1.大腦的結(jié)構(gòu)

我們現(xiàn)在都知道，大腦皮層的每一個部分都有著不同的功能。

這個概念提出來也才三百年左右，那時人們意識到人所有的行為都源于大腦，但是涉及到具體不同區(qū)域?qū)?yīng)什么功能，當(dāng)時的理解，在現(xiàn)在看來都是錯的。

1860年。法國醫(yī)生Paul Broca(布魯克)有一個病人不會講話，只會發(fā)一個“tan”的音節(jié)。

病人去世后，醫(yī)生解剖了他的大腦，發(fā)現(xiàn)大腦皮層上有一塊區(qū)域出了問題。

隨后很多類似病癥的病人都被發(fā)現(xiàn)大腦的同一塊區(qū)域均發(fā)生了損傷，這塊腦區(qū)我們現(xiàn)在稱它為“布羅卡區(qū)”，專門控制人舌頭的動作，是語言產(chǎn)生區(qū)。

大腦皮層上還有另外一個區(qū)域，叫“韋尼克區(qū)”，主要功能是“理解語言”。如果這塊區(qū)域發(fā)生病變，病人能講話，但講的話沒有條理，并且也聽不懂別人說話。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在我們不需要解剖大腦，直接用核磁共振就能了解到大腦不同區(qū)域的不同功能。

通過核磁共振，我們還發(fā)現(xiàn)了大腦語言區(qū)的一個有趣的現(xiàn)象，那就是一個人10歲之前和10歲之后學(xué)習(xí)使用第二語言，在大腦語言區(qū)域的控制位置是不一樣的。人腦中似乎有一塊黃金區(qū)域是留給小時候?qū)W習(xí)語言的。

運(yùn)動和感覺在大腦皮層上也分別對應(yīng)著一個圖譜。

圖中右邊是運(yùn)動皮層，左邊是感覺皮層，左右均是對稱的。一般是左腦控制身體的右側(cè)，右腦控制身體的左側(cè)，但是語言只是由左腦控制。

這個圖譜在100年前就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了，當(dāng)時主要是通過切斷癲癇病人不同的神經(jīng)對應(yīng)繪制出來的。

圖譜與人體各部位大小并不是成比例呈現(xiàn)的，一般來說，神經(jīng)越敏感豐富的地方，在大腦皮層上所占的區(qū)域越大，例如大拇指、嘴唇等，相反，大腿、后背等區(qū)域在圖譜上位置就很小。

2.神經(jīng)元

大家都知道人體是由細(xì)胞組成的，細(xì)胞是基本單元。但在神經(jīng)系統(tǒng)中，關(guān)于細(xì)胞是否是基本單位這個問題，仍然存在很多爭論。

意大利科學(xué)家Golgi（高爾基）發(fā)明了一種染色的方法來研究神經(jīng)系統(tǒng)，這個方法讓人們發(fā)現(xiàn)了神經(jīng)細(xì)胞有一個樹突和一個軸突。

樹突是用來接收信號的，軸突是釋放信號的。一個樹突可以接收來自高達(dá)15萬個軸突的信息。

神經(jīng)細(xì)胞中膠質(zhì)細(xì)胞也非常重要，有的可以連接不同的神經(jīng)元，有的可以讓動作電位更快，有的則與一些疾病有關(guān)。

人腦中有大約10¹¹個神經(jīng)元，神經(jīng)元的連接點(diǎn)有10¹⁴個，大量的神經(jīng)元并不是混亂排列的，而是組成了非常有序的神經(jīng)回路。

比如說膝跳反應(yīng)，就是肌肉上的感覺接收器接受到刺激，產(chǎn)生沖動，通過感覺神經(jīng)元傳至脊椎，再經(jīng)傳出神經(jīng)反饋給效應(yīng)器，發(fā)生膝跳反應(yīng)。

