60秒学脑科学常识——第1 章 脑袋里有什么——大脑的结构

1.1神经元 基础知识 神经元就是筑造大脑的砖石。人的每一种感觉、每一缕思绪和每一个动作都可以追溯到神经元。从本质上说，神经元是一种细胞。它们都有“细胞体”，细胞体包含一个独立的细胞核以及其他典型的细胞结构。但不同于人体中的其他细胞，神经元的功能是传输信号。在神经元的一端，有一根长长的触须，那就是轴突。轴突的主要作用类似于电话线，能将信号传输给其他神经元。而神经元的另一端是树枝状的分叉结构，也就是树突，用来从其他神经元的轴突接收信号。 以上是所有神经元共有的特征，而人体内的神经元其实是多种多样的。感觉神经元能够感知压力、温度以及疼痛，并将这些信号发送至大脑，这些电化学信号会告诉你：“快松手！杯子太烫了，还不能碰。” 运动神经元将来自大脑的信息传递给肌肉，指示手臂行动，比如立刻将杯子放下。 还有一种名为中间神经元，它们负责协调感觉神经元与运动神经元，并且保持二者通信顺畅。事实上，大脑里的神经元都是中间神经元。而它们的形态也并非千篇一律，某些只有一两个树突，而另一些拥有的树突数以千计。 前沿资讯 脑科学家正在研究促进神经元生长的因素。目前，已研究发现一些有助于轴突延长的物质，也发现了脑细胞长出新树突的方式。最终，这项研究不仅要探明胎儿及婴儿大脑中神经元的发育过程，还有助于治疗老年痴呆症等神经元病变或受损的疾病。事实上，研究人员已经设计出一些合成物质可以促进新脑细胞的形成。 相关趣闻 没有人知道人脑中究竟有多少个神经元。（想数数看吗？）但许多专家估计这个数目在1000亿左右。如果将所有这些神经元的细胞膜全部铺展开来，能覆盖四个足球场（当然，这样踢球的时候就要小心了）。 人体中最长的轴突能从脊髓一直延伸到脚趾，长达1米以上。而在长颈鹿体内，同类型轴突的长度甚至有5米左右。 神经元小得不可思议。就平均而言，数万个神经元加起来才有一个针尖大小。 1.2神经通信 基础知识 研究单个神经元没有什么意义。关键在于，一组神经元所完成的事绝不等于这些神经元单独完成的事的简单相加。一组神经元聚集起来，就可以形成信息在各个细胞之间持续传递的大型网络。神经元由树突接收一系列正信号和负信号，这些信号之和决定了沿轴突传导出去的电荷，这种传递方式就像露天看台上的球迷制造人浪的方式一样。 轴突本身的导电性并不好，甚至还不如家用电线。但是许多轴突会被髓鞘包裹，这种能使轴突与周围绝缘的脂肪层，可以促使电荷快速地传过整根轴突。一旦电荷抵达轴突末端，轴突就会释放一种被称作神经递质的化学物质。 神经递质被释放到神经突触中，神经突触是将两个神经元分隔开来的小间隙。轴突在神经突触的一边，接收信号神经元的树突在另一边，神经递质结合树突上的受体，从而将信号传递给接收信号的神经元，新的循环就会重新开始。 通过这种电信号（沿轴突传播）和化学信号（跨越神经突触）的结合，神经元不需要真正相互接触就可以实现信号传递。 前沿资讯 你现在已经掌握了神经元信号传递的基本知识，就不难想象将一个人造的神经元插入两个真正的神经元之间的情况。这恰恰是科学家正在努力实现的目标。他们制造出了微型芯片驱动的人造神经突触，它像神经元一样，受到刺激的时候会释放神经递质。把这些人造神经突触移植到大脑里，理论上它们就可以与大脑中真正的神经元树突通信，和“本土”脑细胞一样进行工作。这其中蕴含的可能性是惊人的。 相关趣闻 某些神经元只与一个神经元连接，而某些神经元会与成千上万的神经元连接。 