最强大脑，我们知道些什么

张怀奇

最强大脑，我们知道些什么

张怀奇

一部韩剧《来自星星的你》让我们见识了都教授的瞬间移动与时间定格等超能力，其实这些超能力都是深藏于我们心中的梦想。也许我们注定无法拥有这些来自“外星球的超能力”，但我们中的一些人却拥有异于常人的过人之处，他们的这些超凡能力是如何炼成的呢？

人脑这个“CPU”到底有多强大？从4.5万个小色块中找出颜色变化的那一块，迅速判断出一张新面孔是由50张人脸中的哪两张合成，90分钟记住120个指纹……刚一开年，江苏卫视推出的国内首档大型科学类真人秀电视节目《最强大脑》就火爆全国，好评如潮。在这里，各界脑力奇才汇聚一堂，轮番上阵，亮出看家本领，展示出令人惊叹的超凡能力。挑战成功者更被冠以“最强大脑”的称号。诸如“中国雨人”周玮、“心算神童”葛韵霖、“数独达人”孙彻然以及来自意大利的阳光少年安德烈等都凭借着超乎常人的数据处理能力震撼全场。但所谓的最强大脑究竟应该如何定义呢？他们如何练成最强大脑的呢？我们还得从“头”说起。

“最强”大脑知多少

众所周知，我们的项上人头是人体的总司令，人体的一举一动，直至我们的一个念想或一个梦境尽在头脑的控制之下。所以说，我们的大脑是世界上最复杂、效率最高的信息处理系统。从表面来看，人脑和剥开的核桃有很多相似之处，都是一个有机整体，表面布满深浅不一的沟回。但是神经系统专家却可以把大脑划分成很多的区，并越来越深入地知晓每个区具有的各不相同的功能。

人脑包括左、右两个半球及连接两个半球的中间部分，即第三脑室前端的终板。大脑半球被覆灰质，称为大脑皮质，其内深处为白质，称为髓质。左右半球的中间有一条沟，称为中心沟。大脑表面凹凸不平，布满深浅不同的沟，沟间的隆凸部分称脑回。每一大脑半球借由中央沟和侧裂又分为四个叶：额叶、顶叶、颞叶和枕叶（如图1）。这些脑叶，均向大脑半球的深处延伸，而在各脑叶区域内，同样分布着很多小的脑沟，其中蕴藏着各种神经中枢，分担着不同的任务，形成了大脑皮质的分区专司功能。比如额叶，主要负责思维和计划，与个体的需求和情感相关；顶叶，主要响应疼痛、触摸、味觉、温度、压力等感觉，也与数学和逻辑有关；颞叶，主要负责处理听觉信息，也与记忆和情感有关；枕叶，主要负责处理视觉信息，等等。而边缘系统主要与记忆有关，在行为方面则与情感相关（如图2）。

总而言之，人脑分左右两个半球，每一半球上分别有运动区、体觉区、视觉区和听觉区以及联合区等神经中枢。在正常情况下，大脑两半球的功能是分工合作的，在两半球之间，由神经纤维构成的胼胝体，负责两半球的信息沟通。假如将胼胝体切断，大脑两半球被分割开来，各半球的功能将陷入孤立，缺少相应的合作，在行为上就会失去统合作用。人类大脑的两半球，在功能划分上，大体是左半球管右半身，右半球管左半身。每一半球的纵面，在功能上也有层次之分，原则上是上层管下肢，中层管躯干，下层管头部。如此就形成了上下倒置，左右分叉的微妙构造。同时，在每一半球上，又各自分区为数个神经中枢，每一中枢也各有其固定的区域，分区专司，形成大脑分化而又统合的复杂功能。

神经元的秘密

上文中提到了大脑半球表面覆盖着大脑皮质，主要负责人脑较高级的认知和情绪功能，那大脑皮质又是由什么组成的呢？众所周知，细胞是组成生物体的基础，大脑也不例外，大脑皮质的主要组成细胞就是神经元，这也是大脑处理纷繁复杂信息的细胞，也就是我们人类思考的基础。随着胎儿在母亲体内不断成长，脑神经元也在不断增加，其递增的速度约每分钟25万个，到了出生时，可高达近1000亿个。神经元的形态大小各异，意味着它们最终将要各司其职。迄今，科学家们已确切地辨认出大约25种不同的神经元。神经元的数量虽然如此众多，犹如繁星满天，但它们的主要功能却只有三个，即接受刺激，产生冲动或兴奋（也就是电信号）和传递信息。当然，这三个看似简单的功能背后却隐藏着极其复杂而神秘的生物电现象。

