神經(jīng)元優(yōu)化與動(dòng)物生長(zhǎng)發(fā)育

神經(jīng)元優(yōu)化與動(dòng)物生長(zhǎng)發(fā)育

人類(lèi)無(wú)疑是地球上最有智慧的動(dòng)物。人類(lèi)能夠設(shè)計(jì)、制造和使用工具,能夠用復(fù)雜的語(yǔ)言文字系統(tǒng)來(lái)傳遞和儲(chǔ)存信息,能夠進(jìn)行邏輯思考,用靈活的方式解決問(wèn)題、預(yù)見(jiàn)和計(jì)劃將來(lái),并對(duì)世界進(jìn)行不斷深入的研究,還能創(chuàng)造和欣賞音樂(lè)、繪畫(huà)、雕塑等藝術(shù)形式。人類(lèi)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?chē)慕ㄖ?、橋梁、道路、汽?chē)、飛機(jī)、人造衛(wèi)星、宇宙探測(cè)器,乃至人們使用的計(jì)算機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、手機(jī)、高清電視、光纖網(wǎng)絡(luò),無(wú)不是人類(lèi)智慧的結(jié)晶。而智力和人類(lèi)最為接近的靈長(zhǎng)類(lèi)動(dòng)物黑猩猩,甚至不能給自己建造一個(gè)簡(jiǎn)陋的居所。近一兩百年來(lái),尤其是近幾十年,科學(xué)技術(shù)水平飛速進(jìn)步,使人們感覺(jué)到人類(lèi)好像越來(lái)越聰明,制造航天飛機(jī)的現(xiàn)代人似乎比制造馬車(chē)的古代人更聰明。事實(shí)是這樣嗎?若果真如此,那人類(lèi)還會(huì)變得更聰明嗎?從類(lèi)人猿進(jìn)化到現(xiàn)代人,智力在不斷提高。人類(lèi)祖先在大約500萬(wàn)年前和黑猩猩分道揚(yáng)鑣時(shí),兩者的智力應(yīng)該是比較相近的。因此,目前人類(lèi)所擁有的智力應(yīng)該是在之后的幾百萬(wàn)年中發(fā)展起來(lái)的。在原始時(shí)期,人類(lèi)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(wàn)年前的非洲,也就是人類(lèi)和黑猩猩分開(kāi)大約250萬(wàn)年之后。石器是人類(lèi)祖先使用的日常工具,它的出現(xiàn)說(shuō)明此時(shí)人類(lèi)祖先的智力已經(jīng)超過(guò)了黑猩猩。人類(lèi)用火最早的遺跡(云南省元謀縣)是在170萬(wàn)年前的元謀人時(shí)代。最早的陶器出土于中國(guó)湖南,大約制作于1.8萬(wàn)年前。在河南省舞陽(yáng)縣賈湖出土的大約8000年前類(lèi)似文字的契刻符號(hào),以及大約5000年前在西亞兩河流域出現(xiàn)的楔形文字,都說(shuō)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(guó)(現(xiàn)土耳其境內(nèi))。也就是說(shuō),在人類(lèi)祖先和黑猩猩進(jìn)化上分支以后的幾百萬(wàn)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(biāo)志)是非常緩慢的。人類(lèi)社會(huì)相對(duì)快速的發(fā)展,基本上是在過(guò)去的幾千年之內(nèi)。到了近代,科學(xué)技術(shù)的發(fā)展越來(lái)越快,近幾十年更是人類(lèi)發(fā)展與創(chuàng)新的爆炸時(shí)期。但是科學(xué)技術(shù)發(fā)展的水平和速度,與人類(lèi)智力的進(jìn)步并不是一回事。原始社會(huì)時(shí),生產(chǎn)力非常低下,不可能有不勞動(dòng)而專(zhuān)門(mén)從事科學(xué)研究的人,但是不能因此就認(rèn)為那個(gè)時(shí)期的人比較笨。生產(chǎn)力發(fā)展了,社會(huì)有了“余錢(qián)剩米”,才能分支出可以不從事生產(chǎn)活動(dòng)的人員,科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步才可以加速。語(yǔ)言的出現(xiàn)使得儲(chǔ)存在每個(gè)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(shí)和經(jīng)驗(yàn)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(xué)習(xí)。如此,個(gè)人就不必全憑自己的智力從頭開(kāi)始獲取和創(chuàng)造知識(shí),而是可以在旁人和前人成果的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展。積累的知識(shí)越多,已有的技術(shù)手段越先進(jìn),不同學(xué)科之間越是互相滲透、相互促進(jìn),人類(lèi)發(fā)現(xiàn)和獲取知識(shí)的速度就越快。近代和現(xiàn)代物理學(xué)的探測(cè)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(jìn)了化學(xué)、生物學(xué)和醫(yī)學(xué)研究的進(jìn)展。