Neuralink 与大脑的神奇未来·第二部分:大脑
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发布时间：2022-09-22 21:19
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时间：2024-01-28 09:30
在写这篇文章时，我想起了自己为什么喜欢下面这种长得好看又可爱的大脑：
因为真正的大脑长得很丑，一点都不可爱。人类真恶心。
但是在过去一个月里，我一直在谷歌图片中看着一张张黏糊糊、布满血丝的脑部图片，那简直就是地狱。现在你也要经历同样的体验，所以请做好心理准备。
现在我们先从最外层开始。我觉得生物学有一个优点是它有时也挺有条理的，而大脑也有一些条理分明的地方，首先是人类的头部构造就像是一个俄罗斯套娃。
你的头部最外层是头发，头发下面是头皮，然后你以为接下来就到颅骨了——但其实中间还有大概 19 层东西才到颅骨。
在你的颅骨和大脑之间 [1] ，又有这样一堆的东西：
在颅骨下面，大脑被三层薄膜包裹着。
最外层的是硬脑膜（ra mater），一层结实、凹凸不平的防水膜。硬脑膜会紧贴着颅骨。我听说大脑是没有疼痛感知区域的，但硬脑膜上就有——它的敏感程度与脸部肌肤相当——硬脑膜受到压力或撞击往往会引起剧烈的头痛。
下面一层叫做蛛网膜（arachnoid mater），大家可以看到这层薄膜下面的空间布满了一些看上去富有弹性的纤维。我一直认为，我的大脑只是被浸在某种液体里，然后就这样在脑壳里面漂浮着。但其实大脑外部和颅骨内壁之间的唯一间隙就是这层蛛网膜。这些纤维物质可以固定住大脑的位置，让它不会四处移动。当头部受到碰撞的时候，它们还可以起到缓冲的作用。这块区域充满了密度接近水的脊髓液，能让大脑保持着一定的浮力。
最后一层是软脑膜（pia mater），这层薄膜是跟大脑外层紧紧贴合在一起的。你知道为什么你每次看到的大脑照片总是覆盖着一层黏糊糊的血管吗？这些血管其实并不是在大脑表面上，而是嵌在软脑膜里面的。（如果你不怕恶心的话， 这个视频 可以看到一位教授从人脑剥掉软脑膜的过程。）
下面大脑的全貌，这里用的应该是一个猪脑：
从左到右，你会看到皮肤（粉色的那层），然后是两层头皮，接下来是颅骨、硬脑膜、蛛网膜，最右边就是包裹在软脑膜下面的大脑。
如果我们把外层的东西都剥干净，就会看到这个粉嫩的东西：
这个看起来很好笑的东西，可是宇宙中已知的最复杂的物体——虽然它只有三磅重，但是神经工程师蒂姆·汉森（Tim Hanson）却称之为「目前已知信息密度最大、结构化程度最高而且自我组织最完整的东西」。强大如此的大脑，它在运行时的功率仅为 20 瓦 （一台 性能同样强大的计算机 将需要 2400 万瓦的功率才能启动）。
麻省理工学院的教授波丽娜·安妮基娃（Polina Anikeeva）则将大脑 形容成 「可以用勺子舀的软布丁」。脑外科医生本·拉波波尔（Ben Rapoport）给出的描述感觉更为科学：「介于布丁和果冻之间的形态」。他说如果你把一个大脑放在桌面上，它会在重力的作用下变得更扁，有点像水母的感觉。我们通常不会想到大脑会是这么软绵绵的，因为它一般都处于悬浮在液体中的状态。
但这就是我们的样子。你在镜子里看到自己的身体和脸庞，你以为这就是你——但那其实只是一副皮囊。你真正的样子是一个奇形怪状的果冻球。希望你不会介意这个说法。
虽然这听起来很诡异，但你也不能责怪亚里士多德或者是古埃及人，尽管他们曾经断定大脑只是毫无意义的「头骨填充物」（亚里士多德认为心脏才是智力的来源）。 [2]
后来，人类逐渐了解到了更多关于大脑的*，但只是片面地了解。
克里希纳·谢诺伊（Krishna Shenoy）教授 打了个比方 ，他说我们对大脑的理解，就如同在 16 世纪初 人类对整个世界地图的了解一样。
另一位教授，杰夫·李奇曼（ Jeff Lichtman ）的说法就更为苛刻了。他在自己课程的第一节课都会问学生一个问题：「如果大脑总共包含的知识是一英里，我们已经在这个路程上走了多远？」他说学生们有回答三分之一的，有一半的，有四分之一的——但是这位教授给出的答案是「 大约 3 英寸 」。
第三位教授是神经科学家莫兰·瑟夫（ Moran Cerf ），他向我分享了在神经科学界的一句老话，其中指出了为什么试图完全理解大脑是一个无法达成的悖论：「如果人类大脑真的有那么容易理解，那么拥有这种简单大脑的我们也是不能理解大脑的。」
在人类正在建造的伟大知识库的帮助下，我们也许在未来某天可以做到这点。现在，我们先来看看人类目前对大脑已知的东西——先从宏观的角度开始。
我们先通过下面的半球截面图来看看大脑的主要结构：
现在我们把大脑取出来，然后去掉左半球，这样我们就可以清晰地看到里面的结构了。
神经学家保罗·麦克莱恩( Paul MacLean )做过一张简单的示意图，其中阐释了我们之前讨论过的一个基础概念：在进化过程中，最先出现的是爬行脑，后来的哺乳动物以此为基础发展出了第二重脑部结构，最后人类的出现完善了第三重脑部结构。
下面是这些结构在真正的大脑上对应的位置：
接下来我们来看看这里的每个部分：
这是我们大脑中最古老的一部分：
这是上面的大脑截面图中青蛙老大所在的部分。事实上，青蛙的完整脑部的形状就跟我们大脑的这个部分很相似：
在了解过这些部位的功能之后，你就会明白它们为什么是古老的了——这些部位能做的事情，青蛙和蜥蜴都能做。下面是其中主要的部分（点击动图可以查看高清版本）：