神经细胞一般都有长的突起，胞体和突起总称为神经元。胞体是神经元含有细胞核的部分，表面有细胞膜，膜与核之间有细胞质。胞体是神经元代谢和营养的中心。一般可由胞体延伸出两种突起，即树状突起(简称树突)和轴状突起（简称轴突）。信息以电信号的形式在树突上扩散分布并被整合处理。每个神经元可以有一个或多个树突，这样就能更多地接受刺激并更快地传递信息。轴突是由胞体发出的单根突起，轴突的末梢反复分枝而形成终末,终止于另一神经元或效应器,与它们形成突触。每个神经元只有一个轴突，可以把兴奋从胞体传送到另一个神经元或其他组织，轴突的功能主要是传送快速的电信号，并在胞体与末梢之间输送物质，同时兼有神经的营养作用（如图3）。

神经细胞多种多样，从功能看可分为三种：直接与感受器相连,将信息传向中枢的叫感觉（传入）神经元；直接与效应器相连，把信息传给效应器的叫运动（传出）神经元；在感觉和运动神经元之间传送信息的叫中间神经元（如图4）。比如《最强大脑》中的很多优秀选手，他们从看到或听到题目的一刻起，题目信息就通过视觉、听觉感受器经由大量的树突传向了大脑中枢，在两个大脑半球的额叶、顶叶、颞叶和枕叶边缘系统内经过缜密的思考运算后即刻得出了结论，再经由轴突下达口舌、手脚等效应器，选手们张口就说出了或提笔就写出了准确无误的答案，显示了神经系统强大的能力。

神经细胞之间的耳鬓私语

但是，仅仅拥有了神经元，“超级找茬王”郑才千就可以独揽魔方的奥秘吗？“辨音美少女”黄华珠就可以辨音识键吗？艾晓娃就能吹气辨物被冠以“听风者”的美名吗？“数独达人”孙彻然就能笑傲数字的世界吗？电视机前的你就能感受到《最强大脑》节目中呈现的紧张刺激、欢乐诙谐的精彩吗？不可能啊。所谓孤掌难鸣、形单影只就是这个道理。人类的大脑虽然拥有多达1000亿个神经元，有着每秒钟可以记录1000个信息单位这般大得惊人的存储量，但这可不是单个神经元所具有的魔法，而是借助于神经元之间的联系所形成的网络完成的。而这张网几乎把多达1000亿个的神经细胞都连接在了一起。犹如科幻大片《阿凡达》中所呈现的“灵魂之树”一样，神经元之间靠着树突、轴突相互连接，借此传递信息，也使我们能够三思而后行。可当我们出生时，我们的大脑并不是非常具有组织条理性的，那时每一个大脑细胞都在同附近的细胞尝试着进行“交流”，它们通过“突触”来互相发送和接收神经信号。随着我们的成长和学习，尤其在3岁前，神经细胞间的连接会完成70%～80%，我们的大脑会由此变得越来越稳定，而彼此间没有连接的神经元，久而久之就会失去功能，从而被“废弃”。同时，在大脑的发育过程中，适当的听觉、触觉、本体觉和视觉的刺激，将有助于脑部胶原神经细胞的发展。这也就是所谓的0-3岁的学前教育无比重要的原因，在这个阶段，脑部正在进行整个脑神经网络的基础建构工程，基础若完备了，后续的学习将事半功倍。

然而，神经元之间信息的传递是不同于人们借助电话、短信、QQ、E-mail等方式那样来完成的，它有着自己所独特的分子机制。来自英国布里斯托大学的杰瑞米·亨利博士经过多年的潜心研究，揭示了大脑1000亿个神经细胞之间互相协作交流的分子机制：大脑中的神经元使用一种名为神经递质的化学物质（SUMO）的蛋白质来进行彼此间的交流。SUMO蛋白质可以通过吸附到RIM1α蛋白的特殊区域来对其进行调节修饰；这个过程就像它扮演了一种分子开关的角色在进行正常神经递质的释放，从而不至于在兴奋的时候释放抑制性的神经递质，或者低落的时候去释放兴奋性的神经递质。就像杰瑞米·亨利博士所说的，SUMO的修饰作用对于正常脑部功能的发挥非常关键和重要，并对将来开发治疗中风等脑部疾病的疗法提供了新的思路和方向。

