張懷奇

最強(qiáng)大腦，我們知道些什么

張懷奇

一部韓劇《來自星星的你》讓我們見識了都教授的瞬間移動與時間定格等超能力，其實這些超能力都是深藏于我們心中的夢想。也許我們注定無法擁有這些來自“外星球的超能力”，但我們中的一些人卻擁有異于常人的過人之處，他們的這些超凡能力是如何煉成的呢？

人腦這個“CPU”到底有多強(qiáng)大？從4.5萬個小色塊中找出顏色變化的那一塊，迅速判斷出一張新面孔是由50張人臉中的哪兩張合成，90分鐘記住120個指紋……剛一開年，江蘇衛(wèi)視推出的國內(nèi)首檔大型科學(xué)類真人秀電視節(jié)目《最強(qiáng)大腦》就火爆全國，好評如潮。在這里，各界腦力奇才匯聚一堂，輪番上陣，亮出看家本領(lǐng)，展示出令人驚嘆的超凡能力。挑戰(zhàn)成功者更被冠以“最強(qiáng)大腦”的稱號。諸如“中國雨人”周瑋、“心算神童”葛韻霖、“數(shù)獨(dú)達(dá)人”孫徹然以及來自意大利的陽光少年安德烈等都憑借著超乎常人的數(shù)據(jù)處理能力震撼全場。但所謂的最強(qiáng)大腦究竟應(yīng)該如何定義呢？他們?nèi)绾尉毘勺顝?qiáng)大腦的呢？我們還得從“頭”說起。

“最強(qiáng)”大腦知多少

眾所周知，我們的項上人頭是人體的總司令，人體的一舉一動，直至我們的一個念想或一個夢境盡在頭腦的控制之下。所以說，我們的大腦是世界上最復(fù)雜、效率最高的信息處理系統(tǒng)。從表面來看，人腦和剝開的核桃有很多相似之處，都是一個有機(jī)整體，表面布滿深淺不一的溝回。但是神經(jīng)系統(tǒng)專家卻可以把大腦劃分成很多的區(qū)，并越來越深入地知曉每個區(qū)具有的各不相同的功能。

人腦包括左、右兩個半球及連接兩個半球的中間部分，即第三腦室前端的終板。大腦半球被覆灰質(zhì)，稱為大腦皮質(zhì)，其內(nèi)深處為白質(zhì)，稱為髓質(zhì)。左右半球的中間有一條溝，稱為中心溝。大腦表面凹凸不平，布滿深淺不同的溝，溝間的隆凸部分稱腦回。每一大腦半球借由中央溝和側(cè)裂又分為四個葉：額葉、頂葉、顳葉和枕葉（如圖1）。這些腦葉，均向大腦半球的深處延伸，而在各腦葉區(qū)域內(nèi)，同樣分布著很多小的腦溝，其中蘊(yùn)藏著各種神經(jīng)中樞，分擔(dān)著不同的任務(wù)，形成了大腦皮質(zhì)的分區(qū)專司功能。比如額葉，主要負(fù)責(zé)思維和計劃，與個體的需求和情感相關(guān)；頂葉，主要響應(yīng)疼痛、觸摸、味覺、溫度、壓力等感覺，也與數(shù)學(xué)和邏輯有關(guān)；顳葉，主要負(fù)責(zé)處理聽覺信息，也與記憶和情感有關(guān)；枕葉，主要負(fù)責(zé)處理視覺信息，等等。而邊緣系統(tǒng)主要與記憶有關(guān)，在行為方面則與情感相關(guān)（如圖2）。

總而言之，人腦分左右兩個半球，每一半球上分別有運(yùn)動區(qū)、體覺區(qū)、視覺區(qū)和聽覺區(qū)以及聯(lián)合區(qū)等神經(jīng)中樞。在正常情況下，大腦兩半球的功能是分工合作的，在兩半球之間，由神經(jīng)纖維構(gòu)成的胼胝體，負(fù)責(zé)兩半球的信息溝通。假如將胼胝體切斷，大腦兩半球被分割開來，各半球的功能將陷入孤立，缺少相應(yīng)的合作，在行為上就會失去統(tǒng)合作用。人類大腦的兩半球，在功能劃分上，大體是左半球管右半身，右半球管左半身。每一半球的縱面，在功能上也有層次之分，原則上是上層管下肢，中層管軀干，下層管頭部。如此就形成了上下倒置，左右分叉的微妙構(gòu)造。同時，在每一半球上，又各自分區(qū)為數(shù)個神經(jīng)中樞，每一中樞也各有其固定的區(qū)域，分區(qū)專司，形成大腦分化而又統(tǒng)合的復(fù)雜功能。

