第2课 大脑网络
在地球上，人类对大脑的思考已有数千年的历史。亚里士多德认为大脑是心脏的冷却室，就像你车里的散热器。中世纪的哲学家坚持认为，某些脑腔容纳了人类的灵魂。19世纪，有一种流行的观念，叫作颅相学。它把大脑描绘成一张拼图，每一块拼图都可以产生一种不同的人类品质，比如自尊、破坏性或爱。
冷却室、灵魂之家、拼图游戏——这些都可以帮助我们理解大脑及其运作方式。
今天，我们依然可以看到无数关于大脑的“事实”，但实际上，这些所谓的“事实”只不过是个比喻。例如，我们经常听说，左脑负责逻辑而右脑负责创造，这就是个比喻。心理学家丹尼尔·卡尼曼在《思考，快与慢》一书中探讨了如下概念：人的大脑中存在两个系统，“系统1”负责快速的本能反应，“系统2”负责缓慢的、深思熟虑的行为。（卡尼曼很清楚，系统1和系统2是关于大脑的比喻，但它们经常被误认为是大脑结构。）一些科学家将人类的大脑描述为一系列“心理器官”的集合，包括恐惧、同理心、嫉妒和其他为生存而进化的心理工具，但大脑并不是这样的结构。你的大脑也不会因为活动而“亮起来”，就好像有些部分开着，有些部分关着。它也不像计算机文件那样“存储”记忆，以便以后检索和打开。这些对大脑的比喻，都已经过时了。
如果真正的大脑并不像这些比喻所描述的那样工作，“三重脑”也只是一个神话，那么到底是什么样的大脑使我们成了现在的我们？是什么样的大脑赋予了我们合作的能力、语言的能力，以及猜测他人想法和感受的能力？什么样的大脑是创造人类心智所必需的？
要想回答这些问题，我们首先要明白一个说法：大脑是一个网络——由多个部分组成，彼此连接，作为一个单一整体发挥作用。我们周围有很多这样的网络，大家都很熟悉。互联网把多个设备连接在一起。蚁穴是一个由隧道连接的地下网络。社交网是人与人交互联系的关系网。而你的大脑是一个由1280亿个神经元组成的网络，它是一个单一的、庞大的、灵活的结构。
大脑网络不是一个比喻。这是现代科学能够提供的最佳描述，描述了大脑是如何进化，如何构造，以及如何运作的。正如你将看到的，这个网络结构将使我们进一步了解是什么让你的大脑创造了你的思维。
1280亿个神经元如何形成一个单一的大脑网络？一般来说，每个神经元看起来像一棵小树，顶部长满茂密的树枝，长长的树干，底部有根。（是的，我知道，我使用了比喻。）茂密的树枝被称为树突，接收来自其他神经元的信号，而树干被称为轴突，通过根部向其他神经元发送信号。
1280亿个神经元日夜不停地发出信号。当一个神经元发出信号时，电子信号就会从它的主干传到根部。这个信号致使根部向神经元之间的间隙（被称为突触）释放化学物质。这些化学物质穿过突触，附着在另一个神经元浓密的顶部，刺激该神经元也发出信号。这样，一个神经元就将信息传递给了另一个神经元。
树突、轴突和突触就以这样的方式将你的1280亿个独立的神经元编织成一个网络。为了更简单易懂，我把整个安排称为大脑“线路”。
神经元及其线路
你的大脑网络一直都在运行，不需要外界事物激发，神经元一直在传递信号。所有的神经元都会通过它们的线路不断地相互交流。但它们的交流可能会发生变化，忽强忽弱，这取决于周围世界以及你的体内正在发生什么，但交流永远不会停止，直到你离开人世。
大脑中的交流是一种平衡行为，是速度和成本之间的平衡。每个神经元直接将信息传递给其他几千个神经元，然后从其他几千个神经元那里接收信息，神经元和神经元之间建立连接，数量超过500万亿。这是一个十分庞大的数字，但如果网络中每个神经元都直接与其他神经元对话，这个数字会更庞大。这样的结构需要更多的连接，你的大脑会耗尽资源来维持自身。