要让神经元有序连接才能保证信息的上通下达，而没有连接或者活性不足的神经元突触将会被关闭。但是其发生的原因和分子机制是什么呢?这也是困扰科学家们的一大谜团。来自美国密歇根大学医学院的研究者在国际权威杂志《自然-神经科学》上发表了一篇研究论文，揭示了大脑神经细胞稳定连接的分子机制。在文中，研究者揭示了一种在机体多种细胞表面存在的名为SIRP-α的蛋白质，它在维持大脑细胞之间最为活跃的突触联系之间扮演着重要的角色。研究者发现SIRP-α蛋白质参与了机体神经元发生的多种途径，以及最终所形成的突触前神经末梢。当大脑接收来自附近细胞的信号时，就会释放SIRP-α到细胞间的空间中，SIRP-α蛋白质的一部分可以“漂浮”到突触的缺口处，从而“锁闭”一种名为CD47的受体。SIRP-α越多被分裂释放到突触中，就可以更多地“锁闭”CD47，从而保证了大脑神经细胞稳定的连接，保证了人类机体功能性神经网络的稳定性。

然而，令人汗颜的是，在浩瀚宇宙中，人类已经探索到了数光年之外的星系；但在大脑面前，反倒像仰望星空的孩子，虽绞尽脑汁，却知之甚少。一位神经科学家曾无奈地说：“我们不了解任何一个单个机体的大脑工作机制，就连只有302个神经元的小虫，我们目前也没法了解它的神经体系。”被称为“中国雨人”的周玮，无疑是《最强大脑》中最具魅力的选手，他的智商仅56、被诊断为“中度智力障碍”，却拥有超强的心算能力，展现出在乘方和开方上的超强天份，这又是怎么回事呢？科学上又如何解释呢？谜团有待解开。

幸好，一项全称为“推进创新神经技术脑研究计划”的科学项目（又称“脑计划”）正在加速进行。这份由美国总统奥巴马在2013年4月提出的研究计划有着宏伟的蓝图：在未来的7～12年间，科学家们将绘制出人脑活动图谱，了解其运行机理，从而读出人们的思维活动，检测脑部疾病。当然，这仅仅是计划的开始，未来还有许许多多繁重复杂的难题在等着科学家去破解。同时，期望我们的读者朋友能够在不久的将来投身于脑科学的研究中，去破解“最强”大脑更多的秘密。

名词解释

额叶：位于大脑的前部，它是大脑发育中最高级的部分。它包括初级运动区、前运动区和前额叶。额叶有四个主要的脑回，即中央前回、额上回、额中回及额下回。额叶病损时主要引起随意运动、言语、颅神经、植物神经功能及精神活动等方面的障碍。

顶叶：位于大脑额叶、枕叶和颞叶之间，它与额叶的分界线是中央沟，另外顶枕沟为顶叶和枕叶的分界线。一般而言，顶叶为处理各类感觉讯息（包括痛觉、触觉等）的中枢，同时也和语言、记忆等功能有关。

颞叶：位于外侧裂之下，中颅窝和小脑幕之上，其前方为额叶，上方为额顶叶，后方为枕叶。颞叶的前部为精神皮质，人类的情绪和精神活动不但与眶额皮质有关，而且与颞叶也大有关系。颞叶内侧的海马体在形成长期记忆中扮演着重要的角色。

枕叶：大脑皮层的一个区域，位于枕顶裂和枕前切迹连线（薛耳味司氏裂沟）之后。在内侧面，距状裂和顶枕裂之间为楔叶，与侧副裂候补之间为舌回，负责处理视觉信息。

胼胝体：哺乳类真兽亚纲的特有结构，位于大脑半球纵裂的底部，连接左右两侧大脑半球的横行神经纤维束，是大脑半球中最大的连合纤维。

SUMO：小泛素样修饰蛋白。它具有负责保护脑神经细胞的功能，实际上是小型蛋白质的一个家族。SUMO在细胞内以化学的方式或依附或脱离其它蛋白质，对自身功能进行调节。SUMO蛋白随着大脑活动水平会产生微妙的反应，从而可以调节红藻氨酸受体传输的信息。