出品：科普中國

製作：周盈盈（中國科學院腦科學與智慧技術卓越創新中心）

監製：中國科學院計算機網路資訊中心

我們經常會被問：“你心裡到底在想些什麼呢？”

如果人體器官能說話，那麼聽到這個問題，心臟可能會說：“什麼？？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：“為什麼問心在想些什麼？明明是我啊！是我一直在‘想’！”

圖片來源：veer相簿

大腦實實在在承載著“想”這件事。

它有著最複雜的神經網路結構，也是世界上已知的擁有最強計算能力的“存在”。

2016年3日15日，著名圍棋棋手李世石對戰谷歌AlphaGo，儘管最終以1：4的成績輸給了AlphaGo，但是比賽時“阿爾法狗”要耗掉1202個CPU、176個GPU和100多名科學家的算力，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資訊傳遞的？

它有什麼樣的神奇之處？

在這個互相纏繞的網路中，神經細胞訴說著無盡的“秘密”（圖片來源：veer相簿）

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階中樞，大腦皮層的高度進化也是哺乳動物進化的標誌。

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）

你記不記得電視劇裡時常上演的“吞槍自殺”場景？其實，槍在喉嚨中正對著的就是腦幹的延髓部分，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，人就會立即喪失生命。

因此，當遇到危險時，一定要保護好我們的後腦勺！

而在事故中，如果損傷到了脊髓，大腦和身體連線的通路就斷了，此時大腦既接收不到身體的感覺資訊，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，以免加重其脊髓損傷，造成不可逆的後果。

聰明的

腦

是怎樣傳遞訊號指揮身體的？

神經元是大腦活動的最基本的單元，約佔神經細胞的1/

10

。

神經元能傳遞外界的感覺訊號、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，它則支援著神經元及其環繞神經的其他組織。膠質細胞佔神經細胞的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。

其次，神經元獨特的形狀和結構幫助神經系統訊號實現快速傳遞。神經元胞體有許多樹突，它們就像是“天線”一樣，在接收到訊號後，引起神經元興奮，將訊號透過軸突傳遞給下一個神經元。

如果該訊號是運動訊號，當該訊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，透過皮層-皮層下運動環路調控後將訊號傳遞給腦幹，併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 腦幹/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。

而

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（透過光來啟用神經元）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。

如影片所示，當藍色鐳射處於關閉狀態時，小鼠看到蟋蟀會產生“好奇”和“害怕”的反應，而後慢慢遠離它。而一旦藍色鐳射開啟，透過光遺傳技術啟用 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訊號控制的。

00：20

人腦——

地表最強

！

人和動物的大腦究竟有什麼區別？為什麼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，在結構和比重上的差異是很大的，而人腦的特殊性則為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）

皺褶的產生取決於兩個引數：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，而位於皮層下方的白質則變化不大，這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。

儘管猩猩和海豚都擁有更多“溝壑縱橫”的大腦皮層，但是黑猩猩的皮層面積只有600平方釐米，但人的大腦皮質面積卻有約2400 平方釐米之多。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佔比例遠遠大於猩猩，這也導致人的智力更高。

而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 平方釐米，其神經元數目比人類還多，但是海豚大腦的功能遠遠無法和人類相比，這是為什麼？

這是由於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

演

變為鰭。

為了適應複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了。

更有趣的是，海豚為了2

4

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。

手的進化創造了複雜的工具，而對複雜工具的學習與製作，又使得腦和手得到進一步開發。如此迴圈，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。

大腦的結構不斷向複雜演化，適應著千變萬化的複雜環境。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。 大腦表面為什麼有這麼多褶皺？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