延髓（mella oblongata）唯一想的事情就是让你不要死。它负责控制一些非自主的活动，比如心跳、呼吸和血压，另外如果它认为你中毒了，它就会让你呕吐，干的都是些吃力不讨好的活。
脑桥(pons)的工作非常零碎。它负责吞咽、膀胱控制、面部表情、咀嚼、唾液分泌、眼泪分泌和姿势保持等工作——基本上就是看心情什么都做点。
中脑(midbrain)的工作甚至要比脑桥更零碎。如果一个大脑部位所做的事情都已经有其他部位负责了，那它肯定不会好受。这里所说的就是中脑，它负责的工作包括视觉、听觉、运动控制、警觉、体温控制等各种其他大脑部位也在做的事情。大脑的其他部位似乎也不太喜欢中脑，因为你可以看到「前脑、中脑、后脑」的比例差距有多么悬殊，所以看来中脑是被其他部位排斥了。
不过脑桥和中脑也有一项值得肯定的工作，它们还负责控制眼球自主运动，这可是件正经事。所以如果你正在转动眼球的话，说明你的脑桥和中脑正在进行它们的一项专职工作。
这个看起来有点怪，像是大脑*一样的东西就是你的小脑(cerebellum)。小脑负责让你保持平衡、手脚协调和正常行走。 这里 是之前那位淡定的教授展示小脑解剖结构的视频。
在脑干的上方就是边缘系统（limbic system）——让人类变得如此疯狂的大脑部位。
边缘系统是一个生存系统。一个笼统的说法是，当你在做一些你的狗也会做的事情时——进食、饮水、交配、战斗、躲避或者逃离可怕的东西——这就是边缘系统在幕后操控。无论你是否愿意承认，只要你在做上述的任何一件事时，你就处于原始人的生存模式。
边缘系统还控制着你的情绪，而情绪归根到底也是生存的需要——它们是更高级的生存机制，对于生活在复杂社会结构中的动物来说必不可少。
我在之前的文章中提到了 即时奖励猴子 ， 社会生存猛犸象 ，还有 其他一些动物 ——它们所指都是边缘系统。每当你的大脑发生内部斗争时，边缘系统的工作可能就是怂恿你去做一些你以后会后悔的事情。
我确信学会控制边缘系统是人类成熟的象征，同时也是人类最核心的斗争。这并不是说如果没有边缘系统我们会活得更好——边缘系统是我们之所以为人类的一半原因，我们生命中的大部分乐趣都与情绪或者动物本能*的满足有关——只是边缘系统并不知道你生活在一个文明社会，如果你过于放任它的话，它很快就会毁掉你的生活。
好吧，让我们再拉近一点看看。边缘系统由许多小部分构成，不过我们只介绍其中最重要的一些部分：
杏仁体（amygdala）可以说是大脑中负面情绪的集中地。它负责焦虑、悲伤、还有我们对恐惧的反应。大脑有两个杏仁体，奇怪的是左边的杏仁体表现更加乐观一些，除了通常的负面情绪之外，它有时也会产生愉悦的情绪，而右边的那个就一直处于心情不好的状态。
海马体（hippocampus，顾名思义，因为它看起来 像一只海马 ）就像是记忆的速写板。如果将老鼠放进一个迷宫里面，它会慢慢记得迷宫的路，因为迷宫路径的记忆会被编码到老鼠的海马体里面——确实是这样。当老鼠走到迷宫的不同位置时，它的两个海马体的不同部位会被唤醒，因为迷宫的每一个部分都对应着海马体的某一部位。但如果在记住了一个迷宫之后，这只老鼠又做了其他任务，在一年后再被放回原来的迷宫中，它就很难回想起这个迷宫要怎么走了。因为这时海马体速写板上的大部分内容都被清除了，这样才能腾出地方记忆新的东西。
电影《记忆碎片》（Memento）所描述的疾病是真实存在的——顺行性遗忘症（anterograde amnesia）是由海马体受损所导致的。阿兹海默症的病发就从海马体开始，然后才慢慢扩散到大脑的其他部分，这也是为什么阿兹海默症患者会先开始变得健忘，随后才出现其他一系列的严重症状。
丘脑（thalamus）位于大脑的中心，它就像是感官系统的中间人，它负责接收来自感觉器官的信息，然后再将其传输到大脑皮层进行处理。当你在睡觉的时候，丘脑也跟和你一同入睡，也就是说负责传输感官的中间人下班了。所以在深度睡眠时，你通常不会因为轻微的声音、光亮或触碰而醒来。如果你想唤醒处于深度睡眠的人，你的动静一定要足够大才能唤醒丘脑。
唯一的例外是嗅觉，它是唯一可以绕过丘脑的感官。这就是为什么可以用嗅盐来唤醒昏迷者的原因。既然说到这儿了，下面就给大家补充一个冷知识：嗅觉是嗅球 （olfactory bulb）的功能，而且这是最古老的一种感官。跟其他感官不一样，嗅觉位于边缘系统的深处，它与杏仁体和海马体都有紧密的联系——这也就是嗅觉可以唤起特定记忆和情绪的原因。
我们终于聊到皮质（cortex）了，它又名「cerebral cortex」、「neocortex」、「cerebrum」和「pallium」。
作为整个大脑最重要的部位，它竟然连自己的名字都搞不清楚。所以这是怎么回事？
皮质几乎无所不能——它负责处理听觉、视觉及感觉信息，同时还掌管着语言、运动、思考、计划、性格等诸多方面。
皮质可以分为四叶：
这几个部位的职责要描述起来确实没有什么条理可言，因为每个部位所做的东西都很多，而且彼此之间存在大量重叠的功能，不过我们可以简单概括一下：
额叶（ frontal lobe ，点击查看动图）负责你的性格，以及一系列我们认为跟「思考」有关的东西，包括推理、规划和执行等功能。其中，你的大部分思考行为都发生在额叶前端叫做前额皮质（prefrontal cortex）的部位——这是在你大脑中的智者。在之前提到的大脑内部斗争中，前额皮质是与边缘系统对立的一方。它是敦促你完成工作的理性决策者；叫你不要担心其他人看法的内部声音；希望你不要对小事斤斤计较的高级存在。
