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你好，大脑

人类的头部构造（见图2-1）就像一个俄罗斯套娃，最外层是头发，头发下面是头皮，你以为打开头皮就到颅骨了，其实中间还隔着十几层之多。

在颅骨下面，大脑被几层薄膜包裹着（见图2-2）。

最外层的是硬脑膜（dura mater），是一层结实、凹凸不平的防水膜。硬脑膜会紧贴着颅骨。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时往往会引起剧烈的头痛。

下面一层叫作蛛网膜（arachnoid mater），这层薄膜下面的空间布满了富有弹性的纤维。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脑脊液，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附在大脑表面上，而是嵌在软脑膜里面的（见图2-3）。

如果我们把外层的东西都剥干净，就会看到大脑。这个看上去像一团果冻一样的东西，却是宇宙中已知的最神秘的物体。它虽然只有不到1.4千克重，却是目前已知的信息密度最大、结构化程度最高而且自我组织最完整的东西。一个“普通”的人类大脑，运行时的功率仅为20瓦，而一台性能同样强大的计算机则需要2400万瓦的功率才能启动。

面对它时，你不时会陷入深深的困惑中。时至今日，我们对大脑的理解，就如同16世纪初人类对整个世界地图的了解一样。

记得我在高中时期参加一次全国性的生物知识竞赛时，我的导师，一位著名的生物学教授，在他的第一堂课上提出了这样一个问题：“如果大脑总共包含的知识长度是1千米，我们已经在这个路程上走了多远？”我们当中有回答1/2的，有说1/3的，有说1/4的，但是这位教授给出的答案却是“1厘米”。

在人类正在构建的伟大知识库的帮助下，我们也许在未来某天能够抵达这1千米的终点。但是现在，让我们先来看看人类目前对大脑已有的认知，以及这1厘米当中都有些什么风景吧。

如果我们把大脑取出来，然后去掉左半球，我们就可以清晰地看到大脑的横截面（见图2-4）。

从爬虫脑到新皮质，大脑的进化假说

1967年，为了了解看似随机的大脑结构，将达尔文的进化论应用到大脑研究中，美国国家精神健康研究院的神经学家保罗·麦克莱恩（Paul Maclean）把大脑分成三个部分：在进化过程中，最先出现的是爬虫脑，后来的哺乳动物在此基础上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。

爬虫脑，人类大脑最古老的一部分

这一部分包括脑干、小脑、基底核，与爬行动物的大脑几乎相同，因而被称为“爬虫脑”。爬行动物的大脑起源可以追溯到5亿年前，这也是人类大脑最古老的一部分。它控制着动物最基本的生命功能，如心跳、呼吸、消化、血压、平衡等，还控制着争斗、领地、狩猎与交配，这些是动物生存和繁殖所必需的条件。

古哺乳动物脑，大脑的边缘系统

从爬行动物进化到哺乳动物，大脑也随之变得更加复杂了，向周边发展和产生全新的结构，这就是我们所说的“古哺乳动物脑”（边缘系统）。边缘系统位于大脑中心附近、“爬行动物脑”（爬虫脑）部分的周围，控制和调节着动物的记忆、食欲、情绪、困倦和警觉，以及感官信息处理等基本过程。

对于以群体生活方式为主的哺乳动物来说，边缘系统是极为重要的。它们需要辨别潜在的敌人、盟友和竞争对手，从而更为高效地生存并哺育后代。这种社会群体的生活方式是非常复杂的，尤其是涉及了情感。哺乳动物中的灵长类，如猿猴等，其边缘系统就显得十分突出。

新皮质，大脑中最新的进化结构

后来，我们有了哺乳动物大脑的第三个和最新的区域——大脑皮质，这是大脑的外层。大脑皮质内最新的进化结构是新哺乳动物脑（新皮质），它控制高级认知行为。这是人类大脑最发达的部分，它在大脑总质量中的占比高达80%。在老鼠的大脑中，新皮质是光滑的，但是在人类的大脑中，它是高度盘绕的，沟回起伏，极为复杂，这样才能允许大量的表面积被塞进人类的头骨中。

大脑的进化史是科学家认识大脑的一种模式。粗略地说，我们可以认为人类大脑的进化路径是从爬行动物大脑、古哺乳动物脑（边缘系统）到新哺乳动物脑（新皮质）的过程。

下面是这些结构在真正的大脑中对应的位置（见图2-5）：

接下来，让我们来看看这里的每个部分。

首先是爬虫脑，这是我们大脑中最古老的一部分（见图2-6）。它长得像一只难看的青蛙。事实上，青蛙的完整脑部形状就跟我们大脑中的这个部分很相似。

在了解了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。

下面是爬虫脑的主要组成部分：

小脑

在端脑下方，头部正后方跟颈背相接的地方，驻守着小脑。虽然小脑体积只占颅腔的10%，但它有着全脑大约一半的神经元。这里神经元众多，不是因为小脑要从事大量的思考，而是因为它控制平衡和复杂运动，这需要大量的神经接线。