3.電和神經(jīng)元

第一個發(fā)現(xiàn)電跟神經(jīng)系統(tǒng)有關(guān)系的一個實(shí)驗(yàn)是“火花實(shí)驗(yàn)”。

1971年，意大利學(xué)者Luigi Galvani（路易吉·加爾瓦尼）,他把青蛙的中樞神經(jīng)和腿解剖了出來，然后用閃電來刺激青蛙。

結(jié)果發(fā)現(xiàn)盡管青蛙已經(jīng)死了，但在電刺激下腿部仍然可以跳動，因此他得出結(jié)論：電和神經(jīng)系統(tǒng)有交流。

1939年，英國科學(xué)家Hodgkin（霍奇金）和Huxley（哈斯利）首次將電極深入到細(xì)胞里面，記錄到了神經(jīng)元的動作電位。

經(jīng)過十幾年的研究，他們發(fā)現(xiàn)了神經(jīng)元動作電位的分子機(jī)制，即鈉離子和鉀離子造成的不同離子通道的開閉，導(dǎo)致了膜電位的變化，從而形成了動作電位。

動作電位發(fā)生在樹突和軸突之間，同一個細(xì)胞內(nèi)速度最高可達(dá)120m/s,不同神經(jīng)元之間傳遞時間最快是1μs。

4.我們?nèi)绾胃杏X這個世界

人有五感，視覺、聽覺、嗅覺、味覺和軀體感覺。我研究嗅覺比較多。

嗅覺在很多動物里也非常重要，比如三文魚。它們小時候在小溪里長大，之后游到大海中生活，但當(dāng)要生小三文魚的時候，它們會非常精確地回到原來的小溪，靠的是什么，就是它們敏銳的嗅覺。

對于動物來說，嗅覺可以幫它們找到方向、食物、配偶和敵人。

嗅覺產(chǎn)生的機(jī)制一般是氣味傳到鼻子中的感覺神經(jīng)元，感覺神經(jīng)元再將信息傳到大腦中的嗅球，由此就能感知到氣味。

感覺到氣味的嗅覺受體是通過多個基因進(jìn)行編碼的。

老鼠體內(nèi)有2萬個基因，其中有5%即1000個左右基因與嗅覺相關(guān)，占比很大。狗的嗅覺也很敏感，編碼的基因大概在900多個左右。人的嗅覺編碼基因大概300左右，而豬的嗅覺是最為敏感的，編碼基因高達(dá)1300多個。

人開始直立行走之后，嗅覺變得不再非常重要了，相反，視覺的重要性加強(qiáng)了。在進(jìn)化過程中，人類慢慢的丟掉了一些不重要的基因。

5.先天和后天行為

講講先天和后天的故事

這幅圖你們覺得像什么？

對于剛出生的小雞來說，這像是老鷹的影子，在沒有任何經(jīng)歷的情況下，小雞知道躲避老鷹。這是進(jìn)化留下來的行為，是先天性的。

另外一個在自然界普遍存在的先天性的行為就是性行為。

從大腸桿菌、酵母、蜜蜂、蝴蝶，再到烏龜、人類，都存在這種行為。

我們來看看果蠅的求偶行為。

果蠅的求偶行為存在固定的模式。

雄果蠅首先在雌果蠅附近發(fā)出熒光，告知雌果蠅自己的存在，隨后會去輕拍雌果蠅的翅膀，給雌果蠅唱歌，然后去舔雌果蠅的翅膀和腹部，最后會嘗試進(jìn)行交配直到交配成功，整個過程大概一到兩分鐘。

如果雌果蠅已經(jīng)與別的雄果蠅交配過，它則會踢開嘗試和它交配的雄果蠅。

科學(xué)家研究果蠅的遺傳學(xué)信息，發(fā)現(xiàn)當(dāng)他們有一個叫“無果”的基因突變，會導(dǎo)致嚴(yán)重的求偶缺陷問題，他們無法辨別對方果蠅的性別，從而無法進(jìn)行正常的性行為。

貓頭鷹的視覺和聽覺非常好，在完全黑暗的情況下，可以依靠聽覺來抓老鼠。貓頭鷹為什么有這樣的能力呢？

聲音經(jīng)過左耳，再傳到右耳，時間差不超過200毫秒，一般與聲音的頻率有關(guān)。

貓頭鷹的聽覺神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)非常發(fā)達(dá)，能夠根據(jù)這個時間差來判定聲音的方向來源。