某些生物体的神经信号传导速度能超过300公里每小时。 乌贼一流的（至少神经科学家是这样评价的）逃避反射是由一个完全没有髓鞘化的轴突控制的。但是由于这个轴突非常粗，直径约有1毫米，电信号可以通过它迅速地传导，进而使得乌贼能够瞬间逃离危险。 1.3神经胶质 基础知识 神经元和那些自大的名人一样，身边总少不了随行人员。在大脑中，神经胶质细胞就扮演着随行人员的角色。神经胶质细胞（Glial Cell），或称为神经胶质（“glia”在希腊文中是“胶水”的意思），曾经一度未被重视，仅被当作大脑的胶体。神经胶质于19世纪被发现，它是大脑中神经元周围起支撑作用的细胞。 几十年来，人们错将神经胶质当作神经元。但与神经元不同的是，神经胶质不会产生电信号，因此科学家认为它们对大脑通信的影响不大。然而，它们不发送脉冲信号并不意味着它们无关紧要。如果说神经元是大脑中的首席执行官，那神经胶质就是它们的个人助理，为它们带来营养和氧气，保护它们免受病原体的侵扰，并为它们保持一个适宜的环境。总之，神经胶质无时无刻不在贴心地照顾它们，就差帮它们洗衣叠被了。神经胶质也分为许多类型，各负责一项或几项功能。 新的研究表明，和许多私人助理一样，神经胶质的重要性也还没有获得足够的认可。有证据显示，神经胶质并不只是单纯地接收神经元的命令，实际上，它们是在与之交流。研究表明，神经胶质能够影响神经元之间的联系，并协助判定是否应增强这些联系。这些研究结果意味着，长时间被忽视的神经胶质可能在学习和记忆等基本活动中发挥着至关重要的作用。那么，正名之后的神经胶质又将演绎出怎样的故事呢？ 前沿资讯 干细胞很重要，因为它们可以发育分化为各种成熟的功能细胞，这使得它们成为修复受损神经系统的重要不二选择。现在，研究人员发现，神经胶质似乎具有相同的能力。 在一项研究中，科学家从人脑中提取了神经胶质，并将它们浸在含有多种蛋白质的培养基中培养。而它们被移植到小鼠的大脑之后，就发育成了健康成熟的神经元。 相关趣闻 对许多动物大脑的研究已经表明，物种的进化程度越高，其大脑中神经胶质的数量也越多。 爱因斯坦去世之后，科学家发现他的大脑中神经元的数目并无过人之处，但神经胶质的数量却多得异乎寻常。也许，他的进化程度高于我们普罗大众？ 1.4脊髓 基础知识 脊髓是大脑接收和发送信息必经的也是唯一的高速公路。运动神经元将大脑指令通过脊髓传递给肌肉，而感觉神经元则将信息经由脊髓发送回大脑。脊髓也由神经元组成，由坚硬的骨头构成的脊椎包裹并保护着这些精细而纤弱的神经。 脊髓一旦损伤，将很可能产生灾难性后果，这是证明脊髓极为重要的最佳证据。如果说脊髓是连接大脑的高速公路，那么脊髓损伤无疑相当于这条高速公路上唯一的桥梁坍塌了。这时，双向的信号传递都会停止，从而导致瘫痪：大脑不能对四肢发出指令，也不能接收四肢感受到的各种刺激。 脊髓受损的部位越高，后果就越严重。胸段脊髓受损一般会使双腿瘫痪。颈段脊髓受损则会令四肢都瘫痪，而高颈段受损甚至会影响呼吸等基本功能。克里斯托弗•里夫[1]曾遭受过高颈段脊髓损伤，使他不能自主呼吸，至少一开始是不能的。这位现实中的超人依靠顽强的毅力逐步恢复了一些功能，最后可以脱离呼吸机自主呼吸一小段时间。 前沿资讯 长期以来，人们都认为脊髓损伤患者不可能实现任何实质性的康复，都只是鼓励他们适应新的生理限制。但是现在，科学家证明这种宿命论是错误的，许多患者都能够重新获得或者至少恢复一部分运动能力。 