脑干

在大脑的基座底下，有一条像电梯井似的、连接大脑与脊柱以及身体其余地方的东西，这是大脑最古老的部位——脑干。它掌管着人体更为基本的运作：睡觉、呼吸、保持心跳。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。脑干并未得到大众太多的关注，但它对我们的生存至关重要。在很多国家，脑干死亡是衡量人类死亡的基本准绳。

其次，古哺乳动物脑——边缘系统。在小脑与脑干周围，分布着许多较小的结构——下丘脑、杏仁核、海马、终脑以及其他十来个类似的结构，它们被统称为边缘系统（见图2-7）。除非它们犯了错，否则人们一辈子也不会知道它们具体有什么作用。举例来说，基底神经节在运动、语言和思考方面扮演着重要的角色，但通常只有当它们退化并导致帕金森病时，它们才会引起人们的注意。

尽管边缘系统默默无闻，体积也不够明显，但这些结构在人体的基本运作中扮演着基础角色：它们控制和调节着我们的记忆、食欲、困倦和警觉，以及感官信息处理等基本过程。实际上，边缘系统是一个生存系统。有一个粗略的说法是，当你做一些狗也会做的事情，例如进食、饮水、交配、战斗、躲避或者逃离可怕的东西时，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，你就处于原始人的生存模式。

边缘系统还控制着你的情绪，而情绪归根结底也是生存的需要。它们是更高级的生存机制，对于生活在复杂社会结构中的生物来说必不可少。

当你陷入理智与情绪的“天人交战”中时，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。从这个意义上说，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欲望的满足有关，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。

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几个部分：

海马，长期记忆之源

顾名思义，之所以被称为海马，是因为它看起来像一只海马。这是记忆的“网关”，在这里，短期记忆被处理成长期记忆。海马的损伤将破坏产生新的长期记忆的能力，人们将会永远停留在目前的状况。美国电影《记忆碎片》（Memento）讲述了患有“短期记忆丧失症”的谢尔比根据支离破碎的记忆来找到杀妻凶手的故事。这部悬疑电影所描述的疾病是真实存在的——由海马受损所导致的顺行性遗忘症（anterograde amnesia）。

阿尔茨海默病的发作就从海马开始，然后才慢慢扩散到大脑的其他部分，这也是为什么阿尔茨海默病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。

杏仁核，情感诞生之地

这是产生情感，尤其是恐惧的地方。这里专门处理强烈而紧张的情绪，如恐惧、愤怒、焦虑。大脑有两个杏仁核，奇怪的是左边的杏仁核表现得更加乐观一些，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。杏仁核遭到破坏的人可以做到真正的无所畏惧，他们往往还无法识别他人的恐惧。我们睡着的时候，杏仁核就会变得特别活泼，这或许可以解释为什么我们的梦境常常令人不安。噩梦兴许只是杏仁核在给自己减负而已。

丘脑，大脑的“中继站”

它的拉丁名字的意思是“内室”，位于大脑的中心，就像一个中继站。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质进行处理。当你在睡觉的时候，丘脑也会跟你一同入睡，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。既然说到这儿了，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，它与杏仁核和海马都有紧密的联系。这也是嗅觉可以唤起特定记忆和情绪的原因。

下丘脑，你的成败皆与它有关

它负责调节体温、昼夜节律、饥饿、口渴、生殖和心情。它位于丘脑之下，由此得名。它是边缘系统最重要的组成部分，像一个小小发电室，与其说是一个结构，不如说是一束神经细胞。它的名字并没有描述它的作用，而是指它所在的位置——丘脑之下。说来奇怪，下丘脑的样子太不起眼了。它只有一粒花生的大小，重量仅为3克，却控制着身体大部分最为重要的化学成分。它控制性功能，控制饥饿和口渴，监测血糖和盐分，决定你何时需要睡觉。它甚至很有可能在人的衰老进程中扮演一定的角色。身为人类，你的成败在很大程度上取决于自己脑袋中央这个小小的东西。

最后，新哺乳动物脑——新皮质。作为整个大脑最重要的部位，新皮质也是我们将要探讨的主要内容。让我们先来区分几个概念。

端脑（cerebrum），所有高级功能所在地

端脑就是当你想起大脑时主要想到的部分，它充满了几乎整个脑穹庐。cerebrum来自拉丁语里的“大脑”，是我们大脑中所有高级功能的所在地。它分为左右两个半球，每个半球主要与身体的另一侧相关，出于未知的原因，绝大多数的神经界限都是交叉的，因此大脑的右侧控制身体的左侧，大脑的左侧控制身体的右侧。