因此，在连线时，大脑选择了一个“更节约”的方式，有点儿类似于全球航空旅行系统。（没错，又是一个比喻。）全球航空旅行系统是一个由世界上1.7万个机场组成的网络。你的大脑承载着电子和化学信号，而这个网络承载着乘客（如果足够幸运，还有我们的行李）。每个机场都有直飞其他一些机场的航班，但并不是每个机场之间都有航班往来。如果每个机场之间都有航班往来，空中交通量每年将增加数十亿架次，整个系统将因燃料不足、飞行员和跑道短缺而最终崩溃。相反，一些机场如果充当枢纽，就可以减轻其他机场的负担。内布拉斯加州的林肯没有直飞意大利罗马的航班，所以，要去罗马，你得先从林肯飞到一个枢纽，比如新泽西州的纽瓦克国际机场，然后从那里搭乘航班飞往罗马。有时，你可能需要倒两次航班，停靠两个枢纽。枢纽系统具有灵活性和可扩展性，是国际旅行的主干。尽管很多机场主要负责本地航班，但是全球所有机场都可以参与进来。
大脑网络也是以同样的方式组织起来的。大脑神经元分成不同簇，就像机场一样。进出簇的大多数连接都是本地的，因此，与机场一样，这些簇主要服务于本地交通。此外，一些簇还充当了通信枢纽。它们与许多其他簇紧密相连，其中一些轴突延伸到大脑深处，起到远距离连接的作用。大脑枢纽就像机场枢纽一样，让一个复杂的系统变得高效。它们允许大多数神经元参与全局，即使它们更专注于局部。中枢是整个大脑交流的主干。
枢纽是超临界基础设施。当纽瓦克或伦敦希思罗机场这样的主要枢纽出现故障时，航班延误和取消的情况会波及全世界。想象一下，大脑中枢失灵会发生什么。中枢损伤与抑郁症、精神分裂症、阅读障碍、慢性疼痛、痴呆、帕金森病和其他疾病有关。枢纽是很脆弱的，因为它们是效率点——枢纽使大脑在人体中运行而不消耗身体预算成为可能。
由中枢结点连接的神经元簇
拥有这种精简和强大的枢纽结构，要感谢自然选择。科学家推测，在进化过程中，神经元簇形成大脑网络，这个网络不仅足够强大、速度快、节能，而且足够小，可以塞进你的头骨里。
另外，大脑网络不是静态的，它是不断变化的。有些变化非常快。你的大脑线路沐浴在化学物质中，这些化学物质完成了神经元之间的局部连接。这些化学物质，如谷氨酸、血清素和多巴胺，被称为神经递质，它们使信号在突触间的传递变得更容易或更困难。它们就像机场的工作人员——票务员、安检人员、地勤人员，可以加快或减慢机场内的客流，没有他们，我们根本无法旅行。这些网络变化是即时、持续的，但大脑的物理结构看起来没有变化。此外，其中一些化学物质，如血清素和多巴胺，也可以作用于其他神经递质，增强或削弱它们的影响。当大脑中的化学物质以这种方式起作用时，我们称其为神经调质。它们就像机场之间的天气。当天气晴朗时，飞机飞得很快。当暴风雨来临时，航班就会停飞或改道。在神经调质和神经递质的共同作用下，大脑凭借单一结构承担了数万亿种不同的活动模式。
其他网络变化相对较慢。就像机场建造或翻新航站楼一样，你的大脑也在不断地建设。一些神经元会死亡，而在大脑的某些部分，新的神经元又会诞生。连接可能会增多，也可能会减少。当神经元一起放电时，连接会变得更强，当神经元不一起放电时，连接会变弱。这些变化就是科学家所说的可塑性，它们会贯穿你的一生。任何时候，当你学到一些东西——一个新朋友的名字或者新闻中一个有趣的事实，这些经历就会被编码进你的记忆回路中，这样你就能记住它，随着时间的推移，这些编码会改变你的记忆回路。