如果你觉得这些工作还不够麻烦，额叶还负责你身体的运动。额叶顶部的前回是你的「主要运动皮质」（primary motor cortex）。
顶叶（ parietal lobe ）负责的一项功能是触觉控制，其中最主要是「主要体觉皮质」（primary somatosensory cortex）的作用，它就在主要运动皮质的后面。
互相紧挨着的主要运动皮质和主要体觉皮质是特别有趣的两个部位，因为神经科学家发现它们的每个位置都与某个身体部位一一对应。这就引出了本文最惊悚的一张配图——「小矮人图」（homuculus）。
小矮人图由神经外科先驱怀尔德·彭菲尔德（Wilder Penfield）提出，它形象地展示了主要运动皮质和主要体觉皮质所对应的身体部位。图中比例越大的身体部位，它们在相应皮质中所占的区域也越大。这里可以得出一些有趣的发现：
首先，大脑负责面部和手部运动和触觉的区域比其他身体部位的全部加起来还要多，虽然这听起来有点难以置信，但其实还是可以理解的，因为我们需要做出差别非常细微的面部表情，而且我们的双手需要无比灵巧，但是身体的其他部分，比如肩膀、膝盖、后背，它们的动作和感觉就不需要那么细致了。这就是为什么人类可以用手指弹钢琴，用脚趾就不行。
其次，这两种皮质所对应的身体部位比例也高度近似。我也可以理解这点，但我从来没有想过，身体最需要运动控制的部位恰恰也是最敏感的部位。
最后，我偶然找到了下面这张图片，然后它就一直在我的脑海中挥之不去，所以现在我也让你们体会一下这种感觉——一个 3D 版的小矮人。
我们继续——
颞叶（ temporal lobe ）负责储存你的大部分记忆。另外因为它就在你的的耳朵旁边，所以它也是听觉皮质（auditory cortex）所在的位置。
最后，位于你的后脑勺的是枕叶（ occipital lobe ），它几乎被完全用于处理视觉信息。
一直以来，我都以为这些大片的脑叶就是组成大脑的一块块部位——就像我们在 3D 模型中看到的分区一样。但实际上，皮质只占大脑最外层的 2 毫米——也就相当于一个硬币的厚度——表层下面的空间基本上是各种神经组织的复杂连结。
如果将皮质从大脑上剥下来，你可以得到一个 2 毫米厚，面积为 2000 至 2400 平方厘米的区域， [4] 相当于一块 48 厘米 x 48 厘米（19 x 19 英寸）正方形餐巾。
这块餐巾是你的大部分大脑行为发生的地方——它是你能够思考、运动、感觉、看见、听到、记忆、说话和理解语言的原因。这简直是史上最棒的餐巾。
还记得之前我说过「你只是个果冻球」吗？好吧，其实你所认为的自己其实主要是你的皮质。换句话说，你其实是一块餐巾。
当把完整的大脑和扒下来的皮质放在一起时，我们就能清楚地看到这些褶皱所增加的餐巾面积了：
尽管还不完美，但是现代科学已经基本掌握了大脑的全貌。此外，我们对大脑的细节也有了一定的认识。接下来是对大脑细节的介绍：
尽管我们早就明白了大脑是人类智力的源泉，但是科学界是在不久前才弄清楚大脑的构造。科学家已经知道人体是由细胞构成的，但是直到 19 世纪末，意大利外科医生卡米洛·高尔基（Camillo Golgi）才发现一种 染色法 可以揭开大脑细胞的真面目。他最后发现的结果令人意外：
这看上去不是细胞应该有的样子。高尔基当时没有意识到自己发现的其实是「神经元」（neuron）。
科学家后来认识到，几乎对于所有动物来说，神经元都是构成大脑和神经系统，以及它们内部的巨大沟通网络的核心单位。
但直到 1950 年代，科学家才进一步发现神经元之间进行交流的方法。
轴突（axon），即神经元上负责承载信息的细长突起，它的直径通常非常小——因为它实在太小了，所以科学家直到最近才能用它来做实验。在 1930 年代，英国动物学家 J·Z·扬（J. Z. Young）在偶然之下得到了一个*传统认知的发现——乌贼拥有异常巨大的神经轴突，可用于实验。几十年之后，科学家艾伦·霍奇金（Alan Hodgkin）和安德鲁·赫胥黎（Andrew Huxley）利用乌贼的巨大轴突，终于找出了神经元传递信息的方式——动作电位（action potential）。它的原理是这样的：
首先，神经元的种类有很多：
为了简单起见，我们在此只讨论一种简单常见的神经元——椎体细胞（pyramidal cell），你可以在运动皮质中找到它们。如果要画出一个神经元图示，我们可以先画一个小人：
然后给他多加几条腿和一些头发，把胳膊卸掉，最后再把他拉长——这样我们就画出了一个神经元。
然后我们再加几个神经元进来。
这里我就不打算解释动作电位的详细原理了，因为其中会涉及许多不必要又没意思的专业内容，这些东西你应该已经在初中生物课上了解过了。如果你想完整了解相关的只是，我建议你阅读可汗学院的这篇优质 科普文 。接下来，我们只会了解跟本文主题相关的一些基本概念。
现在，我们的神经元小人的尾巴——轴突——带有负极性的「静息电位」，也就是说当它静止时会稍微带负电荷。我们的神经元小人的头发（树突，dendrites）总是会被其他小人的脚碰到 [5] ，尽管他可能不太情愿。其他人的脚会将一种叫做神经递质（neurotransmitter） [6] 的化学物质掉在他的头发上，这种化学物质会穿过他的头部（细胞体，或称「soma」），根据化学物质的性质，他会稍微改变自己身体所带的电荷。虽然这会让我们的神经元小人有点不舒服，但这也不是什么大问题——除此之外什么都不会发生。