一项严格的康复训练显示，只须遵照医师的指导在跑步机上慢步行走，就能够提高患者的步行能力。科学家相信，这种恢复训练可以加强神经和脊髓之间的联系，从而维持并重塑重要的神经回路。 相关趣闻 人类和长颈鹿都拥有7节颈椎。但是长颈鹿各节颈椎的长度都接近0.3米。 人类脊髓的总长度大约为0.45米，比脊柱略短一点。 1.5脑干和小脑 基础知识 脑干虽然不是神经系统中最有魅力的部分，但也是最重要的结构之一。与脊髓顶端相连的脑干，控制着一些基本的生理活动，这些生理活动都是非意识控制的，比如心率和血压的维持、呼吸的调节以及消化的控制。 脑干同时还负责维持警觉和意识的水平。这项任务要求它即时过滤不断涌向大脑的感觉信息，以便我们决定把注意力投向哪里，以及可以放心忽略哪些信息。另外，控制头部、面部、颈部基本动作的颅神经，也是脑干的一部分。 小脑位于大脑底部，脑干后方。实际上，它看起来就像大脑的缩小版：一样的皱褶、半球，麻雀虽小五脏俱全（事实上，小脑就是“体积较小的脑”）。不过，与“大脑”广泛涉猎多种职能不同，小脑则专职感应身体的各种状态，包括运动状态以及身体在空间中的方位等。 小脑负责身体的平衡感（或失衡感），使我们小酌几杯后保持直立（或者卧倒）。小脑通过持续的反馈回路接收当前身体活动的信息，并辅助协调下一个动作。所以，出门的时候，千万不要忘记带上它。 前沿资讯 吃、喝、拉、撒（没错，包括撒尿）都是非常基本的活动，脑干中有一种特殊的机制使人即使在遭受剧烈的疼痛时也能够完成这些活动。根据一项最新研究，脑干可以让动物在足够长的时间内感觉不到疼痛，以完成那些对它们生存而言至关重要的活动。 研究人员是通过一个实验发现这一现象的。他们将老鼠放入底面发烫的笼子里，这种温度足以让它们感到疼痛。通常情况下，老鼠会抬起爪子远离灼热的笼底；但是当它们迫切需要进食的时候，脑干就会积极地抑制疼痛，让这些啮齿类动物能够把爪子放到灼热的笼底上，直到它们获取了一定食物。 相关趣闻 尽管情感是在更高级的大脑神经中枢生成的，但正是因为包含了颅神经的脑干，你才能让肌肉做出一系列复杂的动作，最终在脸上绽放出笑容。 小脑只占脑总体积的10%，但包含了超过50%的脑神经元。 嗜酒是导致小脑损伤的常见原因。 1.6丘脑、下丘脑和垂体 基础知识 丘脑是大脑的总机接线员，在向大脑高级功能区域传递信息的同时，也从那里接收信息（尽管你很可能从未见过总机接线员是怎样工作的，但这个比喻很容易理解，实在不行也可参考维基百科）。大脑中存在两个丘脑，每个脑半球各一个。 丘脑下方有一个小结构，称为下丘脑（“下”就是“下面”的意思）。它辅助调节人体中某些最基本也是最有趣的行为：吃、喝以及性行为。（感谢下丘脑！）同样，它在身体的应激反应中也起着至关重要的作用，尤其是通过激活腺垂体发挥作用的时候。 腺垂体位于大脑底部，豌豆大小，负责身体的内分泌或者说是激素系统。下丘脑指挥腺垂体何时分泌激素，这些由腺垂体释放出的激素控制着生长、性功能和新陈代谢等。（你在青少年时期有过尴尬吗？这都得怪你的内分泌系统，它使青春期时的你身体里充满了激素，这些激素导致你的身体快速成长、性成熟、变声、长青春痘，并遇到一大堆难以启齿的事情。） 前沿资讯 由于下丘脑在食欲和进食方面有调节作用，它引起了肥胖症研究人员的极大兴趣。下丘脑通过监控血液中各种营养成分的水平，来调控人进食的数量以及身体消耗能量的速率。 