从另一个角度来讲，大脑网络也是动态的。随着神经元改变沟通对象，单个神经元可扮演的角色也不相同。例如，视觉能力与大脑中一个叫枕叶皮质的区域密切相关，这个区域通常被称为视皮质；然而，它的神经元经常携带听觉和触觉信息。事实上，如果你把视力正常的人的眼睛蒙上几天，教他们识别盲文，他们视皮质的神经元会更专注于触觉。取下眼罩，24小时后效果就会消失。同样，若婴儿出生时患有致密性白内障，这意味着大脑无法接收视觉信息输入，那么视皮质的神经元就会被用于其他感官。
大脑中的一些神经元连接十分灵活，它们的主要职责就是承担多重功能，例如背内侧前额皮质，它是前额皮质的一部分。该区域不仅参与身体预算，也参与人的记忆、情感、知觉、决策、痛苦、道德判断、想象、语言、移情等。(https://www.daowen.com)
总的来说，每个神经元都具有不止一种功能，且功能大小并不相等，有的功能多一些，有的少一些。即使科学家以某种功能来命名大脑区域，比如“视皮质”或“语言网络”，这个名字也往往反映出科学家当时的关注点，而不是该大脑区域只有此种功能。我并不是说每个神经元都是全能的，具有所有功能，而是说，神经元可以有很多功能，就像一个机场可以起飞飞机、出售机票和提供糟糕的食物一样。
同样，不同的神经元组可能产生同样的结果。现在就试试这个：伸手去拿你面前的东西，比如手机或巧克力；把手缩回来，以完全相同的方式再次伸向它。即使是这样一个简单的触达动作，如果做了多次，也可以由不同的神经元组来引导。这种现象叫作简并。
科学家怀疑所有的生物系统都有简并现象。例如，在遗传学上，不同的基因组合可以产生相同颜色的眼睛。你的嗅觉和免疫系统也存在简并现象。运输体系也一样。从伦敦飞往罗马，你可以选择不同的航空公司、不同的航班、不同型号的飞机、不同的座位和不同的乘务员。副驾驶可以代替飞行员。大脑的简并现象意味着，你的行为和经历可以通过多种方式产生。例如，当每次感到害怕时，你的大脑可能会用不同的神经元组来构建这种感觉。
至此，我们可以看出，把大脑视为一个网络是非常有帮助的。这一观点充分体现了大脑的大部分动态行为——可塑性引起的缓慢变化、神经递质和神经调质引起的快速变化，以及多任务神经元的灵活性。
把大脑视为网络组织还有另一个优势。它赋予大脑一个特性，即复杂性，它是创造人类思维的关键，通过这种能力，大脑可以将自己配置成大量不同的神经模式。
一般来说，一个复杂的系统是由许多相互作用的部分组成的，这些部分相互协作，以创建多种活动模式。全球航空旅行系统是一个复杂的系统，它的各个部分——票务员、空中交通管制员、飞行员、飞机、地勤人员等——相互依存，共同构成了一个完整的系统。一个复杂系统的行为不仅仅是其各部分的总和。
复杂性让大脑具有在各种情况下灵活行动的能力。它开启了一扇门，让我们可以抽象思考，拥有丰富的口头语言，想象一个与现在截然不同的未来，并拥有建造飞机、吊桥和扫地机器人的创造力和创新能力。复杂性还帮助我们超越自身生存环境，思考整个世界，甚至外太空，并在某种程度上关心过去和未来，而其他动物则不会。复杂性本身并不能赋予我们这些能力，许多其他动物也有复杂的大脑。但要拥有这些能力，复杂性必不可少，它是一个关键因素，人类的大脑拥有极高的复杂性。
