神经科学（年—现在）

1.2.4 神经科学（1861年—现在）

• 大脑是如何处理信息的？

神经科学研究的是神经系统，特别是大脑。大脑产生思维的精确方式是科学上最重大的神秘现象之一。几千年来人们一直赞同大脑以某种方式和思维联系在一起，因为有证据表明头部受到重击会导致精神缺陷。人类大脑多少有些与众不同也已经为人所知很长时间了：大约公元前335年，亚里士多德写道：“在所有的动物中，人拥有相对于其体型比例而言最大的大脑。”[6]然而，直到18世纪中期人们才广泛地承认大脑是意识的居所。在那之前，一般认为意识存在于心脏、脾或松果体。

保罗·布鲁卡（Paul Broca，1824—1880）对大脑损伤病人的失语症（语言能力缺陷）的研究重振该领域，并说服医学机构承认存在负责特定认知功能的大脑局部区域。特别地，他阐明了语言的产生定位于大脑左半球的一部分，现在称为布鲁卡区[7]。到那时候为止，已经知道大脑是由神经细胞或称神经元组成的，但是直到1873年Camillo Golgi（1843—1926）开发出一项染色技术，才允许人们观察大脑的单个神经元（参见图1.2）。该技术被Santiago Ramon y Cajal（182—1934）用于他对大脑的神经元结构的先驱研究中 [8]。

图1.2 神经细胞或称神经元的组成部分。每个神经元由一个细胞体组成，包含一个细胞核。从细胞体伸展出一定数量的神经纤维称为树突，伸展出一根长的神经纤维称为轴突。轴突向外延伸很长距离，远比图中所示比例要长。典型的轴突有1cm长（是细胞体直径的100倍），但是更长的能够达到1m。一个神经元与10个到10万个其它神经元相连接，其连接处称为突触。信号通过复杂的电化学反应从神经元传播到神经元。信号控制大脑的短期活动，也能够使神经元的位置和连接发生长期改变。这些机制被认为形成了大脑学习的基础。大多数信息处理在大脑皮层即大脑的外层进行，基本的组织单元看来是一个直径大约0.5mm的柱状薄片，扩展到皮层的全部深度，人类的大脑皮层深度约为4mm。一个柱状体包含大约2万个神经元

我们现在有一些数据显示出大脑的区域与它们控制或者接收传感器输入的躯体部分之间的映射关系。这样的映射能够在数周时间内发生根本性的改变，而一些动物看来具有多重映射。另外，我们尚不完全了解其它区域如何能够接管一个受到损伤的区域的原有功能。几乎没有理论能说明单独的记忆是如何保存的。

对于本来状态的大脑活动的测量始于1929年，使用了Hans Berger发明的脑电图记录仪（EEG）。近来开发的功能性核磁共振成像（fMRI）（Ogawa 等人，1990）为神经科学家们提供了关于大脑活动的空前细致的图像，使得以某些有趣的方式与正在进行的认知过程相符合的测量成为可能。这些由于对神经元的单细胞记录技术的进步而得到增强。在这些进步之外，要理解这些认知过程中任何一个实际是如何工作的，我们还有很长的路。

真正令人震惊的结论是简单细胞的集合能够导致思维、行动和意识，或者换句话说，大脑产生意识（西尔勒，1992）。惟一的实际可替代理论是神秘主义：存在某种神秘的领域，精神在其中运作，它超出了自然科学的范围。

图1.3 关于计算机（大约截至 2003 年）和人脑可获得的原始计算资源的一个粗略比较。计算机的数字从本书的第一版到现在全都至少增长到原来的 10 倍，而且预期在这个的 10 年内还会继续增长。大脑的数字则在过去的 1万年中没有变化

大脑和数字计算机执行相当不同的任务，也有不同的属性。图 1.3 显示出在典型的人类大脑中神经元的数目要比典型的高端计算机的CPU中的逻辑门数目多1000倍。摩尔定律[9]预测CPU的逻辑门数量在2020年左右能与大脑的神经元数量相当。当然，从这样的预测无法推断什么；而且，存储容量的差别与转换速度以及并行性方面的差别比起来就是次要的了。计算机芯片能够在1纳秒内执行一条指令，而神经元则慢了上百万倍。然而大脑有更多的补偿，因为所有神经元和突触是同时活动的，而最新的计算机也只有一个或者至多几个CPU。因此，尽管计算机在原始的转换速度上快100万倍，大脑最终在做事上比计算机快10万倍。