但是如果有足够多的化学物质碰到了他的头发，使他的电荷上升到某个值——即神经元的「阈电位]（threshold potential），这时小人就会处于动作电位，也就是说他被电击了。
这是一种非此即彼的状态：我们的小人不是处于完全没有变化的状态，就是处于被完全电击的状态。他不会存在被部分电击或者过度电击的状态——要么完全没有受到电击，要么受到每次程度都一样的电击。
当出现这种情况的时候，一股电流会从他的身体（轴突）流向他的脚（轴突末梢，axon terminal），后者会因此碰到其他小人的头发（这个接触点叫做突触，synapse），在这个过程中，小人身体的电荷会从负电短暂转变为正电，然后迅速回到他正常的负电位状态。当这个动作电位到达小人的脚时，轴突末梢会释放化学物质到它正在触碰的头发上，这样有可能会导致被触碰的小人受到电击，正如他之前所遭遇的情况。
这就是信息在神经系统中传递的方式——化学信息通过神经元间的细小间隙传导，并触发穿过神经元的电流信息——不过当身体需要快速传递某个信号时，神经元之间也可以通过电流来传递信息。
动作电位的传递速度为每秒 1 到 100 米之间。之所以会有这么大的变动范围，部分原因是神经系统中的另一种细胞——施旺细胞（Schwann cell）——它像是一位总觉得孙子穿不够的老奶奶，一直往轴突身上盖一层层厚厚的毯子——髓鞘（myelin sheath）。整个过程就像这样：
除了起到保护和绝缘的作用以外，髓鞘还是影响神经元信息传递速度的主要原因——当轴突被髓鞘包裹时，动作电位的传导速度会快很多： [7]
下面举个例子来说明髓鞘对信息传递速度的影响：比如当你的脚趾踢到什么的东西的时候，你会马上意识到自己刚才的动作，但是你可能要过一两秒的时间才会开始感受到脚趾隐隐作痛。你立刻可以感到自己踢到东西和一阵剧痛，因为剧痛信息是通过经过髓鞘包裹的轴突传到大脑的，而你后来才开始感到隐隐作痛是因为这种痛感是通过没有髓鞘保护的「C类神经纤维」传递的，它的传递速度为每秒 1 米左右。
在某种意义上，神经元跟电脑的晶体管很相似——它们都是用「1」（动作电位激活）和「0」（没有动作电位激活）的二进制语言传递信息。但是跟电脑晶体管不同的是，大脑的神经元会一直处于变化之中。
你肯定有过这样的经历，你学会了一种新技能，掌握得还不错，但是到了第二天你发现自己又不会了。你第一天之所以能学会这项技能，是因为在神经元之间传递信号的化学物质的数量或浓度发生了变化。不断重复的行为会导致这些化学物质的改变，让你可以取得进步，但是到了第二天，之前调整过化学物质会回归到正常水平，你之前取得的进步也会随之消失。
但如果你接下来继续坚持练习，你最终会长久地掌握这项技能。在这个过程中，你其实在告诉大脑，「这不是一次性的工作」，然后大脑的神经网络便会做出可以长期持续的结构性调整。神经元会改变自己的形状和位置，强化或弱化不同的连接，根据需要学习的技能搭建一套固定的路径。
神经元能够在化学上、结构上、甚至是功能上改变自己，根据外部世界不断优化大脑的神经网络，这种现象就啊哦做神经可塑性（neuroplasticity）。婴儿的大脑拥有最高的神经可塑性。婴儿出生后，他的大脑完全不知道自己以后会有什么样的人生：拥有一流剑术的中世纪勇士？擅长弹奏大键琴的十七世纪音乐家？还是既要记住并整理海量信息，又要管理复杂人际关系的现代学者？不管怎样，婴儿的大脑都已经准备好不断调整自己，可以应对未来任何形态的人生。
虽说婴儿拥有最强大的神经可塑性，不过这种能力将会伴随我们的一生，所以人类才能不断成长、改变和学习新知识，同时这也是我们可以养成新习惯、改变旧习惯的原因——习惯其实是大脑现有神经结构的反映。如果你想改变自己的习惯，你就需要付出巨大的意志力来推翻大脑之前建立的神经路径，但如果你可以坚持足够长的时间，你的大脑最终会得到指示，改变之前的路径，新的行为习惯将不再需要意志力的支撑。大脑已经为新的习惯做出了相应的生理变化。
这个难以想象的巨大神经网络是由大脑内部的大约 1000 亿个神经元构成的——这个数量与银河系的恒星数量相仿，或者说是全球人口的十几倍。其中有 150 到 200 亿的神经元位于皮质，剩下的神经元都在大脑的低级部位（令人意外的是，小脑的神经元数量是皮质的三倍有余）。
现在我们再缩小一点，看看另一张大脑的截面图——不过这次不把大脑切成两个半球，而是从中间切开：
大脑的内部物质可以分为灰质（gray matter）和白质（white matter）两种。灰质看起来的颜色要更深一些，由大脑神经元的细胞体、树突和轴突等东西组成。白质的主要成分是负责在神经细胞体之间或身体其他部位传递信息的轴突。白质是白色的原因是这些轴突通常都会被髓鞘包裹，后者是一些白色的脂肪组织。
灰质主要存在于大脑的两个区域——我们上面提到的边缘系统和脑干部位的内部，以及跟硬币一样厚的大脑皮质。 而在这两者之间的大块白质主要由皮质神经元（cortical neuron）的轴突组成。皮质就像是大脑的总指挥中心，它会通过存在于下方白质的大量轴突传达自己的指令。
下面是我见过最漂亮的关于灰质和白质的 概念图解 ，由格雷格·A·邓恩（Greg. A. Dunn）博士和布莱恩·爱德华兹（Brian Edwards）博士制作。大家可以清晰看到外层的灰质和底下的白质之间的结构区别（点击图片查看高清版本）：
这些皮质轴突可能会将信息传递到皮质的其他部位、皮质下方的大脑部位，或者通过脊髓（神经系统的告诉功能）传递到身体的其他部位。 [8]
