关于脑,你可能想知道的

脑是极其复杂的,即使到现在我们对它的认识仍然处于非常初级的阶段。哈佛大学的 Jeff Lichtman 教授在开课之前问学生:“如果我们需要了解的大脑的知识是一英里长,那么我们现在处在什么距离上?”学生有的回答半英里,四分之一英里等等答案,但是他会觉得正确的答案是“三英寸”(1 英里 = 63360 英寸)。神经科学家 Moran Cerf 说:如果人类的大脑这么简单,能够让我们理解,那我们将会因为如此简单,而不能理解大脑。不过对大脑的研究持续了这么长时间,加上科技的加成,一些宏观上的功能还是比较有底的。

正文开始前,先留几个问题,感兴趣的话不妨继续往下看

  • 爬行动物有脑,哺乳动物也有脑,人脑跟其他脑相比,最大的特点是什么?(貌似进入了面试的场景···)
  • 为什么给自己挠痒痒没有效果?
  • 为什么可以在梦里看见离奇的场景而自己又无能为力?

脑的组成

脑在小的时候,相对比较简单,层次也较分明,主要分为前脑、中脑和后脑。前脑又可以分为端脑和间脑。

到了发育后期,前脑虽然在结构上没什么变化,但是大脑皮层长大了很多,中脑变化不大,后脑分化成了:小脑、脑桥和延髓(图中的脑干由中脑、脑桥和延髓组成。)。

所以,对脑的结构进行解构的话,大致可以分成这么几个部分:

前脑

前脑包含端脑和间脑,端脑就是那一大坨沟沟回回的褶皱(像一盆被端上去的豆腐···),间脑就是卡在中间的那部分脑。

端脑

胼胝体

我们都知道大脑有左右两部分,这两部分的协同工作全靠胼胝体(出于好奇,查了下「胼胝」是什么东东,其实就是老茧···)。

图上绿色的部分就是胼胝体,它就好像是海底电缆,有了它才能实现左右脑高速互联。

大脑皮层

这些沟沟回回就是著名的大脑皮层(新皮层),很多高级功能都在这个皮层里。按功能来分的话,可以分为:运动区、感觉区和联合区。

可以看到联合皮层占了很大一部分,这就是人脑最独特的地方,正是这块区域赋予了人认知的优势。海豚的大脑皮层虽然也很大,也有很多的沟和回,但联合皮层的分布比人脑会少得多,不过光是如此已经让海豚足够聪明了。

那这些运动区和感觉区是啥意思?简单来说就是输入(感觉)和输出(运动),人体的各个部分可以对应到皮层的特定区域,就像大脑里住了两个小人:感觉小人(左边)和运动小人(右边)。

Rick and Morty 里,Rick 在变成黄瓜后,就是借助蟑螂脑对蟑螂身体的控制来给黄瓜赋能的:

皮层展开后大概有两张报纸那么大

根据空间位置,大脑皮层可以被分为几个叶:

  • 额叶:高级认知功能,比如学习、语言、决策、抽象思维、情绪等,自主运动的控制。
  • 枕叶:视觉处理
  • 顶叶:躯体感觉,空间信息处理,视觉信息和体感信息的整合。
  • 颞叶:听觉,嗅觉,高级视觉功能,分辨左右,长期记忆。

额叶

在人类大脑当中,比起其余脑中的“叶”,这是最大的一部分。前额叶皮层是与许多高级认知功能相关的关键脑区。例如,在抽象规则的认知、工作记忆、注意力调控,以及行为的计划和策略、思维和推理等功能中起着关键性的作用。「飞越疯人院」里,麦克墨菲最后被切除了前额叶,就变得非常温顺和听话,因为失去了高级认知功能。

PS:「额叶切除手术」的发明者居然获得了 1949 年的医学诺贝尔奖,而前一年的医学奖颁给了发明剧毒有机氯杀虫剂 DDT 的瑞士化学家米勒,这可能是诺奖最瞎的两年···