目前許多國(guó)家在科學(xué)研究和技術(shù)開(kāi)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(wàn)塊巨石堆砌而成,總重近700萬(wàn)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(shū)的《孫子兵法》,至今仍是世界上許多軍事院校的必讀教材。書(shū)中所包含的思想和智慧已經(jīng)超出軍事范疇,廣泛應(yīng)用于社會(huì)生活的各個(gè)方面。我們讀古代的小說(shuō)或演義,并不覺(jué)得里面的人物笨。即使將現(xiàn)代人放到當(dāng)時(shí)的環(huán)境中去,其行為和處理問(wèn)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?，F(xiàn)代人從5000m處爬起,可以爬至海拔5500m。5500m當(dāng)然比500m高得多,但是每個(gè)人爬的相對(duì)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(cè)定一個(gè)基因的序列,或者編一個(gè)軟件程序。所以從人類(lèi)的生產(chǎn)水平和科學(xué)技術(shù)發(fā)展史來(lái)看,無(wú)法得出人類(lèi)智力進(jìn)化的準(zhǔn)確過(guò)程。也許人類(lèi)的智力在幾千年前,甚至更早,就已達(dá)到現(xiàn)在的水平。對(duì)近百年來(lái)各國(guó)人群智商的測(cè)定表明,在測(cè)定的早期階段不同人群的智商都隨時(shí)間增加,大約每10年增加3點(diǎn)左右(標(biāo)準(zhǔn)為100點(diǎn))。這種現(xiàn)象被新西蘭Otago大學(xué)的科學(xué)家JamesRobertFlynn所注意到并進(jìn)行了總結(jié),叫做“弗林現(xiàn)象”(FlynnEffect)。弗林現(xiàn)象的存在似乎說(shuō)明人類(lèi)的智力還在不斷進(jìn)步。但仔細(xì)分析發(fā)現(xiàn),這種增加主要是低智商人群的進(jìn)步,很可能是由于營(yíng)養(yǎng)條件的改善消除了對(duì)大腦發(fā)育的不良影響。在同一時(shí)間段內(nèi),高智商人群的得分并沒(méi)有增加。而且從20世紀(jì)90年代開(kāi)始,許多發(fā)達(dá)國(guó)家人群的平均智商已停止上升。雖然用各種方法對(duì)智商進(jìn)行測(cè)定的結(jié)果并不能完全代表智力,但這些實(shí)際測(cè)定的結(jié)果也說(shuō)明,對(duì)于營(yíng)養(yǎng)有保障的人群來(lái)說(shuō),智力發(fā)展可能已經(jīng)進(jìn)入了平臺(tái)期,計(jì)算機(jī)時(shí)代的到來(lái)并沒(méi)有使人類(lèi)變得更聰明。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看,目前的問(wèn)題是,人類(lèi)的智力是否存在進(jìn)一步發(fā)展的空間?是否有物理學(xué)和化學(xué)上的極限?人的思維和智力是大腦中神經(jīng)細(xì)胞(又叫神經(jīng)元)活動(dòng)的產(chǎn)物。也就是說(shuō),人類(lèi)的智力是基于神經(jīng)元的智力,這與現(xiàn)代計(jì)算機(jī)基于硅晶體管的“能力”不同。因此,判斷人類(lèi)智力的發(fā)展有無(wú)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(jì)算的一個(gè)“預(yù)期值”的數(shù)量大,很容易造成智力不高縱觀人類(lèi)的進(jìn)化過(guò)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(wàn)年前的非洲原始人類(lèi)露西(Lucy),其腦容量只有400mL左右。200萬(wàn)年前直立人出現(xiàn),其腦容量就增加到800mL。由此看來(lái)腦容量是伴隨著人類(lèi)智力的發(fā)展而增大的(有些文獻(xiàn)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(huì)比較高。但是如果將范圍擴(kuò)大到其他動(dòng)物,就會(huì)發(fā)現(xiàn)此種說(shuō)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(yuǎn)不如黑猩猩聰明,也不比老鼠更聰明。即使同屬犬類(lèi),大型犬有時(shí)未必比小型犬聰明。烏鴉的腦只有10g重,卻是最聰明的鳥(niǎo)類(lèi)之一。它會(huì)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(huì)先用比較大的石子,以便使水面更快上升。渡鴉還會(huì)把堅(jiān)果放在馬路上,讓汽車(chē)把果殼壓開(kāi)。因此腦容量大并不等于高智力。體型較大的動(dòng)物一般腦容量也較大。