下面我们来看看完整的神经系统是长什么样的：
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时间：2024-01-28 09:30
在写这篇文章时，我想起了自己为什么喜欢下面这种长得好看又可爱的大脑：
因为真正的大脑长得很丑，一点都不可爱。人类真恶心。
但是在过去一个月里，我一直在谷歌图片中看着一张张黏糊糊、布满血丝的脑部图片，那简直就是地狱。现在你也要经历同样的体验，所以请做好心理准备。
现在我们先从最外层开始。我觉得生物学有一个优点是它有时也挺有条理的，而大脑也有一些条理分明的地方，首先是人类的头部构造就像是一个俄罗斯套娃。
你的头部最外层是头发，头发下面是头皮，然后你以为接下来就到颅骨了——但其实中间还有大概 19 层东西才到颅骨。
在你的颅骨和大脑之间 [1] ，又有这样一堆的东西：
在颅骨下面，大脑被三层薄膜包裹着。
最外层的是硬脑膜（ra mater），一层结实、凹凸不平的防水膜。硬脑膜会紧贴着颅骨。我听说大脑是没有疼痛感知区域的，但硬脑膜上就有——它的敏感程度与脸部肌肤相当——硬脑膜受到压力或撞击往往会引起剧烈的头痛。
下面一层叫做蛛网膜（arachnoid mater），大家可以看到这层薄膜下面的空间布满了一些看上去富有弹性的纤维。我一直认为，我的大脑只是被浸在某种液体里，然后就这样在脑壳里面漂浮着。但其实大脑外部和颅骨内壁之间的唯一间隙就是这层蛛网膜。这些纤维物质可以固定住大脑的位置，让它不会四处移动。当头部受到碰撞的时候，它们还可以起到缓冲的作用。这块区域充满了密度接近水的脊髓液，能让大脑保持着一定的浮力。
最后一层是软脑膜（pia mater），这层薄膜是跟大脑外层紧紧贴合在一起的。你知道为什么你每次看到的大脑照片总是覆盖着一层黏糊糊的血管吗？这些血管其实并不是在大脑表面上，而是嵌在软脑膜里面的。（如果你不怕恶心的话， 这个视频 可以看到一位教授从人脑剥掉软脑膜的过程。）
下面大脑的全貌，这里用的应该是一个猪脑：
从左到右，你会看到皮肤（粉色的那层），然后是两层头皮，接下来是颅骨、硬脑膜、蛛网膜，最右边就是包裹在软脑膜下面的大脑。
如果我们把外层的东西都剥干净，就会看到这个粉嫩的东西：
这个看起来很好笑的东西，可是宇宙中已知的最复杂的物体——虽然它只有三磅重，但是神经工程师蒂姆·汉森（Tim Hanson）却称之为「目前已知信息密度最大、结构化程度最高而且自我组织最完整的东西」。强大如此的大脑，它在运行时的功率仅为 20 瓦 （一台 性能同样强大的计算机 将需要 2400 万瓦的功率才能启动）。
麻省理工学院的教授波丽娜·安妮基娃（Polina Anikeeva）则将大脑 形容成 「可以用勺子舀的软布丁」。脑外科医生本·拉波波尔（Ben Rapoport）给出的描述感觉更为科学：「介于布丁和果冻之间的形态」。他说如果你把一个大脑放在桌面上，它会在重力的作用下变得更扁，有点像水母的感觉。我们通常不会想到大脑会是这么软绵绵的，因为它一般都处于悬浮在液体中的状态。
但这就是我们的样子。你在镜子里看到自己的身体和脸庞，你以为这就是你——但那其实只是一副皮囊。你真正的样子是一个奇形怪状的果冻球。希望你不会介意这个说法。
虽然这听起来很诡异，但你也不能责怪亚里士多德或者是古埃及人，尽管他们曾经断定大脑只是毫无意义的「头骨填充物」（亚里士多德认为心脏才是智力的来源）。 [2]
后来，人类逐渐了解到了更多关于大脑的*，但只是片面地了解。
克里希纳·谢诺伊（Krishna Shenoy）教授 打了个比方 ，他说我们对大脑的理解，就如同在 16 世纪初 人类对整个世界地图的了解一样。
另一位教授，杰夫·李奇曼（ Jeff Lichtman ）的说法就更为苛刻了。他在自己课程的第一节课都会问学生一个问题：「如果大脑总共包含的知识是一英里，我们已经在这个路程上走了多远？」他说学生们有回答三分之一的，有一半的，有四分之一的——但是这位教授给出的答案是「 大约 3 英寸 」。
第三位教授是神经科学家莫兰·瑟夫（ Moran Cerf ），他向我分享了在神经科学界的一句老话，其中指出了为什么试图完全理解大脑是一个无法达成的悖论：「如果人类大脑真的有那么容易理解，那么拥有这种简单大脑的我们也是不能理解大脑的。」
在人类正在建造的伟大知识库的帮助下，我们也许在未来某天可以做到这点。现在，我们先来看看人类目前对大脑已知的东西——先从宏观的角度开始。
我们先通过下面的半球截面图来看看大脑的主要结构：
现在我们把大脑取出来，然后去掉左半球，这样我们就可以清晰地看到里面的结构了。
神经学家保罗·麦克莱恩( Paul MacLean )做过一张简单的示意图，其中阐释了我们之前讨论过的一个基础概念：在进化过程中，最先出现的是爬行脑，后来的哺乳动物以此为基础发展出了第二重脑部结构，最后人类的出现完善了第三重脑部结构。
下面是这些结构在真正的大脑上对应的位置：
接下来我们来看看这里的每个部分：
这是我们大脑中最古老的一部分：
这是上面的大脑截面图中青蛙老大所在的部分。事实上，青蛙的完整脑部的形状就跟我们大脑的这个部分很相似：
在了解过这些部位的功能之后，你就会明白它们为什么是古老的了——这些部位能做的事情，青蛙和蜥蜴都能做。下面是其中主要的部分（点击动图可以查看高清版本）：