较新的研究成果显示，下丘脑也会监控体内脂肪酸的水平，并据此调节食欲。科研人员通过老鼠进行的实验显示，当他们降低了老鼠体内脂肪酸的含量之后，老鼠开始贪食，并变得肥胖。 这一发现意味着，增加体内脂肪酸的含量可能降低食欲。科学家希望利用这个发现帮助人类控制肥胖。 相关趣闻 体内缺乏维生素B会损伤丘脑，引起一种叫做“科尔萨科夫综合征”的疾病。这种疾病的典型表现是患者会创造出一段新的记忆，填补记忆缺失所造成的空白。 男性和女性的下丘脑存在差异，这已被用于鉴定性取向和性别。已有研究指出，给雄性小鼠幼崽注射雌激素可使其下丘脑雌性化，反之亦然。 1.7大脑 基础知识 说到大脑，女士们，先生们，它是个名副其实的大家伙，是脑中最大的部分，也是许多神经系统功能（以及功能失常）的源头，而正是这些功能才使我们成为人。 爱情、语言，甚至你对席琳•迪翁那莫可名状的喜爱都源自大脑。这颗灰色的、形似核桃仁的东西就是人们通常所说的“大脑”。它由白质和灰质共同组成。白质是指那些充满了被髓鞘包裹的神经轴突的区域。（还记得吗？髓鞘是那些富含脂肪的绝缘物质，用以保障神经信号能够顺畅地传导。）髓鞘使得这部分脑组织呈现出白色。大脑中许多较深的区域都是由白质构成的。而灰质则主要由神经元构成，这些神经元没有髓鞘包裹。 大脑中包含着一些重要的结构，我们稍后将细述。这里简要地介绍一下大脑中最重要的几个结构：杏仁核，一个形状像杏仁的结构，人的各种情绪（特别是恐惧）都在这里生成；海马体，这是对长期记忆至关重要的结构；基底神经节，或称为基底核，形状类似果核，负责协助监测和控制运动；而大脑外层相对较薄的一层结构被称为脑皮层，它肩负着各种各样复杂的功能，这也难怪大脑沟回会那么复杂。下一节将进一步阐述。 前沿资讯 一项针对白质的研究显示，白质可能远比科学家最初预想的更忙。之前，人们普遍认为灰质负责了大脑中主要的任务，是信息处理的主要场所；而白质仅被当作一条通道，用以将灰质发出的信号从A点传到B点。 但最新的研究结果表明，大脑中白质的神经轴突并不只是传输来自灰质的信号，它们自身也会处理信号（好样的）。这个发现再一次提醒我们：对大脑的基本工作原理，我们所欠缺的认知还有太多。 相关趣闻 大脑占人脑总重量的85%。 海马体（Hippocampus）一词源自于希腊语中的“海马”，乍看起来是有些奇怪，但如果你看过这个区域的形状，就会知道它真的很像一只海马。所以，这个名称其实取得相当贴切。多学一点希腊语和拉丁语的词根吧，孩子们！ 一项研究显示，五音不全的人似乎缺少一些特定的白质。但是，这项研究报告中没有提及经常去唱卡拉OK会不会刺激白质的生长。 1.8大脑皮层 基础知识 大脑皮层是大脑最外层的薄皮状结构。这一层灰色组织的厚度仅有２毫米，它有着错综复杂的褶皱，活像一块揉成一团的纸。褶皱大大增加了皮层的表面积（想象它是一张很大的纸，被揉皱后塞进一个小盒子里）。事实上，如果把整个大脑皮层展开，它的表面积可达0.23平方米。 大脑皮层通常被划分成四个区域，这些区域被称为脑叶。额叶（位于整个皮层的前部，即额头部位）主要掌管人类特有的大多数高级智能，这包括性格和决策。它也包含运动皮层，作用在于控制自主运动。位于额叶后方的是顶叶，包含体感皮层。体感皮层通过身体的感觉器官和感觉神经元获取感觉信息。 位于顶叶下方、耳朵周围的区域叫颞叶。从它所处的位置你可能已经猜到了，这部分脑叶参与对语言的加工。最后是位于大脑后方的枕叶。