枕叶

枕叶就是平常睡觉时贴着枕头的那片区域,枕叶跟视觉处理有关。「看见」这个行为需要进行一系列的处理(视觉通路):光线进入到视网膜后被转化成了电信号,然后沿着视神经快速穿过脑部,到达脑的交换机 — 丘脑,在这之后视觉信息被输送到了脑后的枕叶,再传送给了那里的视觉皮层。

视觉皮层将处理信号的工作分成了几个部分,让它们分别计算距离、形状、色彩、尺寸和速度。任何一个部分只要稍微出些差错,就会造成明显的视觉扭曲。更神奇的是,视觉皮层还会根据运算结果,构建出一个对外部世界的解释。比如下面的「卡尼撒三角」:

尽管白色的三角形没有画出来,但我们分明看到它就在那儿。人脑会识别并且预测悉熟的模式,以此将思维的率效提到最高。比如前面这句话有几个词是颠倒顺序的,但你可能并没有注意到。

接下来说说做梦,我们经常会梦到一些离奇的场景,一些不相关的人和事往往会糅合在一起,以富有创意的情节在推进。它的大概流程是这样的:当进入快速眼动睡眠(REM)时,梦境系统开始接管丘脑和视觉皮层,醒着的时候,丘脑的素材来自眼睛,做梦时,它的素材则来自脑干(丘脑只是一部交换机,它不关心素材来自哪里,只是一股脑地将它们传给视觉皮层)。视觉皮层拿到脑干随机产生的这些信号该怎么办?这就到了见证奇迹的时刻,它会尝试从这些信号中理出头绪,将它们串联起来,形成一段完整的故事,而且是边写剧本边演。

梦虽然奇怪,但为什么置身其中时,却往往感觉不到,只有醒来时才会觉得荒诞,因为执行高级决策的前额叶也休息了(毕竟是耗能大户),就像一个没有大人管的娃···

除了做梦外,视觉皮层还可以用来做一些其他的事情,比如「心理意向训练」。据说老虎伍兹在重要比赛之前都会开车到比赛场地,在那里练上几轮,回家后就躺在床上练习那些比赛中需要的击球。

我们通常说的「肌肉记忆」其实并不是肌肉产生了记忆,而是控制特定肌肉的神经系统仿佛有了记忆。所以「想象训练」就是训练这些特定的神经系统,让它们长点记性。有人做了一个实验,要求用手把这些数字从小到大点个遍,越快越好(之所以把数字这么放是为了制造大幅度的复杂动作):

然后把人群分为三组进行练习:

  • 第一组跟正式测试时一样,用手点数
  • 第二组看着这些数,在想象中用手从小点到大
  • 第三组只是用眼睛看,从小看到大

三组被试都先执行一次指认任务,然后各自练习,最后再执行一次指认任务,好让研究者评价他们的进步。结果显示,第一组和第二组在练习之后,手臂的动作明显变快了。而对照组(就是只能移动眼睛的那一组)没有任何进步。

所以之后如果需要做演讲分享或一些特定的练习,不妨试试「心理意向训练」(感兴趣的话,可以搜一下 PETTLEP,可以帮助你更系统地使用这个方法)。

基底核

基底核是大脑深部一系列神经核团组成的功能整体,既然藏得这么深,那一定很重要。目前所知它的主要功能为自主运动的控制、整合调节细致的意识活动和运动反应。同时还参与记忆,情感和奖励学习等高级认知功能。

基底核对「习惯养成」和「瘾」有很大的影响(确切说来是其中的「纹状体」和「伏隔核」的功劳)。上面提到它的一个功能是「自主运动的控制」,也就是无意识行为,意味着它可以命令大脑产生动作。比如上班路上,无论是开车还是走路,都可以很轻松地完成,因为太熟悉了。这么神奇的功能,科学家们自然不会放过,于是他们做了一个实验:

把小老鼠放到迷宫中,在它左侧放了奖赏物,一开始它左顾右盼,到处乱走,但最终还是会发现左侧的奖赏。接下来的几次还是会停顿,但会更快地找到奖赏物,重复次数多了之后,到了十字路口,它会毫不犹豫地左转,变成了习惯。