就大脑而言，是什么构成了它的复杂性？想象一下，数十亿的神经元，每一个都使用神经递质、神经调质和其他动态信号，同时向其他特定的神经元发送信号。这就是大脑活动的一种“模式”。复杂性意味着你的大脑可以通过将过去形成的旧模式碎片组合起来，创造出大量不同的模式。其结果就是，在一个瞬息万变的环境中，大脑通过回忆过去有用的模式，形成新的模式并进行尝试，从而让自己高效运转起来。
一个系统的复杂性高低取决于它可以通过重新配置自身来管理多少信息。和全球航空旅行系统的复杂性非常类似。通过不同的航班组合，旅客可以飞到任何地方。如果有新机场被启用，航空旅行系统就可以重新配置以适应新机场。如果一个机场因龙卷风而被破坏，旅行可能会中断一段时间，但最终航空公司可以通过绕道来解决这个问题。相比之下，一个复杂性较低的系统无法对自己进行重新配置。如果任何一条给定的航线只有一个飞行计划，或者所有飞机都被迫在一个枢纽进出，那么航空旅行系统的复杂性就会降低。如果该枢纽被破坏，那么整个航空运输系统就会陷入停顿。
为了探索大脑复杂性的高低，设想两个大脑，它们都不如你的大脑复杂。第一个大脑和你的大脑一样，大约有1280亿个神经元，但每个神经元都彼此相连。当一个神经元接收到改变其放电速率的信号时，所有其他神经元最终也会发生同样的变化，因为它们是相互连接的。我们称它为“肉饼脑”，因为它的结构非常一致。从功能上讲，“肉饼脑”的复杂性比你的大脑低，因为不管在任何时候，它的1280亿个元素实际上只是一个单一的元素。
第二个大脑也有1280亿个神经元，但它被分割成一个个不同的区域，每个区域提供特定的功能——看、听、闻、尝、触、想、感觉等——就像19世纪颅相学家想象的大脑一样。这个大脑就像一组协同工作的专业工具，就像一把折叠小刀，所以我们称它为“折叠刀大脑”。“折叠刀大脑”比“肉饼脑”复杂，但仍然不如你的大脑复杂，因为每种工具对“折叠刀大脑”所形成的模式总数帮助不大。一把真正的小刀，比如，一把真正的折叠刀，有14种工具，有大约1.6万种可能的打开模式（准确地说，是214种），再增加一种，变成15种工具，也只会使总数增加一倍。然而，你大脑的神经元有多种功能，这些功能会使模式的数量呈指数级增加。如果你有一把折叠刀，它有14种工具，现在为每种工具添加一个额外的功能——比如，让刀片充当一个简陋的开瓶器，用螺丝刀打孔，等等——那么构成的模式就会从大约1.6万种（214）跃升到400多万种（314）。换句话说，当大脑现有的部分区域变得更灵活，增加新功能时，结果将比我们通过增加新区域而获得的复杂度要高得多。
“肉饼脑”和“折叠刀大脑”可能都有一些优势，但一个高复杂性的大脑比它们都强。
越复杂的大脑能记住的东西越多。和计算机存储文件的方式不同，大脑在存储记忆时，会根据需要用电流和快速旋转的化学物质来重建它们，我们称这个过程为记忆，但它实际上是个组装过程。一个复杂的大脑所能组装的记忆远远多于“肉饼脑”和“折叠刀大脑”。另外，即使是相同的记忆，你的大脑也会用不同的神经元组来组装它（这就是简并）。
大脑复杂程度越高，创造力也就越强。一个复杂的大脑能够以新的方式结合过去的经验，处理它从未遇到过的事情。例如，爬一座不熟悉的小山或楼梯而不会摔倒，因为你过去曾爬过类似的小山或楼梯。环境发生变化，需要不同的身体预算，复杂的大脑能够更快地调节以适应变化。这是人类能够在多种气候和社会结构中成功生存的原因之一。如果你必须从赤道搬到北欧，或者从一个悠闲的文化环境搬到一个规则严格的文化环境，那么你复杂的大脑能让你很快适应。