但是這多出來(lái)的神經(jīng)元并不一定是用來(lái)提高智力的,而是首先用來(lái)控制和管理自身較大的軀體。比如牛,它需要感覺(jué)的皮膚面積和要控制的肌纖維數(shù)量都遠(yuǎn)多于老鼠。就好像一個(gè)國(guó)家或一個(gè)地區(qū),面積和人口多了,管理機(jī)構(gòu)及人員也會(huì)相應(yīng)增多。只有在基本管理任務(wù)以外“富?！背鰜?lái)的神經(jīng)元,才有可能被用于進(jìn)行更高級(jí)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(duì)智力的影響,荷蘭解剖學(xué)家杜波伊斯(EugeneDubois)及其同事收集了3690種動(dòng)物的腦重和體重信息。他的后繼者對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn),隨著動(dòng)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?cái)?shù)據(jù)輸入到對(duì)數(shù)坐標(biāo)上,橫坐標(biāo)為體重,縱坐標(biāo)為腦重,經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)分析得到一條直線,利用這條直線可以從動(dòng)物的體重計(jì)算出腦重的“預(yù)期值”。有些動(dòng)物的坐標(biāo)正好處在直線上,比如小鼠、狗、馬和大象等。有些動(dòng)物的坐標(biāo)在直線的上方,說(shuō)明它們的腦重超出了預(yù)期值,應(yīng)該比較聰明。高出直線越遠(yuǎn),說(shuō)明腦重超過(guò)預(yù)期值越多,理論上越聰明。實(shí)際情況也是如此,比如人的腦重超出預(yù)期值7.5倍,是所有動(dòng)物中最高的,也最聰明。海豚是5.3倍,猴子是4.8倍,都相當(dāng)聰明。反之,如果動(dòng)物的坐標(biāo)處在直線以下,也就是它們的腦重低于預(yù)期值,理論上講就會(huì)比較笨。牛的比值是0.5,也就是說(shuō)它的腦重只有預(yù)期值的一半,也的確比較笨。不過(guò)這個(gè)規(guī)律也有例外。比如南美卷尾猴(NewWorldcapuchin)的腦重與預(yù)期值的比例就高于黑猩猩,但其遠(yuǎn)不如黑猩猩聰明。對(duì)于體型巨大的動(dòng)物,如藍(lán)鯨,腦重與預(yù)期值的比例也很低(約0.25),但藍(lán)鯨實(shí)際上是比較聰明的動(dòng)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(píng)價(jià)指標(biāo)。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(gè)角度,看看腦中神經(jīng)元的數(shù)目與智力的關(guān)系呢?不過(guò)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(dòng)(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(wú)意識(shí),但這些基本生理活動(dòng)依然可以正常進(jìn)行。所以控制這些活動(dòng)的神經(jīng)元可以被認(rèn)為與智力無(wú)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(xì)胞)與運(yùn)動(dòng)的協(xié)調(diào)有關(guān),在計(jì)算與智力相關(guān)的神經(jīng)元時(shí),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(dòng)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(lèi)似,所以大腦皮層中神經(jīng)元的數(shù)目也許是估計(jì)動(dòng)物智力的一個(gè)更優(yōu)指標(biāo)。的確,如果比較不同動(dòng)物大腦皮層中神經(jīng)元的數(shù)量,人類(lèi)明顯是第1位,大約有120億個(gè)神經(jīng)細(xì)胞(不同實(shí)驗(yàn)室得出的數(shù)值不完全相同,大約為110億~140億)。即使鯨魚(yú)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(lèi)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(dòng)物的智力相當(dāng)。這些數(shù)值表明,120億左右是地球上動(dòng)物大腦中神經(jīng)元數(shù)量的最高值,只為人類(lèi)所擁有。鯨類(lèi)動(dòng)物大腦皮層中神經(jīng)元的數(shù)目與人相近,智力卻遠(yuǎn)不如人。這說(shuō)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(hào)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(gè)神經(jīng)元本身并不能自發(fā)地產(chǎn)生智力。