神經(jīng)元的秘密

上文中提到了大腦半球表面覆蓋著大腦皮質(zhì)，主要負(fù)責(zé)人腦較高級的認(rèn)知和情緒功能，那大腦皮質(zhì)又是由什么組成的呢？眾所周知，細(xì)胞是組成生物體的基礎(chǔ)，大腦也不例外，大腦皮質(zhì)的主要組成細(xì)胞就是神經(jīng)元，這也是大腦處理紛繁復(fù)雜信息的細(xì)胞，也就是我們?nèi)祟愃伎嫉幕A(chǔ)。隨著胎兒在母親體內(nèi)不斷成長，腦神經(jīng)元也在不斷增加，其遞增的速度約每分鐘25萬個，到了出生時，可高達(dá)近1000億個。神經(jīng)元的形態(tài)大小各異，意味著它們最終將要各司其職。迄今，科學(xué)家們已確切地辨認(rèn)出大約25種不同的神經(jīng)元。神經(jīng)元的數(shù)量雖然如此眾多，猶如繁星滿天，但它們的主要功能卻只有三個，即接受刺激，產(chǎn)生沖動或興奮（也就是電信號）和傳遞信息。當(dāng)然，這三個看似簡單的功能背后卻隱藏著極其復(fù)雜而神秘的生物電現(xiàn)象。

神經(jīng)細(xì)胞一般都有長的突起，胞體和突起總稱為神經(jīng)元。胞體是神經(jīng)元含有細(xì)胞核的部分，表面有細(xì)胞膜，膜與核之間有細(xì)胞質(zhì)。胞體是神經(jīng)元代謝和營養(yǎng)的中心。一般可由胞體延伸出兩種突起，即樹狀突起(簡稱樹突)和軸狀突起（簡稱軸突）。信息以電信號的形式在樹突上擴(kuò)散分布并被整合處理。每個神經(jīng)元可以有一個或多個樹突，這樣就能更多地接受刺激并更快地傳遞信息。軸突是由胞體發(fā)出的單根突起，軸突的末梢反復(fù)分枝而形成終末,終止于另一神經(jīng)元或效應(yīng)器,與它們形成突觸。每個神經(jīng)元只有一個軸突，可以把興奮從胞體傳送到另一個神經(jīng)元或其他組織，軸突的功能主要是傳送快速的電信號，并在胞體與末梢之間輸送物質(zhì)，同時兼有神經(jīng)的營養(yǎng)作用（如圖3）。

神經(jīng)細(xì)胞多種多樣，從功能看可分為三種：直接與感受器相連,將信息傳向中樞的叫感覺（傳入）神經(jīng)元；直接與效應(yīng)器相連，把信息傳給效應(yīng)器的叫運(yùn)動（傳出）神經(jīng)元；在感覺和運(yùn)動神經(jīng)元之間傳送信息的叫中間神經(jīng)元（如圖4）。比如《最強(qiáng)大腦》中的很多優(yōu)秀選手，他們從看到或聽到題目的一刻起，題目信息就通過視覺、聽覺感受器經(jīng)由大量的樹突傳向了大腦中樞，在兩個大腦半球的額葉、頂葉、顳葉和枕葉邊緣系統(tǒng)內(nèi)經(jīng)過縝密的思考運(yùn)算后即刻得出了結(jié)論，再經(jīng)由軸突下達(dá)口舌、手腳等效應(yīng)器，選手們張口就說出了或提筆就寫出了準(zhǔn)確無誤的答案，顯示了神經(jīng)系統(tǒng)強(qiáng)大的能力。

