你了解大腦嗎？

世界上也許沒有比人類的大腦更複雜的物體了。大腦中的神經元，跟銀河中的星星一樣多。儘管對大腦的了解越來越多，但仍有許多未解之謎困擾著我們。

信息在神經元活動中如何編碼

神經元其實是大腦中的特殊細胞，可以通過其外隔膜產生簡單的峰值電壓。這些電壓脈衝沿著神經軸傳播，激發大腦中其他化學信號的釋放。這些二進位的0或1脈衝載有關於我們和這個世界的信息：我們看見了什麼？聽到了什麼？是否要吃飯？該走哪條路等等。然而這些以毫秒計算的電壓是如何編碼的呢？可能在大腦的不同地方脈衝信號的含義也不盡相同呢。在中樞神經系統（大腦和脊椎）的一些部分中，峰值形成的頻率通常與外部特徵相關聯，比如一種顏色或者一張面孔的出現。在周圍神經系統中，峰值形成的越多說明熱量越多，聲音越大，或者肌肉收縮更強烈。

心智信息儲存在單細胞中，然而，目前我們還不清楚怎樣才能知道哪個細胞屬於哪個特定的細胞群體。更糟糕的是，現代技術還不能一次性測量許多神經元。當然檢測每個神經元之間的聯繫也並非易事：大腦皮層的一個神經元接收來自1萬個其他神經元的信息。

儘管脈衝電壓可以載有信息快速地在大腦中穿行，但是這些電信號也許並不是唯一的，甚至可能都不是神經系統中信息承載的主要方式。進一步的研究發現還有其他的信息傳遞方式，例如神經膠質細胞、細胞間的其他方式信號傳輸機制以及發生在細胞內的生化串聯。

記憶如何存儲如何提取

當你遇到一個人，看了一本書，記住了一個計算公式，你的大腦結構都在變化。但是我們還不能夠準確地理解這些變化究竟是什麼，它們如何在浩瀚的神經鍵和神經元中間進行編碼，怎麼形成知識，怎麼在若干年後又被提取出來了？

記憶如此眾多，大腦如何區分短期記憶（在瞬間記錄一個電話號碼）和長期記憶（比如去年生日你都做了哪些事情）呢。長期記憶中，公布的記憶與未公布的記憶是完全不同的。這些形形色色的種類正是無數的組織類型。不同的大腦組織支持不同的知識和記憶，大腦損害將導致一種類型的損壞，但是對其他組織沒有任何影響。

目前，幾乎所有的理論都是記憶儲存取決於神經鍵和腦細胞之間的細微聯繫。當兩個細胞在相同時間活動的時候，就會增強它們之間的聯繫性。當他們沒有同時活動的時候，這種關聯就會減弱。除了這種連鎖反應外，還有另一種聯繫。比如，多次體驗可以增加巧克力味道，顏色和溫暖感覺之間的聯繫。在神經元與這些感覺之間連接起來的同時，僅僅通過味覺，它們之間的連接作用就能夠引起所有關於巧克力感官之間的相互連接。

另外，大腦神經元之間的聯繫還不足以解釋記憶，記憶的最大秘密在於，我們更容易把相關的事情聯繫起來，而不是全部的細節。

回憶比記憶的過程還要複雜，當我問你是否認識某人或者曾經看過的電影情節時，答案立刻就會出來。現在還沒有很好的理論去解釋，大腦對於記憶的回想為什麼會如此迅速。而且，回憶將會動搖記憶。當你回憶過去，記憶暫時性地變得很容易抹去。

活躍基線是什麼

休息時的大腦活性，或說活躍基線，是我們神經活動中最重要的方面。清醒或者休息的大腦，會消耗身體20%的氧氣，雖然大腦僅僅是身體質量的2%。

有研究發現，當一個人執行一項任務時，大腦中的一些區域活性會減退。從傳統的觀點來看，外界的信息進入感覺器官，然後通過大腦起作用，這樣我們才能感受到所見、所聽、所觸。而這些信息會被記錄在大腦當中，當你睡覺的時候可以享受這些感覺，那就是夢境；醒著的時候，也能通過大腦回想起很多感受，那就是白日夢。