嬰兒出生時(shí),大腦中的神經(jīng)元已經(jīng)完全形成,也就是說(shuō)人類(lèi)從出生起就已經(jīng)擁有了120億個(gè)神經(jīng)元。但是新生兒并沒(méi)有明顯的智力。要經(jīng)過(guò)數(shù)年的時(shí)間,智力才逐漸由這些神經(jīng)元發(fā)展出來(lái)。這說(shuō)明神經(jīng)元之間聯(lián)系的建立對(duì)于智力的發(fā)展是必不可少的。而且智力的發(fā)展有一個(gè)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(cuò)過(guò)了智力發(fā)展的關(guān)鍵期,即使后來(lái)再回到人類(lèi)社會(huì),其智力也始終停留在非常低的水平。這就像計(jì)算機(jī)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(wàn)個(gè)、甚至上億個(gè)晶體管,但這些晶體管還需要導(dǎo)線將它們連接起來(lái)才會(huì)產(chǎn)生運(yùn)算能力。思維過(guò)程涉及到大腦的不同區(qū)域,信號(hào)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(chēng)為神經(jīng)纖維)在不同區(qū)域的神經(jīng)元之間進(jìn)行傳遞和交換。信號(hào)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(hào)的速度是比較慢的。不同神經(jīng)纖維的信號(hào)傳遞速度在0.5~100m/s之間。假設(shè)信號(hào)傳遞速度的平均值為10m/s,也就是每傳輸1cm,需要1ms的時(shí)間。在這種傳輸速度下,腦的尺寸對(duì)信息傳輸時(shí)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(hào)從牛大腦的一邊傳到另一邊的時(shí)間需要6ms左右。如果思維需要腦中多個(gè)部分之間信息的多次來(lái)回交換,牛思考所需要的時(shí)間就更長(zhǎng)了。這也許可以部分解釋為什么老鼠的反應(yīng)和行動(dòng)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(shí),可以在一眨眼的工夫飛出復(fù)雜的曲線,從而在毫秒級(jí)的時(shí)間段里對(duì)飛行軌跡進(jìn)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(gè)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(duì)來(lái)說(shuō)是比較大的,寬約14cm,長(zhǎng)約16.7cm,高約9.3cm。大腦皮層分為許多功能區(qū),思維過(guò)程中信息需要在多個(gè)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(jiàn)下文)。為了研究信號(hào)在功能區(qū)之間的傳輸距離是否與人的智力有關(guān),科學(xué)家用不同的方法測(cè)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(cè)試對(duì)象的智力相比較,得出了類(lèi)似的結(jié)果。荷蘭Utrecht大學(xué)醫(yī)學(xué)院的MartijnvandenHeuvel等人用功能核磁共振(functionalmagneticresonanceimaging)測(cè)定處于休息狀態(tài)時(shí)人腦不同功能區(qū)之間的距離。在時(shí)間上高度同步的神經(jīng)活動(dòng)區(qū)域被認(rèn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,信號(hào)傳輸路徑最短的人,智商最高。英國(guó)劍橋大學(xué)的神經(jīng)圖像專(zhuān)家EdwardBullmore用腦磁圖(magnetoencephalography)估算大腦中不同區(qū)域之間信號(hào)傳輸?shù)乃俣?并且與測(cè)試對(duì)象的短期記憶力(在短期內(nèi)同時(shí)記住幾個(gè)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(hào)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(diǎn),即神經(jīng)功能區(qū)之間的距離長(zhǎng)短與信號(hào)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(huì)問(wèn),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(huì)不同呢?這是因?yàn)椴煌娜舜竽X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(méi)有2個(gè)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(gè)人功能區(qū)之間的距離不同,信號(hào)在這些功能區(qū)之間傳輸所需要的時(shí)間也不同。