除此之外，大脑复杂性越高，抗损伤能力越强。如果一个神经元簇停止工作，其他的神经元簇就会代替它。这就是复杂的大脑可能更受自然选择青睐的原因之一。“折叠刀大脑”并不具备这种能力，如果是“折叠刀大脑”，失去神经元更可能意味着丧失功能。
人类的大脑可能是地球上最复杂的大脑之一，但它们并不是唯一具有高度复杂性的大脑。不同物种的大脑结构不同，智能行为在很多动物身上都出现过。以章鱼为例，它复杂的大脑分布在全身。章鱼能解开谜题，甚至能拆除水族馆里的水族箱。鸟类的大脑也很复杂。一些鸟类可以使用简单的工具，并且有一定的语言能力，尽管它们的神经元并没有形成大脑皮质。记住，高度复杂的人脑并不是进化的顶峰，它只是很好地适应了我们居住的环境。
高度的复杂性可能是使你成为人类的先决条件，但它本身并不能使人类的大脑产生人类的思维。旧石器时代的祖先在捡起一块石头时，想象着未来手斧的画面，需要的不仅仅是一个高度复杂的大脑。同样，一张纸、一块金属和一块塑料的物理性质不同，把它们都视为具有相似功能的物体，如货币，仅凭一个复杂的大脑是做不到的。高度的复杂性可以帮助你爬上一段不熟悉的楼梯，但你需要更多的复杂性才能理解为了获得权力和影响力而攀爬社会阶梯意味着什么。思考人类大脑的本质，并创造各种比喻描绘大脑的样子，如“三重脑”，系统1和系统2，需要的也不仅仅是高度复杂的大脑。这些充满想象力的壮举除了需要高度的复杂性，还需要很多其他因素，随后的课程将为大家详细介绍。
正如我前面提到的，大脑网络不是一个比喻。这是当今科学对大脑最好的描述。它允许我们思考一个物理结构如何在瞬间重新配置，有效整合大量信息。它通过量化不同大脑的复杂性，揭示了它们之间的异同。它甚至帮助我们明白了大脑在受损时是如何进行修复的。
不过，在解释大脑网络时，我还是运用了一些比喻。例如，“线路”这个词就是一个比喻。神经元并没有真正连成线——它们是被我们称为突触的小间隙分开的，实际上它们是由化学物质完成连接的。神经元也不是树，没有树干和枝叶。你的大脑也不可能存在机场。
解释复杂话题，利用熟悉、简单的事物进行比喻，这有助于理解。然而，如果人们把比喻当成一种解释，那么它的简单性可能会成为它最大的失败。例如，在生物学中，基因有时被描述为“蓝图”。根据这个比喻，如果单从字面上理解，你可能会认为特定的基因总是具有相同的基本功能，比如，形成一个特定的特征或身体的一部分。（但并非如此。）物理学家有时会说，光是以波的形式传播的，这个比喻让我们认为，空间就像海洋一样含有某种物质，可以让这些波通过。（事实并不是这样的。）比喻容易引发误解，需谨慎使用。
复杂的大脑网络不是一个比喻，此处不再赘述。你的大脑也不是仅有神经元，它还包括血管和各种我没讲过的液体。它也包括其他种类的脑细胞，被称为神经胶质细胞，它们的功能方式科学家还没有完全理解。令人惊讶的是，大脑网络甚至可能延伸到肠道。科学家在肠道里发现了可以通过神经递质与你的大脑沟通的微生物。
随着科学家对大脑及其相互联系了解得越多，我们就越有可能找到更好的方式来描述它的结构和功能。在那之前，将大脑理解为一个复杂的网络，有助于我们思考人类的大脑是如何在不需要所谓的理性和超大的大脑新皮质的情况下创造出人类的思维的。如果说人类大脑的进化有什么了不起的成就，那就是其极高的复杂性。