皮质（cortex），无所不能的结构

cortex在拉丁语中是“树皮”的意思，在大脑（端脑）的最外层是大脑皮质。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（见图2-8）：

额叶，给予我理性思维

额叶负责推理、预见、解决问题，是用来处理理性思维的。并且，你的大部分思考行为都发生在额叶前端被叫作前额皮质的部位，这个部位是大脑中的智者。

你现在正在读的信息就在你大脑的前额叶皮质中处理。这个部分的损伤可能会损害你筹谋计划的能力。这是评估来自感官的信息，给出处理意见，并执行未来行动的区域。同时，它也是负责个性（也就是我们是什么样的人）的地方。额叶是所有脑叶中最后才得以破译的大脑部位。在我学习生物的时代，它们也被叫作“沉默的额叶”。这并不是因为人们认为额叶没有功能，而是因为额叶的功能并未显露。

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，劝导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。

顶叶，我们触觉的发源地

顶叶位于大脑的顶部。大脑右半球控制感官和身体形象；大脑左半球控制动作和语言的某些方面。这个部分的损伤会导致许多问题，比如不能定位自己的身体部位。顶叶负责的一项功能是触觉控制，其中最主要的是“主要体觉皮质”的作用，主要体觉皮质就处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。这就再次引出了我们此前见过的，也是本书中最惊悚的一张配图：小矮人图。

小矮人图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。在此，我们可以得出一些有趣的发现。

首先，大脑中负责面部运动、手部运动和触觉的区域比负责其他身体部位的全部区域加起来还要多。虽然这听起来有点儿难以置信，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，但是身体的其他部位，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（见图2-9）。

其次，这两种皮质所对应的身体部位的比例也高度相似。我虽然可以理解这一点，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。

实际上，自从我在高中时期第一眼看到这张惊悚的图片后，它就一直在我的脑海中挥之不去，所以现在我也让你们再次深化一下这种体验——一个3D版的小矮人（见图2-10）。

颞叶，储存着你的大部分记忆

颞叶负责储存你的大部分记忆。另外，因为它就在你的耳朵旁边，它又是听觉皮质所在的位置。但它也帮忙处理视觉信息，当我们看到另一张面孔时，颞叶上的6个区域（叫作“面部识别区域”）会兴奋起来，至于到底是我脸上的哪个部分激活了你大脑里的哪一块面部识别部位，科学家还不能确定。

枕叶，处理从眼睛传来的视觉信息

枕叶位于你的后脑勺，负责处理从眼睛传来的视觉信息。这个部分的损伤会导致失明和视觉障碍。你一定在影视剧中见过这样的情节：主人公因为摔了一跤，后脑勺磕在了石头上，醒来之后发现自己再也看不见了。这种剧情套路是具有科学依据的。

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，也就是相当于一枚硬币的厚度，皮质表层下面的空间基本上是各种神经组织的复杂联结。

此外，大脑中还有一些你一定听过的东西。比如，大脑皮质之下为白质，由大量神经纤维组成，其中包括大脑的回与回之间、叶与叶之间、大脑两半球之间以及大脑皮质与脑干、脊髓之间的神经纤维。大脑的左右半球由一条被称为胼胝体（corpus callosum）的带状结构连接起来。corpus callosum在拉丁语里的意思是“强硬的材料”，字面意思则是“坚硬的身体”。大脑因为深深的沟壑而产生皱褶，凹陷的部分叫裂缝，凸起的部分叫脑回，这为它带来了更大的表面积。这些遍布大脑的凹缝和凸脊，在每个人大脑中的分布都是独一无二的。“脑纹”就和指纹一样，世间独此一份，它决定了你的智力、气质、性格和其他任何你独一无二的特质。

为什么大脑会有这么多皱褶

正如我们之前所讨论的，人类大脑的进化是一个由内向外扩展的过程，我们不断在现有的结构上添加更多更高级的新功能。但是这种进化方式也存在一定的限制，因为人类的出生还是需要经过母亲的生殖器官，而这就限制了胎儿的头部可以发育的大小。

而且更困难的是，人类在进化过程中成为直立行走的动物，这会导致女性的骨盆变小（否则她们就无法奔跑了）。幸好人类也进化出了适应这种情况的办法：婴儿在出生的时候其实尚未发育完全，他们本来应该继续待在子宫里的。这也是人类新生儿如此脆弱的原因。

于是，人类在进化过程中找到了一个巧妙的办法。因为大脑皮质非常薄，所以它的生长是通过增加表面积来实现的。它会形成很多皱褶（向下甚至可以延伸到左右半球之间的空隙里面），这样人类就能在不增加太多大脑容量的前提下得到超过3倍的大脑表面积。