對(duì)于一個(gè)特定的人來(lái)說(shuō),如果2個(gè)功能區(qū)之間的距離比平均距離短,與這2個(gè)功能區(qū)有關(guān)的智力就有可能比較高。但是另外2個(gè)功能區(qū)之間的距離也許又比平均數(shù)長(zhǎng),與這些功能區(qū)有關(guān)的智力也許就相對(duì)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(xué)領(lǐng)域較為擅長(zhǎng),有些人具有音樂(lè)天賦,但是在別的領(lǐng)域就相對(duì)較差。愛(ài)因斯坦的腦重只有1230g,相當(dāng)于1194mL,明顯低于人類(lèi)1350mL的平均值。但是他的大腦的頂葉部位有一些特殊的山脊?fàn)詈桶疾蹱罱Y(jié)構(gòu)。較小的大腦和特殊的溝回結(jié)構(gòu),也許造就了愛(ài)因斯坦進(jìn)行思維時(shí)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(yǔ)言方面似乎稍遜于常人,直到3歲才會(huì)說(shuō)話。5在壓力和速度上的應(yīng)用為了擁有盡可能多的大腦皮層神經(jīng)元,同時(shí)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(jìn)行優(yōu)化。這些措施是其他高等動(dòng)物所共同采取的,但是人類(lèi)將其發(fā)展到了極致。1)保持神經(jīng)元的體積,使其避免過(guò)大。通常情況下,動(dòng)物在體型變大時(shí),神經(jīng)元的體積也隨之增大,這樣勢(shì)必會(huì)增加神經(jīng)元之間的距離。而靈長(zhǎng)類(lèi)動(dòng)物的大腦有一個(gè)特點(diǎn),即腦隨著身體的增長(zhǎng)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(wàn)個(gè)神經(jīng)元,每個(gè)神經(jīng)元平均有29800個(gè)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(yú)的大腦中神經(jīng)元的尺寸就相對(duì)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(duì)較低。因此大象和鯨魚(yú)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(xué)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(zhǎng)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(jué)有關(guān)。這些皮層的結(jié)構(gòu)只有3層,叫做爬行動(dòng)物的大腦皮層。而從哺乳動(dòng)物開(kāi)始,新皮層出現(xiàn)。動(dòng)物的進(jìn)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(lèi)型的不同分為6層,可以實(shí)現(xiàn)更高程度的皮質(zhì)神經(jīng)元的密集。計(jì)算機(jī)的CPU也借鑒了這個(gè)設(shè)計(jì),在芯片中有多達(dá)9層的晶體管。4)用不同的神經(jīng)纖維完成不同的任務(wù)。由神經(jīng)元發(fā)出的,將信號(hào)傳給其他細(xì)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(hào)的速度比較快,但是占的體積也比較大。另一種沒(méi)有絕緣層,叫做無(wú)鞘纖維,傳輸速度比較慢,但是占的體積相對(duì)較小。大腦皮層神經(jīng)元之間的短途連接使用無(wú)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(zhǎng)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?yàn)檩S突沒(méi)有髓鞘,成灰色,叫做灰質(zhì)。白質(zhì)和灰質(zhì)的分區(qū),說(shuō)明大腦已經(jīng)在減少體積和保持信號(hào)傳輸速度上盡量兼顧二者。由于這些改進(jìn),人腦在擁有地球上動(dòng)物中最多數(shù)量大腦皮層神經(jīng)元的同時(shí),又在神經(jīng)元的密集程度、連接路徑及信號(hào)傳輸速度上進(jìn)行了優(yōu)化,使人類(lèi)擁有其他動(dòng)物無(wú)法比擬的智力。問(wèn)題是,大腦的這些優(yōu)化過(guò)程已經(jīng)接近終點(diǎn)了嗎?人類(lèi)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(hào)在大腦中各個(gè)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(lèi)是否能夠在這幾個(gè)方面繼續(xù)加以改進(jìn),以獲得更高的智力呢?