延髓（mella oblongata）唯一想的事情就是让你不要死。它负责控制一些非自主的活动，比如心跳、呼吸和血压，另外如果它认为你中毒了，它就会让你呕吐，干的都是些吃力不讨好的活。
脑桥(pons)的工作非常零碎。它负责吞咽、膀胱控制、面部表情、咀嚼、唾液分泌、眼泪分泌和姿势保持等工作——基本上就是看心情什么都做点。
中脑(midbrain)的工作甚至要比脑桥更零碎。如果一个大脑部位所做的事情都已经有其他部位负责了，那它肯定不会好受。这里所说的就是中脑，它负责的工作包括视觉、听觉、运动控制、警觉、体温控制等各种其他大脑部位也在做的事情。大脑的其他部位似乎也不太喜欢中脑，因为你可以看到「前脑、中脑、后脑」的比例差距有多么悬殊，所以看来中脑是被其他部位排斥了。
不过脑桥和中脑也有一项值得肯定的工作，它们还负责控制眼球自主运动，这可是件正经事。所以如果你正在转动眼球的话，说明你的脑桥和中脑正在进行它们的一项专职工作。
这个看起来有点怪，像是大脑*一样的东西就是你的小脑(cerebellum)。小脑负责让你保持平衡、手脚协调和正常行走。 这里 是之前那位淡定的教授展示小脑解剖结构的视频。
在脑干的上方就是边缘系统（limbic system）——让人类变得如此疯狂的大脑部位。
边缘系统是一个生存系统。一个笼统的说法是，当你在做一些你的狗也会做的事情时——进食、饮水、交配、战斗、躲避或者逃离可怕的东西——这就是边缘系统在幕后操控。无论你是否愿意承认，只要你在做上述的任何一件事时，你就处于原始人的生存模式。
边缘系统还控制着你的情绪，而情绪归根到底也是生存的需要——它们是更高级的生存机制，对于生活在复杂社会结构中的动物来说必不可少。
我在之前的文章中提到了 即时奖励猴子 ， 社会生存猛犸象 ，还有 其他一些动物 ——它们所指都是边缘系统。每当你的大脑发生内部斗争时，边缘系统的工作可能就是怂恿你去做一些你以后会后悔的事情。
我确信学会控制边缘系统是人类成熟的象征，同时也是人类最核心的斗争。这并不是说如果没有边缘系统我们会活得更好——边缘系统是我们之所以为人类的一半原因，我们生命中的大部分乐趣都与情绪或者动物本能*的满足有关——只是边缘系统并不知道你生活在一个文明社会，如果你过于放任它的话，它很快就会毁掉你的生活。
好吧，让我们再拉近一点看看。边缘系统由许多小部分构成，不过我们只介绍其中最重要的一些部分：
杏仁体（amygdala）可以说是大脑中负面情绪的集中地。它负责焦虑、悲伤、还有我们对恐惧的反应。大脑有两个杏仁体，奇怪的是左边的杏仁体表现更加乐观一些，除了通常的负面情绪之外，它有时也会产生愉悦的情绪，而右边的那个就一直处于心情不好的状态。
海马体（hippocampus，顾名思义，因为它看起来 像一只海马 ）就像是记忆的速写板。如果将老鼠放进一个迷宫里面，它会慢慢记得迷宫的路，因为迷宫路径的记忆会被编码到老鼠的海马体里面——确实是这样。当老鼠走到迷宫的不同位置时，它的两个海马体的不同部位会被唤醒，因为迷宫的每一个部分都对应着海马体的某一部位。但如果在记住了一个迷宫之后，这只老鼠又做了其他任务，在一年后再被放回原来的迷宫中，它就很难回想起这个迷宫要怎么走了。因为这时海马体速写板上的大部分内容都被清除了，这样才能腾出地方记忆新的东西。
电影《记忆碎片》（Memento）所描述的疾病是真实存在的——顺行性遗忘症（anterograde amnesia）是由海马体受损所导致的。阿兹海默症的病发就从海马体开始，然后才慢慢扩散到大脑的其他部分，这也是为什么阿兹海默症患者会先开始变得健忘，随后才出现其他一系列的严重症状。
丘脑（thalamus）位于大脑的中心，它就像是感官系统的中间人，它负责接收来自感觉器官的信息，然后再将其传输到大脑皮层进行处理。当你在睡觉的时候，丘脑也跟和你一同入睡，也就是说负责传输感官的中间人下班了。所以在深度睡眠时，你通常不会因为轻微的声音、光亮或触碰而醒来。如果你想唤醒处于深度睡眠的人，你的动静一定要足够大才能唤醒丘脑。
唯一的例外是嗅觉，它是唯一可以绕过丘脑的感官。这就是为什么可以用嗅盐来唤醒昏迷者的原因。既然说到这儿了，下面就给大家补充一个冷知识：嗅觉是嗅球 （olfactory bulb）的功能，而且这是最古老的一种感官。跟其他感官不一样，嗅觉位于边缘系统的深处，它与杏仁体和海马体都有紧密的联系——这也就是嗅觉可以唤起特定记忆和情绪的原因。
我们终于聊到皮质（cortex）了，它又名「cerebral cortex」、「neocortex」、「cerebrum」和「pallium」。
作为整个大脑最重要的部位，它竟然连自己的名字都搞不清楚。所以这是怎么回事？
皮质几乎无所不能——它负责处理听觉、视觉及感觉信息，同时还掌管着语言、运动、思考、计划、性格等诸多方面。
皮质可以分为四叶：
这几个部位的职责要描述起来确实没有什么条理可言，因为每个部位所做的东西都很多，而且彼此之间存在大量重叠的功能，不过我们可以简单概括一下：
额叶（ frontal lobe ，点击查看动图）负责你的性格，以及一系列我们认为跟「思考」有关的东西，包括推理、规划和执行等功能。其中，你的大部分思考行为都发生在额叶前端叫做前额皮质（prefrontal cortex）的部位——这是在你大脑中的智者。在之前提到的大脑内部斗争中，前额皮质是与边缘系统对立的一方。它是敦促你完成工作的理性决策者；叫你不要担心其他人看法的内部声音；希望你不要对小事斤斤计较的高级存在。