这么多次的重复,对大脑产生了什么影响呢?科学家们观察到小老鼠练习得越多,它的纹状体活动就越强烈,其他部分的参与度会大幅下降,就像 Tesla 开启了自动驾驶一样。把这块区域损毁,进而关闭习惯系统,则又回到了最开始的试探模式。

来看一个前额叶被占用,无意识系统正常工作的例子。

再来说说瘾,瘾跟伏隔核有关,最常见的就是手机上瘾,webmd(美国互联网医疗健康信息服务平台)上罗列了药物上瘾的表现,摘录其中几条:

  • 即使对健康不再有帮助依旧持续吃药(You keep taking a drug after it’s no longer needed for a health problem.)。
  • 需要更多的剂量来达到同样的效果(You need more and more of a substance to get the same effects)。
  • 当不吃药时会感觉到不适应(You feel strange when the drug wears off)。
  • 停不下来,即使知道不应该再继续吃下去(You can’t stop yourself from using the drug, even if you want to.)。
  • 发现很难控制摄入量,比如只想嗑一颗,结果嗑了三颗(You have a hard time giving yourself limits.)。

把「吃药」换成「使用手机」是不是一样适用?为什么会这样,因为在应用的背后,有很多人在努力工作,尽可能地留住你,让你再次使用。不要指望意志力能帮什么忙,最好的办法就是出现:“就看十分钟”、“就玩一会”的心态时就扼杀住。

基底核像一个程序员,一个习惯或者无意识行为的养成,就像一个编好的程序,只要输入变量(收集到的环境信息)和返回值(要达到的目的)跟程序匹配就会自动执行,所以基底核里藏着很多套这样的程序。从「节能」角度来说,确实很高效,这样前额叶皮层就能抽出空来干更重要的事,比如刷手机···。

间脑

说完了端脑,现在来看看间脑,这块夹在脑中间的部分可是很重要的(一般在中间的都很重要···)。它可以分为「丘脑」和「下丘脑」。

丘脑

丘脑是个大的中继站,负责向更高级的脑区传递感觉信号,以及下行发送高级脑区的命令信号,最终引起肌肉动作。

之前说「枕叶」时,就提到过丘脑,讲到它会把眼睛带来的电信号带给大脑皮层。除了视觉之外,其他的感觉器官也会把信息给丘脑(除了嗅觉,它走的是边缘系统)。所以它就像脑的中枢,我们对外界的感知,都是丘脑告诉的,如果它的工作机制被完全破解,理论上我们就能接入各种电极来达到最高级的模拟体验,皮层甚至区分不出来这是真实的还是虚幻的。

下丘脑

下丘脑帮助维持很多机体功能的重要状态,比如冷了会不由自主打冷颤,饿了产生饥饿感。还是例如性行为和攻击行为等本能社会行为的关键控制者。为了生存和繁衍,下丘脑可是煞费苦心···

小脑

聊完了前脑,再来聊聊小脑。小脑在感觉感知、协调性,和运动控制中扮演重要角色。它不会主动发起动作,但会接收来自脊髓感觉系统和其他脑区的讯号,影响运动协调、精确度和准确的时机控制。由于小脑的功能是“微调”运动技能,所以小脑的损伤不会带来诸如瘫痪的严重症状,但是会导致精细动作技能、平衡能力、姿势和动作学习方面的症状。

小脑还有一个很有意思的功能是「从“总和”知觉中扣除“期望的”知觉,从而改变感觉方式」。什么意思呢?我们都知道一个人不能够挠自己痒痒。那为什么别人挠你痒痒,你的感觉就很强烈呢?这时就该请我们的研究人员上场了。他们让受试者把头部放在一台机器中(该机器可以检测成像大脑的活动部位和强度),然后挠他们痒痒。他们发现,与触觉相关的称为感觉皮层的大脑区域活动很强烈,小脑则没有明显的活动。当要求受试者在相同部位挠自己痒痒时,发现小脑有一处活动增强,而感觉皮层活动减弱了。这说明小脑预测「期望的」知觉,并发送编码信号抑制了感觉皮层。就好像要期末考试了,你跟老爸说,平时没好好学习,所以分数极有可能不太理想,这样当拿着最终的考试分数让老爸签字时,会在预期之内。