下文將對(duì)這些問(wèn)題分別進(jìn)行討論。6.1新生兒的頭尺寸變化既然人類(lèi)擁有地球上動(dòng)物中數(shù)目最多的大腦皮層神經(jīng)元,同時(shí)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(qiáng)大,使人類(lèi)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(huì)增加,使信號(hào)傳輸?shù)木嚯x和時(shí)間更長(zhǎng)。這會(huì)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(lái)“裝”它。目前人類(lèi)新生兒的頭部尺寸已經(jīng)是身長(zhǎng)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(guò)或者看過(guò)分娩過(guò)程的人都會(huì)對(duì)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(wèn)題能解決,能量供應(yīng)也是問(wèn)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(dá)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(lái)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(dòng)就無(wú)法維持了。6.2神經(jīng)纖維直徑和信號(hào)傳輸?shù)乃俾试黾哟竽X處理信息效能的一個(gè)辦法就是增加信號(hào)在神經(jīng)元之間和功能區(qū)之間傳輸?shù)乃俣取２煌纳窠?jīng)纖維傳輸信號(hào)的速度不同。神經(jīng)纖維直徑越大,信號(hào)傳輸速度越高。這就像粗的電線由于電阻較小,導(dǎo)電能力更強(qiáng)一樣。神經(jīng)纖維外面有絕緣層(髓鞘)的,信號(hào)傳輸?shù)乃俣纫哺?。但無(wú)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(huì)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(yuǎn)。這會(huì)增加信號(hào)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(lèi)大腦皮層中各神經(jīng)元之間有著數(shù)以萬(wàn)計(jì)的聯(lián)系。進(jìn)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(qiáng)大。增加功能區(qū)之間的聯(lián)系也相當(dāng)于增加信號(hào)傳輸?shù)膸?使信息傳輸更加通暢。但無(wú)論是增加短途聯(lián)系或長(zhǎng)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(zhǎng)信號(hào)傳輸?shù)臅r(shí)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(hào)如果神經(jīng)元的細(xì)胞體積變得更小,神經(jīng)纖維變得更細(xì),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(hào)的傳輸,還可以降低能耗,是一舉數(shù)得的辦法。問(wèn)題是,神經(jīng)元和神經(jīng)纖維還能進(jìn)一步微型化嗎?這有點(diǎn)像計(jì)算機(jī)行業(yè)中的摩爾定律,即每過(guò)18個(gè)月,集成電路中晶體管的總數(shù)和計(jì)算性能就提高1倍。這主要是通過(guò)晶體管以及它們之間的導(dǎo)線微型化來(lái)實(shí)現(xiàn)的。既然計(jì)算機(jī)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(kāi)始時(shí)工作得很好,似乎可以無(wú)止境地持續(xù)下去。但是當(dāng)晶體管的尺寸接近納米級(jí)時(shí),漏電現(xiàn)象就日益嚴(yán)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(wèn)題就更難解決。而且隨著集成電路的微型化,電場(chǎng)傳播速度也有一天會(huì)成為計(jì)算機(jī)速度的瓶頸?，F(xiàn)在計(jì)算機(jī)的速度已經(jīng)可以達(dá)到每秒千兆級(jí)(gigabits)。而在4kM的頻率下,電場(chǎng)在每個(gè)周期中也只能走7.5cm,也就是已經(jīng)接近計(jì)算機(jī)硬件的尺寸。神經(jīng)系統(tǒng)的微型化也存在類(lèi)似的問(wèn)題。即當(dāng)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(gè)問(wèn)題,需要先知道神經(jīng)信號(hào)是如何產(chǎn)生和傳輸?shù)?。