情緒是什麼

我們總說大腦是一個信息處理系統，但是沒有情緒、動機、恐懼和希望的大腦是不完整的。

情緒是對外界刺激的一種生理反應：害怕會引起出汗、顫抖、心跳加速、頭皮發麻；生氣會引起肌肉緊繃，會破壞大腦興奮與抑制的節律，弱化大腦功能。從另一個方面來說，情緒是伴隨這些感覺的主觀體驗：幸福、羨慕、悲傷等等。

情緒似乎是一台可以支配許多無意識的機器——比如，腦部控制情緒的區域可以導致生氣的表情暫時出現，但是很快又可以很好地掩飾起來。人類基本的情緒表現都很相同，有科學家認為，所有哺乳類動物的情緒表現都很相似。甚至人類、爬行類和鳥類表現害怕、憤怒等情緒的生理反應都大致相同。

現代的觀點認為，情緒是大腦的一種狀態，是對於外界刺激的一種簡單的反應模式。因此，情緒可以看作是一種大腦的快速運算，自動生成摘要，並主動採取適當的行動。當一隻熊正向你撲來，不斷增加的恐懼感會引導你的大腦做出正確反應（決定一個逃跑路線）。在記憶領域中，情緒反應是不同地存放在一個叫做大腦杏仁核區域的記憶存儲系統中。

情緒神經學研究的目的之一，就是弄明白眾多的神經混亂是怎麼發生的，抑鬱是最常見的疾病。衝動地進攻和暴力行為被認為是情緒紊亂的結果。 

大腦各區域如何協調工作

我們已經知道，不同的信息類型存在於大腦不同的神經區域。例如視覺功能的區域，就可以進一步劃分為處理運動、邊緣、面部和顏色的區域，功能區域在成年人大腦中的劃分就好像劃分世界地圖一樣。

關於這些區域是如何被劃分的，神經學家對此有一個合理的解釋。人類的大腦有一個神奇的分類網路，包括味覺、飢餓、痛苦、制定目標、溫度、預測，以及很多方面的功能。儘管這些功能不盡相同，還是可以完好地一起工作。對於這一點，還沒有一個合理的解釋。

此外，大腦是如何把這些不同的功能區域迅速結合在一起的，至今仍是謎。普遍的看法是，大腦是一個並行處理器，同時可以進行許多操作。這個看法確實很合理，但是電腦的並行處理功能為什麼會很慢，這還需要進行比較來做出判斷。由於大腦並行處理的能力非常明顯，那麼將並行處理變為單一行為的能力就顯得不那麼重要了。動物必須只能圍繞大樹向左轉或者向右轉，而不能將二個動作同時進行。

目前，對於這方面的研究還很少，也許大腦裡面就是一個難以捕捉的動態網路。

智慧在哪裡

智慧有很多種表現形式，不過從生物學的角度來看，還有很多未解之迷。為什麼數十億的神經元組合在一起就能控制知識、模擬情境、刪除不合邏輯的信息呢？為什麼當兩個事物相符合的時候，你就能突然想起解決的辦法呢？聰明人是通過更集中，更豐富或者更容易獲取的方式來存儲知識的嗎？

最近的研究嘗試發現，智慧和短期記憶、快速解決衝突以及記憶力之間的關係，不過還沒有最終的結論。許多其他的可能性——存儲更多的信息，更好地重建結構，更多地多重處理程序等等，但還沒有經過實驗證實。

做夢，是誰在作怪

我們花費生命的三分之一，甚至更多時間用在睡覺上。堅持一天不睡覺是非常困難的事情。科學家研究發現，連續的失眠將會導致注意力不集中、記憶出現障礙，甚至會精神錯亂；老鼠如果連續10天不睡覺就會死亡。所有的哺乳動物、爬行動物、鳥類，以及每次只有一個腦半球休眠的海豚等等，都需要睡眠。

但是，睡眠和做夢對於我們來說，還是個未解之謎。

一般而言，睡眠非常消耗時間，而且會讓你處於毫無防備的狀態，然而睡眠的作用是非常重要的。這裡雖然不能提供一個最終的答案，卻有三個流行的猜想。其一是認為睡眠是恢復性的活動，補充人體所需要的能量；其二是認為睡眠是對其他日常準備工作的一個補充；第三種觀點認為睡眠對於學習和記憶方面，都有很重要的促進作用。換句話說，睡眠可以幫助大腦儲存重要的信息，驅除垃圾信息。