脑干

脑干由中脑、脑桥和延髓组成,负责调节复杂的反射活动,包括调节呼吸作用、心跳、血压等,对维持机体生命有重要意义。它就是那个全年无休 007 工作的员工,它要是出了问题,就是大问题了。所以也有人把脑干、小脑和基底核合称为「爬行脑」,也就是最原始的脑(保障生存和繁衍)。

边缘系统

边缘系统包含了很多的部位,它的主要部分环绕大脑两半球内侧形成一个闭合的环(这个环也不边缘啊···)。

既然有这么多组成部分,它的功能应该也不会弱。其中比较重要的是「影响、产生情绪」,还有「参与学习和记忆活动」。

海马

海马是学习和记忆的通道,损伤海马可使学习能力明显下降,近期记忆丧失,但不影响远期(长期)记忆。

为海马的研究做出突出贡献的是一位名叫 亨利·莫莱森 的同学。他每天都看同一本书,因为对他来说这就是本新书。之前为了治疗癫痫,被移除了海马,结果出现了记忆问题,主治医生觉得这是一个很好的研究机会,于是就对他进行了长达 50 年的互动,一步步揭开了海马的神秘面纱。他有如下几个表现:

  1. 虽然亨利不能再记得日常生活里的任何事情,却依然可以唤起自己童年时形成的回忆。
  2. 对眼前任何事件的记忆都只能持续几分钟甚至更短的时间,一旦注意力转移,立刻就忘掉先前的那件事。
  3. 瞬时记忆没问题,可以记住停留一阵又消失的数字,只要数字在 7 个之内。
  4. 让他完成需要练习才能习得的偏复杂技能,只要时间足够长,一样可以流畅地完成。

所以海马是构建记忆的一个通道,但不会把记忆都存在那里,等到一定时间之后会被转移(大概需要一年甚至更长)。如果记不住东西,学习的效率自然也会大打折扣。

为什么那些需要练习的偏复杂技能,还是可以习得呢?因为这个过程(非陈述式记忆)更多地发生在基底核中,还记得基底核是一个程序员么?只要练习地够多,它就能写出一套套的程序出来,然后就可以自动运行了。

记忆就像是在一大片橡胶地上踩出来的一条条路。那些踩得不够深的路,由于橡胶的弹性会慢慢消失,但即使踩得够深,如果没有其他的路跟它连接,从「路」的角度看,它的价值也不是很大。我们通常会有这样的体验,在适度的紧张、压力下,记忆的效果会更好,这就好比让橡胶变软一点,方便踩下去的时候留下印记。

对记忆来说,还有很重要的一块是提取,而感官就是极好的提取器,就像在一条条路上放置着醒目的路标。比如听到谢霆锋的歌时,就会想起初中的生活,听到周杰伦的歌时会想起高中生活(是不是暴露了什么···)。味觉、触觉也有类似的功能。

杏仁核

杏仁核是情感处理中枢,在恐惧和攻击行为中扮演角色。它接受两方面信息,一是皮层中处理过的感觉信息,另一个是自主产生的对抗或逃跑反应(如流汗、心跳加速),后者是有下丘脑和脑干介入的。它附着在海马的末端,是产生情绪,识别情绪和调节情绪,控制学习和记忆的脑部组织。

杏仁核和海马住得这么近,它对学习和记忆有着重要作用也在情理之中。上面说到适度的紧张对记忆会有帮助,这个紧张的发生场所就是杏仁核。那些具有情绪意义的刺激会引起杏仁核电活动的强烈反应,并形成长期的痕迹储存于脑中。比如自己写的 bug,造成了严重的线上事故时,那天的种种场景一定会记得格外清楚。

小结

脑确实极为复杂(虽然不一定高效),对它多一点了解,对于理解和调整自己都会有帮助。当科技以第七王国的身份参与到进化时,尤其需要注重对前额叶的使用,一方面层出不穷的「去思考化」产品会不断勾引你,另一方面越来越聪明能干的机器会挑战你的价值,唯有在科技的河流中逆流而上才能赢得进化游戏。

本文主要参考了以下书籍:

  • 进化的大脑
  • 神经科学·探索脑
  • 神经的逻辑

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