当大脑开始在子宫内发育时，它的表面还是光滑的。这些皱褶大多在孕期的最后两个月才会出现。

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2000～2400平方厘米的东西。这个表面积已经足够大了，即使皮质只有2毫米厚，它的体积也依旧可以达到300～500立方厘米，超过大脑总体积的1/3。

尽管还不完全，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。

神经元的复杂纠缠，人的智力的来源

尽管我们早就明白了大脑是人类智力的源泉，但科学界是在不久前才弄清楚大脑的构造的。科学家已经知道人体是由细胞构成的，但是直到19世纪末，科学家才发现了神经元细胞。几乎对所有动物来说，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。

我们现在知道，大脑有1000亿个神经元，每个神经元与成千上万个其他神经元相连，建立起数万万亿的连接。神经学家大卫·伊格曼（David Eagleman）⁽³⁾说：“1立方厘米的脑组织里的连接多得就像银河系中的恒星一样。”人类智力的来源就在于神经元之间复杂的纠缠，而非之前所认为的神经元的数量。

其他细胞大多是紧凑的球形，神经元则不一样，它们长而多筋，能更好地将电信号从一个神经元传导到另一个神经元。它们通过树突接收其他神经元的信息，树突就像从神经元一端发芽的卷须。在神经元的另一端，有一个长的纤维被称为轴突。最后轴突通过它们的树突连接到上万个其他的神经元。在二者的交界处有一个被称为突触的小间隙。这些突触像大门，调节大脑内的信息流。被称为神经递质的特殊化学物质能够进入突触改变信号流。因为神经递质，如多巴胺、去甲肾上腺素和血清张力素，有助于控制通过各种各样的途径穿过大脑的信息流，所以它们对我们的情绪、情感、思想和精神状态有着巨大的影响。

不断优化的神经网络，让你从旧习惯到新习惯

在某种意义上，神经元跟计算机的晶体管很相似。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。但是跟计算机晶体管不同的是，大脑的神经元一直处于变化之中。

你肯定有过这样的经历：你学会了一项新技能，掌握得还不错，但是到了第二天却发现自己又不会了。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发生改变，让你可以取得进步，但是到了第二天，之前调整过的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，并根据需要学习的技能建立一套固定的路径。

神经元能够在化学、结构功能上改变自己，根据外部世界不断优化大脑的神经网络，这种现象就叫作神经可塑性（neuroplasticity）。

婴儿的大脑拥有最强大的神经可塑性。婴儿出生后，其大脑完全不知道自己以后会有什么样的人生：成为拥有一流剑术的中世纪勇士，还是成为擅长弹奏大键琴的17世纪音乐家，抑或是成为既要记住并整理海量信息，又要管理复杂人际关系的学者？无论怎样，婴儿的大脑都已经准备好不断调整自己，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，但这种能力会伴随我们的一生，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。大脑已经针对新的习惯做出了相应的生理改变。

下面我们来看看完整的神经系统长什么样（见图2-11）。

神经系统分为两个部分：中枢神经系统（你的大脑和脊髓）和周围神经系统（由从脊髓向身体其他部位发散的神经元组成）。

大多数的神经元都属于中间神经元，即负责与其他神经元交流的神经元。你在思考的时候其实就是一大堆中间神经元在互相传话。中间神经元主要存在于大脑。除此之外还有两种神经元——感觉神经元和运动神经元，它们是通向脊髓和组成周围神经系统的神经元。这些神经元的长度可以达到惊人的1米。

感觉神经元的轴突会从体觉皮质出发，经过大脑的白质，然后进入脊髓（它其实只是一大束轴突）。这些轴突会从脊髓延伸到身体的各个部位。你每一寸皮肤下都布满了源自体觉皮质的神经。

所以当一只蚊子停在你的手臂上时，你的身体会发生如下情况：

·　蚊子会碰到你的皮肤，从而刺激了那里的感觉神经。

·　感觉神经受到激发，开始发出信号。

·　信号经过脊髓，到达体觉皮质的神经细胞体。体觉皮质通知运动皮质：“我们手臂上有一只蚊子，你得想办法搞定它。”

·　运动皮质向专门负责手臂肌肉的神经细胞体发出信号，经过脊髓传递到手臂的肌肉。

·　相关神经元的轴突末梢会刺激你的手臂肌肉，让它们产生收缩，完成拍死那只蚊子的动作。

而如果在你身上的是一只蟑螂，你的杏仁核还会让你发出一阵尖叫，还有什么比“小强”更恶心的东西呢！

所以现在看来，我们其实已经比较了解大脑了，前面那位教授说的我们在大脑包含的1千米知识长度上所走的短短1厘米居然包含着如此令人目不暇接的风景，那剩下的99 999厘米意味着什么呢？