我們學(xué)校一個教授，神經(jīng)生物系的Eric Knudsen，他做了一個這樣的實(shí)驗(yàn)。

他給貓頭鷹帶上一副眼鏡，讓貓頭鷹的視覺產(chǎn)生23度的偏差，這樣一來，貓頭鷹聽覺判斷的位置和視覺看到的位置就會發(fā)生偏差。

但是在一段時間后，貓頭鷹能夠進(jìn)行自我調(diào)整，讓自己的視覺和聽覺偏差減小，最后達(dá)到偏差為零。這說明貓頭鷹有后天的學(xué)習(xí)能力。

這些實(shí)驗(yàn)是在小貓頭鷹（年齡＜200天）中實(shí)現(xiàn)的，年齡大的貓頭鷹學(xué)習(xí)能力則比較差。

Eric Knudsen隨后又做了許多其他的實(shí)驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在貓頭鷹小的時候進(jìn)行戴眼鏡的訓(xùn)練，年齡大了之后，可塑性（學(xué)習(xí)能力）要比沒有經(jīng)歷過訓(xùn)練的貓頭鷹強(qiáng)。

另外，即使小時候沒有經(jīng)過訓(xùn)練，成年的貓頭鷹通過小幅度改變眼鏡的偏差度數(shù)來慢慢進(jìn)行訓(xùn)練，也能達(dá)到比較好的效果。

6.記憶和老年癡呆

1953年，一個癲癇病人H.M，為治療癲癇切除海馬體后，其他各項身體指標(biāo)正常，但是不能再增加新的記憶，他的大腦不記得自己做了什么，但是肢體的記憶還是存在。

這讓科學(xué)家們了解到人體記憶存在的兩種方式，一種是陳述性記憶，需要有意識的回憶；一種是非陳述性記憶，不需要意識回憶，如運(yùn)動技能和習(xí)慣等。

作為數(shù)百項研究的參與者，H.M幫助科學(xué)家們了解學(xué)習(xí)、記憶和體能靈敏度的生物學(xué)，他一直被認(rèn)為是腦科學(xué)史上最重要的病人。

老年癡呆最突出的特點(diǎn)就是記憶逐漸喪失，到現(xiàn)在都沒有好的方法來治療。

老年癡呆主要是神經(jīng)元中的突觸、軸突和神經(jīng)元喪失活性了，人體無法儲存記憶。在美國，85歲以上的人中50%的人會患老年癡呆癥。

現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)老年癡呆的人群中有5%的人是一種突變的Aβ蛋白質(zhì)的不斷積累導(dǎo)致的，在冰島，0.5%的人有一種保護(hù)基因，不會導(dǎo)致基因的突變，可以防止年老時智力衰退。

7.電腦和大腦的比較

人腦和電腦均有輸入和輸出，人腦有認(rèn)知、感覺、狀態(tài)和運(yùn)動之間的各種聯(lián)系，電腦有控制器和數(shù)據(jù)路徑和內(nèi)存。

不管在計算速度還是精確度方面，電腦要遠(yuǎn)超人腦，但是為什么在有些方面尤其是處理復(fù)雜問題的時候，人腦要超過電腦呢？

舉例來說，網(wǎng)球運(yùn)動員只需要不到0.37秒的時間，就可以完成揮拍接球、回?fù)舭l(fā)球的動作。

因?yàn)楹芎唵?，同樣的信號傳到人腦，多個神經(jīng)元可以大規(guī)模并行同時進(jìn)行判斷并做出反應(yīng)，但是電腦需要根據(jù)步驟來做完一系列的反應(yīng)。

除此之外，大腦神經(jīng)元還可以根據(jù)活動和經(jīng)驗(yàn)對回路進(jìn)行修改。

近些年來，計算機(jī)科學(xué)通過對人類大腦的學(xué)習(xí)實(shí)現(xiàn)了很多新的令人興奮的進(jìn)步。

深度學(xué)習(xí)就是一種受神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)啟發(fā)的機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)。

當(dāng)然反過來，通過深度學(xué)習(xí)，我們對人腦的研究也會更進(jìn)一步。