枕叶的主要任务是处理视觉信息。因此，从某种角度来看，我们的脑袋后面也长着眼睛。 前沿资讯 皮层发育出蜿蜒曲折的沟回需要一定的时间，这一发育过程贯穿在整个胎儿期和婴儿期。研究者现在有了关于该发育过程何时及如何展开的模型（展开一词，一语双关）。胎儿发育到32周时，大脑表层几乎还是平滑的；从33周开始到38周，逐渐出现了许多皱褶；而受孕38周之后，胎儿的大脑看上去就与成年人的相差无几了。 这份时间表可以帮助科学家和医生紧密监测大脑的发育情况，并在胎儿发育的早期预测潜在的畸变。 相关趣闻 皮层的褶皱并不能简单地称为褶皱。褶皱的峰面叫做脑回，低谷叫做脑沟。管好你的脑回和脑沟。 人类的大脑皮层被精巧地折叠了起来，而许多动物的皮层却几乎完全平滑。这些充满皱褶的皮层或许是提供人类非凡智能的源泉。最后，让我们为皱褶的出现举杯庆祝。 1.9半脑 基础知识 大脑可以分为左半脑和右半脑。右半脑控制着身体的左半部分，而左半脑控制身体的右半部分。两个半脑之间需要相互协调以保证二者的行动不发生冲突，此外它们还需要共享信息——实现这些功能的结构是胼胝体，它由一大束密实的纤维束构成，连接着两个半脑，保证它们交流畅通。 关于哪个半脑占主导地位的伪科学论断层出不穷。不过，一个人的大脑的确存在某个半脑略占优势的情况，此外，左右半脑之间也的确存在一些差异，特别是在语言处理方面。 但是，有些论断却过于简单武断，比如“大脑的右半脑负责创造性，左半脑负责逻辑性”。大脑两个半球都能够实现绝大多数的脑功能，而且对半脑受损病人的研究显示，在任一半脑受损的情况下，另一半脑是可以顶班的。还用做那些检测你是“右半脑型人士”或“左半脑型人士”的在线测试吗？那些测试能够证明的只有一点：你需要找到一个更好的方式来消磨时间了。不如找点在线视频看吧。 前沿资讯 最近，一项针对僧帽猴（南美一种可爱的灵长类动物）的研究揭示了一些影响胼胝体大小的有趣因素。性别就是其中之一。研究人员将猴子固定在核磁共振成像仪中，显然，猴子们从来没在丛林里见过这种仪器，扫描成像显示公猴的胼胝体比母猴的要小。此外，胼胝体的大小也与它们的用爪习惯息息相关。习惯用右爪的猴子，其脑中的这束神经纤维比习惯用左爪的猴子要细一些。胼胝体越大可能就意味着两个半脑之间的合作越密切。 相关趣闻 最有趣的神经科学探索恐怕要数那些针对裂脑患者所进行的研究，他们的胼胝体被切除了。这使得他们的左右半脑无法互相沟通，进而表现出许多古怪的行为症状，病人似乎完全搞不明白自己身体两侧各处于什么情况。 而更具有冲击力的探索是被称为半脑切除术的手术，医生会完全摘除患者的一个半脑。这种手术几乎都是在儿童患者身上实施的，用来治疗一些极其严重的癫痫症。如果病人接受手术的时候相当年幼，那么剩下的半脑也能接管大脑的大部分功能，患者可以过上相对正常的生活。所以，下次再有人说你像半个脑子的笨蛋，你就可以告诉他，半个脑子的人也可以和正常人一样聪明。 1.10全脑 基础知识 想象一个鸡蛋，想象它坚硬的外壳、液态的蛋白，以及蛋白中悬浮着的密实的蛋黄——这就好比你的大脑（别担心，接下来的类比不会出现煎锅之类的东西）。和鸡蛋一样，你的大脑被一层坚硬的外壳（颅骨）和一层很薄的透明液体（脑脊液）保护着，它们可以防止外部冲撞直接伤害到大脑组织。大脑内还有几层薄膜，用以缓冲突如其来的冲击力（这无疑是鱼皮花生在自然界的原型）。 整个大脑重约1.4千克，与葡萄柚的重量、尺寸相当。