如果你觉得这些工作还不够麻烦，额叶还负责你身体的运动。额叶顶部的前回是你的「主要运动皮质」（primary motor cortex）。
顶叶（ parietal lobe ）负责的一项功能是触觉控制，其中最主要是「主要体觉皮质」（primary somatosensory cortex）的作用，它就在主要运动皮质的后面。
互相紧挨着的主要运动皮质和主要体觉皮质是特别有趣的两个部位，因为神经科学家发现它们的每个位置都与某个身体部位一一对应。这就引出了本文最惊悚的一张配图——「小矮人图」（homuculus）。
小矮人图由神经外科先驱怀尔德·彭菲尔德（Wilder Penfield）提出，它形象地展示了主要运动皮质和主要体觉皮质所对应的身体部位。图中比例越大的身体部位，它们在相应皮质中所占的区域也越大。这里可以得出一些有趣的发现：
首先，大脑负责面部和手部运动和触觉的区域比其他身体部位的全部加起来还要多，虽然这听起来有点难以置信，但其实还是可以理解的，因为我们需要做出差别非常细微的面部表情，而且我们的双手需要无比灵巧，但是身体的其他部分，比如肩膀、膝盖、后背，它们的动作和感觉就不需要那么细致了。这就是为什么人类可以用手指弹钢琴，用脚趾就不行。
其次，这两种皮质所对应的身体部位比例也高度近似。我也可以理解这点，但我从来没有想过，身体最需要运动控制的部位恰恰也是最敏感的部位。
最后，我偶然找到了下面这张图片，然后它就一直在我的脑海中挥之不去，所以现在我也让你们体会一下这种感觉——一个 3D 版的小矮人。
我们继续——
颞叶（ temporal lobe ）负责储存你的大部分记忆。另外因为它就在你的的耳朵旁边，所以它也是听觉皮质（auditory cortex）所在的位置。
最后，位于你的后脑勺的是枕叶（ occipital lobe ），它几乎被完全用于处理视觉信息。
一直以来，我都以为这些大片的脑叶就是组成大脑的一块块部位——就像我们在 3D 模型中看到的分区一样。但实际上，皮质只占大脑最外层的 2 毫米——也就相当于一个硬币的厚度——表层下面的空间基本上是各种神经组织的复杂连结。
如果将皮质从大脑上剥下来，你可以得到一个 2 毫米厚，面积为 2000 至 2400 平方厘米的区域， [4] 相当于一块 48 厘米 x 48 厘米（19 x 19 英寸）正方形餐巾。
这块餐巾是你的大部分大脑行为发生的地方——它是你能够思考、运动、感觉、看见、听到、记忆、说话和理解语言的原因。这简直是史上最棒的餐巾。
还记得之前我说过「你只是个果冻球」吗？好吧，其实你所认为的自己其实主要是你的皮质。换句话说，你其实是一块餐巾。
当把完整的大脑和扒下来的皮质放在一起时，我们就能清楚地看到这些褶皱所增加的餐巾面积了：
尽管还不完美，但是现代科学已经基本掌握了大脑的全貌。此外，我们对大脑的细节也有了一定的认识。接下来是对大脑细节的介绍：
尽管我们早就明白了大脑是人类智力的源泉，但是科学界是在不久前才弄清楚大脑的构造。科学家已经知道人体是由细胞构成的，但是直到 19 世纪末，意大利外科医生卡米洛·高尔基（Camillo Golgi）才发现一种 染色法 可以揭开大脑细胞的真面目。他最后发现的结果令人意外：
这看上去不是细胞应该有的样子。高尔基当时没有意识到自己发现的其实是「神经元」（neuron）。
科学家后来认识到，几乎对于所有动物来说，神经元都是构成大脑和神经系统，以及它们内部的巨大沟通网络的核心单位。
但直到 1950 年代，科学家才进一步发现神经元之间进行交流的方法。
轴突（axon），即神经元上负责承载信息的细长突起，它的直径通常非常小——因为它实在太小了，所以科学家直到最近才能用它来做实验。在 1930 年代，英国动物学家 J·Z·扬（J. Z. Young）在偶然之下得到了一个*传统认知的发现——乌贼拥有异常巨大的神经轴突，可用于实验。几十年之后，科学家艾伦·霍奇金（Alan Hodgkin）和安德鲁·赫胥黎（Andrew Huxley）利用乌贼的巨大轴突，终于找出了神经元传递信息的方式——动作电位（action potential）。它的原理是这样的：
首先，神经元的种类有很多：
为了简单起见，我们在此只讨论一种简单常见的神经元——椎体细胞（pyramidal cell），你可以在运动皮质中找到它们。如果要画出一个神经元图示，我们可以先画一个小人：
然后给他多加几条腿和一些头发，把胳膊卸掉，最后再把他拉长——这样我们就画出了一个神经元。
然后我们再加几个神经元进来。
这里我就不打算解释动作电位的详细原理了，因为其中会涉及许多不必要又没意思的专业内容，这些东西你应该已经在初中生物课上了解过了。如果你想完整了解相关的只是，我建议你阅读可汗学院的这篇优质 科普文 。接下来，我们只会了解跟本文主题相关的一些基本概念。
现在，我们的神经元小人的尾巴——轴突——带有负极性的「静息电位」，也就是说当它静止时会稍微带负电荷。我们的神经元小人的头发（树突，dendrites）总是会被其他小人的脚碰到 [5] ，尽管他可能不太情愿。其他人的脚会将一种叫做神经递质（neurotransmitter） [6] 的化学物质掉在他的头发上，这种化学物质会穿过他的头部（细胞体，或称「soma」），根据化学物质的性质，他会稍微改变自己身体所带的电荷。虽然这会让我们的神经元小人有点不舒服，但这也不是什么大问题——除此之外什么都不会发生。