近年來對於睡眠和夢境的研究，也許將來能夠在治療疾病方面起到不可低估的作用。在一個研究實驗中，研究人員訓練老鼠按照食物路線不停急轉，並記錄下位置細胞神經元的活動。然後，當老鼠停下來進入睡眠狀態的時候，記錄繼續。在睡眠過程中，老鼠的位置細胞經常重複之前相同的活動形式。它們的關聯如此緊密，研究人員認為，這就是動物在「做夢」。他們能夠重新構造出老鼠醒來後的活動路線，還能判斷出老鼠是夢見跑動還是靜止不動。這也許能夠決定我們以後會想起哪些事情。在近期的一些實驗中發現，人們只要晚上能睡好覺，就能連日堅持高強度工作；如果睡不好覺，則無法做到，這表明睡眠的重要性。

科研人員是根據人體受傷、用藥和疾病變化唉大腦中的反應，來觀察了解睡覺、做夢與這些變化的聯繫，以解開睡眠、做夢的奧秘。由此還發現，我們可以根據睡眠來調整我們的需求，並獲取其他許多有用信息。

大腦如何模擬未來

每當遇到火災，消防隊長會迅速地在預測隊員的最佳位置，並按照這種預測進行布置。科學家認為，這就是對未來的一種模擬，這種模擬能盡量減少實際嘗試中的風險代價。因此，對未來可能發生的情況的模擬，是聰明的大腦所投資的十分重要的「生意」之一。

但是，大腦的未來模擬器是如何運行的？我們卻知之甚少。因為神經學的傳統技術最適合於在大腦的活動和明確的行為，而不是智力模擬之間建立聯繫。一個想法是，大腦的資源不僅用於處理刺激因素並對其做出反應，而且還用於構築有關外部世界的一個內部模型，並從中提取有關事物的一般趨勢的規則。內部模型可能不僅是在接球等肌肉運動中發揮作用，而且還在知覺方面。例如，視覺就利用大腦中存儲的大量信息，而不是僅僅依靠從視網膜中輸入的信息。神經學家近年來都表示，知覺並非簡單地通過一點點地積累數據而形成，而是通過使外來的感官數據與內部生成的期望相匹配來實現知覺。

但是，大腦怎樣才能學會就未來事件做出出色的預測呢？有人認為，可能是大腦會記憶，而記憶就是為了這一目的而存在的。這並不是一個新的想法：兩千年前，亞里士多德就強調，記憶是成功地預測未來方面的一項工具。

意識到底是什麼？

當你靜默沉思的時候，很多過去的畫面會在你的腦海中閃現。那麼，這些記憶是怎麼存儲到你的腦袋裡的？它們又是怎樣進入你的意識中的呢？這兩者有什麼區別呢？

其實，對於意識的解釋，仍是現代科學的一個懸而未決的難題。

神經科學家認為，意識來源於大腦中的物質，因為大腦中微小的變化也能有力地改變你的主觀經驗。

關於意識研究的一個挑戰就是如何通過實驗研究。任何時間，有些活動的神經元可能會和意識產生關聯，而有些則不會。第一個挑戰就是分辨關聯和不關聯二者的區別。但是，即使最成功的試驗也只取得了很小的進展。其中有一個試驗，就是一隻眼睛看到了房子，同時，另一隻眼睛看到的是奶牛。除非看到的是房子和奶牛的混合圖像，否則人們只能察覺到其中的一樣事物。而隨後的任何時候，人們會認為他們看到了另一樣事物，他們會不斷地來回看。其實人們看到的事物沒有任何改變，只是意識經歷在改變。通過這個試驗，研究人員開始研究神經元活動的哪些特點使它和主觀經驗變化之間產生關聯。

潛藏在意識裡面的一些機能，可能存在不同的物理層次中：如分子、細胞、電路、路徑，或者是一些尚未定義的組織層面。這種機制或許也是這些層次之間的物質互動。有一種備受關注但是尚未得到證實的觀點，就是大腦的大量反饋線路對於意識結果是至關重要的。

最近，科學家正在努力研究大腦中哪個部位和意識有關聯。接下來，還需要弄明白為什麼有關聯。這是神經科學領域最難解的謎題。

（整理自中國科普期刊研究會）

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