神?jīng)纖維傳輸?shù)男盘?hào)在本質(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(xì)敘述這個(gè)過(guò)程需要太多的時(shí)間和篇幅,這里只給出一個(gè)簡(jiǎn)化過(guò)的模式。神經(jīng)細(xì)胞在“靜默”(沒(méi)有發(fā)出電脈沖)時(shí),細(xì)胞膜的兩邊有一定的電位差,幅度大約為-70mV,膜內(nèi)為負(fù),膜外為正。這個(gè)跨膜電位主要是由膜外高濃度的鈉離子實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)神經(jīng)元接收到從其他細(xì)胞傳來(lái)的信號(hào)時(shí),在接觸點(diǎn)(即接收信號(hào)處)會(huì)讓一些鈉離子進(jìn)入細(xì)胞。由于鈉離子是帶正電的,它的進(jìn)入會(huì)抵消一部分膜內(nèi)的負(fù)電,使得跨膜電位的幅度減少。如果神經(jīng)元在多處同時(shí)接收到這樣的信號(hào),這些跨膜電位的變化就有可能疊加起來(lái),造成跨膜電位的幅度進(jìn)一步減少。當(dāng)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(shí)(即所謂“閾值”時(shí)),膜上的一種對(duì)電位變化敏感的鈉離子通道就會(huì)感受到這個(gè)變化,改變自身形狀,使鈉離子通過(guò)細(xì)胞膜。由于膜外鈉離子的濃度遠(yuǎn)高于膜內(nèi),鈉離子通道打開(kāi)會(huì)使更多的鈉離子進(jìn)入細(xì)胞,跨膜電位進(jìn)一步降低,從而使更多的鈉離子通道打開(kāi)。這種“正反饋”使得這個(gè)區(qū)域內(nèi)原來(lái)外正內(nèi)負(fù)的電位差完全消失,甚至出現(xiàn)短暫的外負(fù)內(nèi)正的情況。此時(shí)鈉離子通道將會(huì)關(guān)閉,而且暫時(shí)不會(huì)對(duì)膜電位變化做出反應(yīng)。進(jìn)入細(xì)胞的鈉離子會(huì)向各個(gè)方向擴(kuò)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(yīng)。這樣一級(jí)一級(jí)地觸發(fā)下去,膜電位改變的區(qū)域就會(huì)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(yīng)期,這個(gè)電信號(hào)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(hào)。由此可以看出,一個(gè)神經(jīng)元是否發(fā)出神經(jīng)脈沖,要看許多信號(hào)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(shí)才會(huì)打開(kāi)。在細(xì)胞里,這些鈉離子通道還會(huì)因其他分子的熱運(yùn)動(dòng)帶來(lái)的快速?zèng)_撞而自動(dòng)打開(kāi),形成“噪音”。只有鈉離子通道的數(shù)量足夠多,接受正常信號(hào)的通道數(shù)大大多于偶然打開(kāi)的通道數(shù),神經(jīng)元才能正常工作。神經(jīng)元過(guò)小,或者神經(jīng)纖維過(guò)細(xì),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(huì)使神經(jīng)元發(fā)出錯(cuò)誤的信號(hào)。英國(guó)劍橋大學(xué)的理論神經(jīng)科學(xué)家SimonLauglin及其同事通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn),如果神經(jīng)纖維的直徑小到150~200nm,噪音就會(huì)大到不可接受。而最細(xì)的神經(jīng)纖維(無(wú)髓鞘的C類(lèi)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(yùn)動(dòng)偶然打開(kāi),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(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)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(huì)使噪音過(guò)大。而且神經(jīng)纖維直徑越小,信號(hào)傳輸速度越慢。像直徑300nm的神經(jīng)纖維,信號(hào)傳輸速度還不到1m/s。這就足夠抵消緊湊所帶來(lái)的好處了。7計(jì)算機(jī)的人性研究問(wèn)題以上的分析表明,影響智力的幾個(gè)因素是相互制約的。改善其中的一個(gè)因素,其他因素就會(huì)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(hào)傳輸?shù)乃俣?都會(huì)增加大腦的體積,使得信號(hào)傳輸