虽然你有可能在博物馆里面见过标本，但是大脑并不像所展示的那样坚硬，而且也不呈现灰色。鲜活的大脑是柔软的，而且是红色的，保存大脑所用的化学物质使它的表面变得灰暗了。大脑虽然仅占总体重很小的一部分，但却接收了多达五分之一的心脏供血。它和肺或肝脏一样，是一个器官，需要大量的养分、氧气和以葡萄糖形式存在的燃料。大量的动脉在大脑内部以及周围纵横交错，向大脑传送这些必需品。神经胶质细胞则把葡萄糖变成神经元可以直接利用的燃料。 前沿资讯 脑脊液已被广泛用于对感染的诊断（医生从脊髓中抽取脑脊液用于分析感染的生物指标）。不久的将来，我们将可通过检测脑脊液的成分对精神病进行诊断。研究已经表明，精神病患者的脑脊液中多种成分的含量存在异常。这些异常现象只存在于精神病患者身上，而健康人或其他心理疾病患者则没有这种现象。科学家仍不确定导致这些异常的原因（以及，脑脊液成分异常是引发精神病的诱因，还是仅作为精神病的一个症状），研究仍在继续。 相关趣闻 吉尼斯世界纪录上记载的世界上最重的大脑重量为5磅1.1盎司（约2.3千克）。 颅骨在颅相学这一伪科学中扮演着重要的角色。颅相学家声称可以通过颅骨的形状解析人的性格。 大脑每分钟消耗0.1卡路里，而在冥思苦想时能量消耗将加速。 1.11脑成像 基础知识 想要确切知道某人在某个特定时间里的所思所想，是非常困难的（如果那个人是你的另一半，那就更难猜中了）。幸运的是，人们已经掌握了多种科学技术，能够透过我们的头骨一窥大脑的真相。除非你打算编写教材，不然你并不需要深入了解这些技术的原理，知道以下缩写各代表什么就可以了。 CT（电子计算机X射线断层扫描技术）： 这种技术通过围绕头部的X射线拍摄大脑不同截面的图像，而无需对大脑进行实物切片。 EEG（脑电图）：脑电图可检测一段时间内脑电活动的情况，最适合用来检测睡眠或昏迷时意识的变化。 MRI（核磁共振成像技术）：MRI仪器会制造一个强大的磁场，这个磁场能使大脑中的氢原子整齐排列。它们在回到原位时，就会发出一些电磁信号，MRI仪器即通过监测这些信号进行成像。常规的MRI能显示大脑中软组织的结构和形状，这些组织因为密度较小，通常会被CT成像忽略；而功能MRI则能够通过监测血液流量追踪不同脑区的活动情况。 PET（正电子发射断层扫描）：医生给受测者注射一种放射性物质，这些物质会随着血液循环进入大脑，并在大脑中最忙碌的区域集中。通过观测它们的分布就能够绘制大脑的活动情况了。 前沿资讯 伴随科学技术的高速发展，脑成像领域又涌现出几项新技术。这些新工具使得科学家能够观察到单个神经元的工作情况。现在，研究人员已可以捕获单个神经元发射信息的图像以及神经回路中信息传递的图像，而不必依赖于大脑的整体成像了。 这些成像技术通常需要探测钙元素进入神经元的情况，这是激发神经元发射信号的一个必要步骤。最终，它们可能将揭示日常心理功能的细胞学原理，并且为揭示神经元损伤的机理探明道路。 相关趣闻 MRI并不只是用于大脑检测。第一次对人类进行的MRI检查完成于1977年，是对胸部进行成像。 大多数MRI仪器所产生的磁场比地磁场要强上万倍。这就是为什么病人在接受扫描之前一定要拿掉身上的珠宝首饰以及耳环之类的穿孔饰物。特别是后者，千万记得取下来。 忘掉任天堂Wii游戏机吧！有几家公司正在设计以脑电波控制的电子游戏。特制的头盔会监测大脑的活动情况，让玩家能够通过想象简单的动作来控制游戏。 [1] 电影《超人》的主演。——译者注