神經(jīng)細(xì)胞之間的耳鬢私語

但是，僅僅擁有了神經(jīng)元，“超級找茬王”鄭才千就可以獨(dú)攬魔方的奧秘嗎？“辨音美少女”黃華珠就可以辨音識鍵嗎？艾曉娃就能吹氣辨物被冠以“聽風(fēng)者”的美名嗎？“數(shù)獨(dú)達(dá)人”孫徹然就能笑傲數(shù)字的世界嗎？電視機(jī)前的你就能感受到《最強(qiáng)大腦》節(jié)目中呈現(xiàn)的緊張刺激、歡樂詼諧的精彩嗎？不可能啊。所謂孤掌難鳴、形單影只就是這個道理。人類的大腦雖然擁有多達(dá)1000億個神經(jīng)元，有著每秒鐘可以記錄1000個信息單位這般大得驚人的存儲量，但這可不是單個神經(jīng)元所具有的魔法，而是借助于神經(jīng)元之間的聯(lián)系所形成的網(wǎng)絡(luò)完成的。而這張網(wǎng)幾乎把多達(dá)1000億個的神經(jīng)細(xì)胞都連接在了一起。猶如科幻大片《阿凡達(dá)》中所呈現(xiàn)的“靈魂之樹”一樣，神經(jīng)元之間靠著樹突、軸突相互連接，借此傳遞信息，也使我們能夠三思而后行。可當(dāng)我們出生時，我們的大腦并不是非常具有組織條理性的，那時每一個大腦細(xì)胞都在同附近的細(xì)胞嘗試著進(jìn)行“交流”，它們通過“突觸”來互相發(fā)送和接收神經(jīng)信號。隨著我們的成長和學(xué)習(xí)，尤其在3歲前，神經(jīng)細(xì)胞間的連接會完成70%～80%，我們的大腦會由此變得越來越穩(wěn)定，而彼此間沒有連接的神經(jīng)元，久而久之就會失去功能，從而被“廢棄”。同時，在大腦的發(fā)育過程中，適當(dāng)?shù)穆犛X、觸覺、本體覺和視覺的刺激，將有助于腦部膠原神經(jīng)細(xì)胞的發(fā)展。這也就是所謂的0-3歲的學(xué)前教育無比重要的原因，在這個階段，腦部正在進(jìn)行整個腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)建構(gòu)工程，基礎(chǔ)若完備了，后續(xù)的學(xué)習(xí)將事半功倍。

然而，神經(jīng)元之間信息的傳遞是不同于人們借助電話、短信、QQ、E-mail等方式那樣來完成的，它有著自己所獨(dú)特的分子機(jī)制。來自英國布里斯托大學(xué)的杰瑞米·亨利博士經(jīng)過多年的潛心研究，揭示了大腦1000億個神經(jīng)細(xì)胞之間互相協(xié)作交流的分子機(jī)制：大腦中的神經(jīng)元使用一種名為神經(jīng)遞質(zhì)的化學(xué)物質(zhì)（SUMO）的蛋白質(zhì)來進(jìn)行彼此間的交流。SUMO蛋白質(zhì)可以通過吸附到RIM1α蛋白的特殊區(qū)域來對其進(jìn)行調(diào)節(jié)修飾；這個過程就像它扮演了一種分子開關(guān)的角色在進(jìn)行正常神經(jīng)遞質(zhì)的釋放，從而不至于在興奮的時候釋放抑制性的神經(jīng)遞質(zhì)，或者低落的時候去釋放興奮性的神經(jīng)遞質(zhì)。就像杰瑞米·亨利博士所說的，SUMO的修飾作用對于正常腦部功能的發(fā)揮非常關(guān)鍵和重要，并對將來開發(fā)治療中風(fēng)等腦部疾病的療法提供了新的思路和方向。

要讓神經(jīng)元有序連接才能保證信息的上通下達(dá)，而沒有連接或者活性不足的神經(jīng)元突觸將會被關(guān)閉。但是其發(fā)生的原因和分子機(jī)制是什么呢?這也是困擾科學(xué)家們的一大謎團(tuán)。來自美國密歇根大學(xué)醫(yī)學(xué)院的研究者在國際權(quán)威雜志《自然-神經(jīng)科學(xué)》上發(fā)表了一篇研究論文，揭示了大腦神經(jīng)細(xì)胞穩(wěn)定連接的分子機(jī)制。在文中，研究者揭示了一種在機(jī)體多種細(xì)胞表面存在的名為SIRP-α的蛋白質(zhì)，它在維持大腦細(xì)胞之間最為活躍的突觸聯(lián)系之間扮演著重要的角色。研究者發(fā)現(xiàn)SIRP-α蛋白質(zhì)參與了機(jī)體神經(jīng)元發(fā)生的多種途徑，以及最終所形成的突觸前神經(jīng)末梢。當(dāng)大腦接收來自附近細(xì)胞的信號時，就會釋放SIRP-α到細(xì)胞間的空間中，SIRP-α蛋白質(zhì)的一部分可以“漂浮”到突觸的缺口處，從而“鎖閉”一種名為CD47的受體。SIRP-α越多被分裂釋放到突觸中，就可以更多地“鎖閉”CD47，從而保證了大腦神經(jīng)細(xì)胞穩(wěn)定的連接，保證了人類機(jī)體功能性神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。