但是如果有足够多的化学物质碰到了他的头发，使他的电荷上升到某个值——即神经元的「阈电位]（threshold potential），这时小人就会处于动作电位，也就是说他被电击了。
这是一种非此即彼的状态：我们的小人不是处于完全没有变化的状态，就是处于被完全电击的状态。他不会存在被部分电击或者过度电击的状态——要么完全没有受到电击，要么受到每次程度都一样的电击。
当出现这种情况的时候，一股电流会从他的身体（轴突）流向他的脚（轴突末梢，axon terminal），后者会因此碰到其他小人的头发（这个接触点叫做突触，synapse），在这个过程中，小人身体的电荷会从负电短暂转变为正电，然后迅速回到他正常的负电位状态。当这个动作电位到达小人的脚时，轴突末梢会释放化学物质到它正在触碰的头发上，这样有可能会导致被触碰的小人受到电击，正如他之前所遭遇的情况。
这就是信息在神经系统中传递的方式——化学信息通过神经元间的细小间隙传导，并触发穿过神经元的电流信息——不过当身体需要快速传递某个信号时，神经元之间也可以通过电流来传递信息。
动作电位的传递速度为每秒 1 到 100 米之间。之所以会有这么大的变动范围，部分原因是神经系统中的另一种细胞——施旺细胞（Schwann cell）——它像是一位总觉得孙子穿不够的老奶奶，一直往轴突身上盖一层层厚厚的毯子——髓鞘（myelin sheath）。整个过程就像这样：
除了起到保护和绝缘的作用以外，髓鞘还是影响神经元信息传递速度的主要原因——当轴突被髓鞘包裹时，动作电位的传导速度会快很多： [7]
下面举个例子来说明髓鞘对信息传递速度的影响：比如当你的脚趾踢到什么的东西的时候，你会马上意识到自己刚才的动作，但是你可能要过一两秒的时间才会开始感受到脚趾隐隐作痛。你立刻可以感到自己踢到东西和一阵剧痛，因为剧痛信息是通过经过髓鞘包裹的轴突传到大脑的，而你后来才开始感到隐隐作痛是因为这种痛感是通过没有髓鞘保护的「C类神经纤维」传递的，它的传递速度为每秒 1 米左右。
在某种意义上，神经元跟电脑的晶体管很相似——它们都是用「1」（动作电位激活）和「0」（没有动作电位激活）的二进制语言传递信息。但是跟电脑晶体管不同的是，大脑的神经元会一直处于变化之中。
你肯定有过这样的经历，你学会了一种新技能，掌握得还不错，但是到了第二天你发现自己又不会了。你第一天之所以能学会这项技能，是因为在神经元之间传递信号的化学物质的数量或浓度发生了变化。不断重复的行为会导致这些化学物质的改变，让你可以取得进步，但是到了第二天，之前调整过化学物质会回归到正常水平，你之前取得的进步也会随之消失。
但如果你接下来继续坚持练习，你最终会长久地掌握这项技能。在这个过程中，你其实在告诉大脑，「这不是一次性的工作」，然后大脑的神经网络便会做出可以长期持续的结构性调整。神经元会改变自己的形状和位置，强化或弱化不同的连接，根据需要学习的技能搭建一套固定的路径。
神经元能够在化学上、结构上、甚至是功能上改变自己，根据外部世界不断优化大脑的神经网络，这种现象就啊哦做神经可塑性（neuroplasticity）。婴儿的大脑拥有最高的神经可塑性。婴儿出生后，他的大脑完全不知道自己以后会有什么样的人生：拥有一流剑术的中世纪勇士？擅长弹奏大键琴的十七世纪音乐家？还是既要记住并整理海量信息，又要管理复杂人际关系的现代学者？不管怎样，婴儿的大脑都已经准备好不断调整自己，可以应对未来任何形态的人生。
虽说婴儿拥有最强大的神经可塑性，不过这种能力将会伴随我们的一生，所以人类才能不断成长、改变和学习新知识，同时这也是我们可以养成新习惯、改变旧习惯的原因——习惯其实是大脑现有神经结构的反映。如果你想改变自己的习惯，你就需要付出巨大的意志力来推翻大脑之前建立的神经路径，但如果你可以坚持足够长的时间，你的大脑最终会得到指示，改变之前的路径，新的行为习惯将不再需要意志力的支撑。大脑已经为新的习惯做出了相应的生理变化。
这个难以想象的巨大神经网络是由大脑内部的大约 1000 亿个神经元构成的——这个数量与银河系的恒星数量相仿，或者说是全球人口的十几倍。其中有 150 到 200 亿的神经元位于皮质，剩下的神经元都在大脑的低级部位（令人意外的是，小脑的神经元数量是皮质的三倍有余）。
现在我们再缩小一点，看看另一张大脑的截面图——不过这次不把大脑切成两个半球，而是从中间切开：
大脑的内部物质可以分为灰质（gray matter）和白质（white matter）两种。灰质看起来的颜色要更深一些，由大脑神经元的细胞体、树突和轴突等东西组成。白质的主要成分是负责在神经细胞体之间或身体其他部位传递信息的轴突。白质是白色的原因是这些轴突通常都会被髓鞘包裹，后者是一些白色的脂肪组织。
灰质主要存在于大脑的两个区域——我们上面提到的边缘系统和脑干部位的内部，以及跟硬币一样厚的大脑皮质。 而在这两者之间的大块白质主要由皮质神经元（cortical neuron）的轴突组成。皮质就像是大脑的总指挥中心，它会通过存在于下方白质的大量轴突传达自己的指令。
下面是我见过最漂亮的关于灰质和白质的 概念图解 ，由格雷格·A·邓恩（Greg. A. Dunn）博士和布莱恩·爱德华兹（Brian Edwards）博士制作。大家可以清晰看到外层的灰质和底下的白质之间的结构区别（点击图片查看高清版本）：
这些皮质轴突可能会将信息传递到皮质的其他部位、皮质下方的大脑部位，或者通过脊髓（神经系统的告诉功能）传递到身体的其他部位。 [8]
下面我们来看看完整的神经系统是长什么样的：
