以看出,大腦皮層中神經(jīng)元的總數(shù)、神經(jīng)元的密集程度及信號在大腦中各個功能區(qū)之間傳輸?shù)木嚯x和速度都與智力的高低有關(guān)。那人類是否能夠在這幾個方面繼續(xù)加以改進,以獲得更高的智力呢?下文將對這些問題分別進行討論。6.1新生兒的頭尺寸變化既然人類擁有地球上動物中數(shù)目最多的大腦皮層神經(jīng)元,同時也擁有最高的智力,繼續(xù)增加這些神經(jīng)元的數(shù)目也許能使大腦處理信息的能力更為強大,使人類變得更加聰明。但是更多的大腦皮層神經(jīng)元意味著更大的大腦,功能區(qū)之間的距離會增加,使信號傳輸?shù)木嚯x和時間更長。這會使大腦處理信息的速度變慢。更大的大腦也需要更大的頭來“裝”它。目前人類新生兒的頭部尺寸已經(jīng)是身長的1/4(成人為1/8),頭圍約34cm。這樣大小的頭部已經(jīng)使得分娩成為一件困難和痛苦的事情。經(jīng)歷過或者看過分娩過程的人都會對此印象深刻。若新生兒的頭太大,如果不是剖腹產(chǎn),恐怕母親將難以順利產(chǎn)下嬰兒。就算分娩的問題能解決,能量供應也是問題。大腦是高度消耗能量的組織,人腦的重量大約為體重的2%,卻使用身體能量總消耗的20%。新生兒大腦的能耗甚至高達身體總能耗的60%!且心臟、肝臟、腎臟也是高度耗能的器官,但加起來也不到新生兒總能耗的40%。再增加腦容量,恐怕其他器官的活動就無法維持了。6.2神經(jīng)纖維直徑和信號傳輸?shù)乃俾试黾哟竽X處理信息效能的一個辦法就是增加信號在神經(jīng)元之間和功能區(qū)之間傳輸?shù)乃俣?。不同的神?jīng)纖維傳輸信號的速度不同。神經(jīng)纖維直徑越大,信號傳輸速度越高。這就像粗的電線由于電阻較小,導電能力更強一樣。神經(jīng)纖維外面有絕緣層(髓鞘)的,信號傳輸?shù)乃俣纫哺?。但無論是增加神經(jīng)纖維的直徑,還是在外面包上厚厚的絕緣層,都會使神經(jīng)纖維的總直徑變大,占用更多的地方,迫使神經(jīng)元之間相距更遠。這會增加信號傳輸?shù)木嚯x,使信息處理速度變慢。6.3功能區(qū)之間的聯(lián)系現(xiàn)在人類大腦皮層中各神經(jīng)元之間有著數(shù)以萬計的聯(lián)系。進一步增加聯(lián)系的數(shù)目也許能使大腦處理信息的能力更為強大。增加功能區(qū)之間的聯(lián)系也相當于增加信號傳輸?shù)膸?使信息傳輸更加通暢。但無論是增加短途聯(lián)系或長途聯(lián)系的通道,都意味著要增加神經(jīng)纖維的數(shù)量。這些神經(jīng)纖維必然要占用更大的體積,增加各神經(jīng)元之間和功能區(qū)之間的距離,其結(jié)果也是延長信號傳輸?shù)臅r間,使大腦處理信息的速度變慢。更多的神經(jīng)纖維也意味著更多的神經(jīng)脈沖,消耗更多的能量。6.4神經(jīng)脈沖的信號如果神經(jīng)元的細胞體積變得更小,神經(jīng)纖維變得更細,就可以在同樣的體積中容納更多的神經(jīng)元。這樣既可以提高大腦皮層中神經(jīng)元的總數(shù),提高信息處理能力,又可以縮短它們之間的距離,有利于信號的傳輸,還可以降低能耗,是一舉數(shù)得的辦法。問題是,神經(jīng)元和神經(jīng)纖維還能進一步微型化嗎?這有點像計算機行業(yè)中的摩爾定律,即每過18個月,集成電路中晶體管的總數(shù)和計算性能就提高1倍。這主要是通過晶體管以及它們之間的導線微型化來實現(xiàn)的。既然計算機可以這樣做,那么大腦是不是也可以這樣做呢?摩爾定律在開始時工作得很好,似乎可以無止境地持續(xù)下去。但是當晶體管的尺寸接近納米級時,漏電現(xiàn)象就日益嚴重,晶體管的工作不再可靠。提高柵極的電壓可以改善晶體管工作的穩(wěn)定性,但是要消耗更多的能量,散熱問題就更難解決。而且隨著集成電路的微型化,電場傳播速度也有一天會成為計算機速度的瓶頸。現(xiàn)在計算機的速度已經(jīng)可以達到每秒千兆級(gigabits)。而在4kM的頻率下,電場在每個周期中也只能走7.5cm,也就是已經(jīng)接近計算機硬件的尺寸。