然而，令人汗顏的是，在浩瀚宇宙中，人類已經(jīng)探索到了數(shù)光年之外的星系；但在大腦面前，反倒像仰望星空的孩子，雖絞盡腦汁，卻知之甚少。一位神經(jīng)科學(xué)家曾無奈地說：“我們不了解任何一個單個機(jī)體的大腦工作機(jī)制，就連只有302個神經(jīng)元的小蟲，我們目前也沒法了解它的神經(jīng)體系?！北环Q為“中國雨人”的周瑋，無疑是《最強(qiáng)大腦》中最具魅力的選手，他的智商僅56、被診斷為“中度智力障礙”，卻擁有超強(qiáng)的心算能力，展現(xiàn)出在乘方和開方上的超強(qiáng)天份，這又是怎么回事呢？科學(xué)上又如何解釋呢？謎團(tuán)有待解開。

幸好，一項全稱為“推進(jìn)創(chuàng)新神經(jīng)技術(shù)腦研究計劃”的科學(xué)項目（又稱“腦計劃”）正在加速進(jìn)行。這份由美國總統(tǒng)奧巴馬在2013年4月提出的研究計劃有著宏偉的藍(lán)圖：在未來的7～12年間，科學(xué)家們將繪制出人腦活動圖譜，了解其運(yùn)行機(jī)理，從而讀出人們的思維活動，檢測腦部疾病。當(dāng)然，這僅僅是計劃的開始，未來還有許許多多繁重復(fù)雜的難題在等著科學(xué)家去破解。同時，期望我們的讀者朋友能夠在不久的將來投身于腦科學(xué)的研究中，去破解“最強(qiáng)”大腦更多的秘密。

名詞解釋

額葉：位于大腦的前部，它是大腦發(fā)育中最高級的部分。它包括初級運(yùn)動區(qū)、前運(yùn)動區(qū)和前額葉。額葉有四個主要的腦回，即中央前回、額上回、額中回及額下回。額葉病損時主要引起隨意運(yùn)動、言語、顱神經(jīng)、植物神經(jīng)功能及精神活動等方面的障礙。

頂葉：位于大腦額葉、枕葉和顳葉之間，它與額葉的分界線是中央溝，另外頂枕溝為頂葉和枕葉的分界線。一般而言，頂葉為處理各類感覺訊息（包括痛覺、觸覺等）的中樞，同時也和語言、記憶等功能有關(guān)。

顳葉：位于外側(cè)裂之下，中顱窩和小腦幕之上，其前方為額葉，上方為額頂葉，后方為枕葉。顳葉的前部為精神皮質(zhì)，人類的情緒和精神活動不但與眶額皮質(zhì)有關(guān)，而且與顳葉也大有關(guān)系。顳葉內(nèi)側(cè)的海馬體在形成長期記憶中扮演著重要的角色。

枕葉：大腦皮層的一個區(qū)域，位于枕頂裂和枕前切跡連線（薛耳味司氏裂溝）之后。在內(nèi)側(cè)面，距狀裂和頂枕裂之間為楔葉，與側(cè)副裂候補(bǔ)之間為舌回，負(fù)責(zé)處理視覺信息。

胼胝體：哺乳類真獸亞綱的特有結(jié)構(gòu)，位于大腦半球縱裂的底部，連接左右兩側(cè)大腦半球的橫行神經(jīng)纖維束，是大腦半球中最大的連合纖維。

SUMO：小泛素樣修飾蛋白。它具有負(fù)責(zé)保護(hù)腦神經(jīng)細(xì)胞的功能，實際上是小型蛋白質(zhì)的一個家族。SUMO在細(xì)胞內(nèi)以化學(xué)的方式或依附或脫離其它蛋白質(zhì)，對自身功能進(jìn)行調(diào)節(jié)。SUMO蛋白隨著大腦活動水平會產(chǎn)生微妙的反應(yīng)，從而可以調(diào)節(jié)紅藻氨酸受體傳輸?shù)男畔ⅰ?/p>