神經(jīng)系統(tǒng)的微型化也存在類似的問題。即當尺寸減小到一定程度,神經(jīng)元的工作就變得不穩(wěn)定。要理解這個問題,需要先知道神經(jīng)信號是如何產(chǎn)生和傳輸?shù)?。神?jīng)纖維傳輸?shù)男盘栐诒举|(zhì)上也是電性的,但不是電流從神經(jīng)纖維的一端流到另一端,而是膜電位的局部改變以接力的形式沿著神經(jīng)纖維傳播。詳細敘述這個過程需要太多的時間和篇幅,這里只給出一個簡化過的模式。神經(jīng)細胞在“靜默”(沒有發(fā)出電脈沖)時,細胞膜的兩邊有一定的電位差,幅度大約為-70mV,膜內(nèi)為負,膜外為正。這個跨膜電位主要是由膜外高濃度的鈉離子實現(xiàn)的。當神經(jīng)元接收到從其他細胞傳來的信號時,在接觸點(即接收信號處)會讓一些鈉離子進入細胞。由于鈉離子是帶正電的,它的進入會抵消一部分膜內(nèi)的負電,使得跨膜電位的幅度減少。如果神經(jīng)元在多處同時接收到這樣的信號,這些跨膜電位的變化就有可能疊加起來,造成跨膜電位的幅度進一步減少。當跨膜電位的幅度減少大約15mV,也就是其數(shù)值減少到約-55mV時(即所謂“閾值”時),膜上的一種對電位變化敏感的鈉離子通道就會感受到這個變化,改變自身形狀,使鈉離子通過細胞膜。由于膜外鈉離子的濃度遠高于膜內(nèi),鈉離子通道打開會使更多的鈉離子進入細胞,跨膜電位進一步降低,從而使更多的鈉離子通道打開。這種“正反饋”使得這個區(qū)域內(nèi)原來外正內(nèi)負的電位差完全消失,甚至出現(xiàn)短暫的外負內(nèi)正的情況。此時鈉離子通道將會關(guān)閉,而且暫時不會對膜電位變化做出反應。進入細胞的鈉離子會向各個方向擴散,改變鄰近區(qū)域的跨膜電位,觸發(fā)鄰近區(qū)域鈉離子通道的反應。這樣一級一級地觸發(fā)下去,膜電位改變的區(qū)域就會沿著神經(jīng)纖維傳遞下去,這就是所謂“神經(jīng)脈沖”的傳遞。由于最初被活化的鈉離子通道還在不應期,這個電信號不能反向再傳回去,而只能向前走,使得神經(jīng)纖維只能單向傳遞信號。由此可以看出,一個神經(jīng)元是否發(fā)出神經(jīng)脈沖,要看許多信號疊加的總結(jié)果。而且鈉離子通道并不只是在跨膜電位變化到閾值時才會打開。在細胞里,這些鈉離子通道還會因其他分子的熱運動帶來的快速沖撞而自動打開,形成“噪音”。只有鈉離子通道的數(shù)量足夠多,接受正常信號的通道數(shù)大大多于偶然打開的通道數(shù),神經(jīng)元才能正常工作。神經(jīng)元過小,或者神經(jīng)纖維過細,鈉離子通道的數(shù)目就不足以維持正常的信噪比,一些偶然被觸發(fā)的鈉離子通道就會使神經(jīng)元發(fā)出錯誤的信號。英國劍橋大學的理論神經(jīng)科學家SimonLauglin及其同事通過計算發(fā)現(xiàn),如果神經(jīng)纖維的直徑小到150~200nm,噪音就會大到不可接受。而最細的神經(jīng)纖維(無髓鞘的C類神經(jīng)纖維)直徑已經(jīng)小到300nm。我們也可以設(shè)想讓鈉離子通道變得更“穩(wěn)定”,即不容易被熱運動偶然打開,這樣就可以降低噪音水平。但是這樣的鈉離子通道就需要更高的膜電位變化才能被觸發(fā),使得神經(jīng)元工作的能耗增加。這就像計算機的處理器中,提高柵極電壓可以使晶體管更穩(wěn)定,但是也需要更多的能量才能使它工作。因此,像計算機里面的晶體管小到一定程度就不能穩(wěn)定工作一樣,神經(jīng)元小到一定程度也會使噪音過大。而且神經(jīng)纖維直徑越小,信號傳輸速度越慢。像直徑300nm的神經(jīng)纖維,信號傳輸速度還不到1m/s。這就足夠抵消緊湊所帶來的好處了。7計算機的人性研究問題以上的分析表明,影響智力的幾個因素是相互制約的。改善其中的一個因素,其他因素就會受到不利的影響。增加大腦皮層神經(jīng)元的數(shù)量,加粗神經(jīng)纖維或包上髓鞘以增加信號傳輸?shù)乃俣?都會增加大腦的體積,使得信號傳輸