02
你好，大腦

人類的頭部構造（見圖2-1）就像一個俄羅斯套娃，最外層是頭發，頭發下面是頭皮，你以為打開頭皮就到顱骨了，其實中間還隔著十幾層之多。

在顱骨下面，大腦被幾層薄膜包裹著（見圖2-2）。

最外層的是硬腦膜（dura mater），是一層結實、凹凸不平的防水膜。硬腦膜會緊貼著顱骨。大腦是沒有疼痛感知區域的，但硬腦膜上就有，它的敏感程度與臉部肌膚相當。硬腦膜受到壓力或撞擊時往往會引起劇烈的頭痛。

下面一層叫作蛛網膜（arachnoid mater），這層薄膜下面的空間布滿了富有彈性的纖維。我一直認為，我的大腦只是被浸在某種液體里，然后就這樣在腦殼里面漂浮著，但其實大腦外部和顱骨內壁之間的唯一間隙就是這層蛛網膜。這些纖維物質可以固定住大腦的位置，讓它不會四處移動。當頭部受到碰撞的時候，它們還可以起到緩沖的作用。這塊區域充滿了密度接近水的腦脊液，能讓大腦保持著一定的浮力。

最后一層是軟腦膜（pia mater），這層薄膜是跟大腦外層緊緊貼合在一起的。你知道為什么你每次看到的大腦照片總是覆蓋著一層黏糊糊的血管嗎？這些血管其實并不是附在大腦表面上，而是嵌在軟腦膜里面的（見圖2-3）。

如果我們把外層的東西都剝干凈，就會看到大腦。這個看上去像一團果凍一樣的東西，卻是宇宙中已知的最神秘的物體。它雖然只有不到1.4千克重，卻是目前已知的信息密度最大、結構化程度最高而且自我組織最完整的東西。一個“普通”的人類大腦，運行時的功率僅為20瓦，而一臺性能同樣強大的計算機則需要2400萬瓦的功率才能啟動。

面對它時，你不時會陷入深深的困惑中。時至今日，我們對大腦的理解，就如同16世紀初人類對整個世界地圖的了解一樣。

記得我在高中時期參加一次全國性的生物知識競賽時，我的導師，一位著名的生物學教授，在他的第一堂課上提出了這樣一個問題：“如果大腦總共包含的知識長度是1千米，我們已經在這個路程上走了多遠？”我們當中有回答1/2的，有說1/3的，有說1/4的，但是這位教授給出的答案卻是“1厘米”。

在人類正在構建的偉大知識庫的幫助下，我們也許在未來某天能夠抵達這1千米的終點。但是現在，讓我們先來看看人類目前對大腦已有的認知，以及這1厘米當中都有些什么風景吧。

如果我們把大腦取出來，然后去掉左半球，我們就可以清晰地看到大腦的橫截面（見圖2-4）。

從爬蟲腦到新皮質，大腦的進化假說

1967年，為了了解看似隨機的大腦結構，將達爾文的進化論應用到大腦研究中，美國國家精神健康研究院的神經學家保羅·麥克萊恩（Paul Maclean）把大腦分成三個部分：在進化過程中，最先出現的是爬蟲腦，后來的哺乳動物在此基礎上發展出了第二重腦部結構，最后人類的出現完善了第三重腦部結構。

爬蟲腦，人類大腦最古老的一部分

這一部分包括腦干、小腦、基底核，與爬行動物的大腦幾乎相同，因而被稱為“爬蟲腦”。爬行動物的大腦起源可以追溯到5億年前，這也是人類大腦最古老的一部分。它控制著動物最基本的生命功能，如心跳、呼吸、消化、血壓、平衡等，還控制著爭斗、領地、狩獵與交配，這些是動物生存和繁殖所必需的條件。

古哺乳動物腦，大腦的邊緣系統

從爬行動物進化到哺乳動物，大腦也隨之變得更加復雜了，向周邊發展和產生全新的結構，這就是我們所說的“古哺乳動物腦”（邊緣系統）。邊緣系統位于大腦中心附近、“爬行動物腦”（爬蟲腦）部分的周圍，控制和調節著動物的記憶、食欲、情緒、困倦和警覺，以及感官信息處理等基本過程。

對于以群體生活方式為主的哺乳動物來說，邊緣系統是極為重要的。它們需要辨別潛在的敵人、盟友和競爭對手，從而更為高效地生存并哺育后代。這種社會群體的生活方式是非常復雜的，尤其是涉及了情感。哺乳動物中的靈長類，如猿猴等，其邊緣系統就顯得十分突出。

新皮質，大腦中最新的進化結構

后來，我們有了哺乳動物大腦的第三個和最新的區域——大腦皮質，這是大腦的外層。大腦皮質內最新的進化結構是新哺乳動物腦（新皮質），它控制高級認知行為。這是人類大腦最發達的部分，它在大腦總質量中的占比高達80%。在老鼠的大腦中，新皮質是光滑的，但是在人類的大腦中，它是高度盤繞的，溝回起伏，極為復雜，這樣才能允許大量的表面積被塞進人類的頭骨中。

大腦的進化史是科學家認識大腦的一種模式。粗略地說，我們可以認為人類大腦的進化路徑是從爬行動物大腦、古哺乳動物腦（邊緣系統）到新哺乳動物腦（新皮質）的過程。

下面是這些結構在真正的大腦中對應的位置（見圖2-5）：

接下來，讓我們來看看這里的每個部分。

首先是爬蟲腦，這是我們大腦中最古老的一部分（見圖2-6）。它長得像一只難看的青蛙。事實上，青蛙的完整腦部形狀就跟我們大腦中的這個部分很相似。

在了解了這些部位的功能之后，你就會明白它們為什么是古老的了。這些部位能做的事情，青蛙和蜥蜴都能做。

下面是爬蟲腦的主要組成部分：

小腦

在端腦下方，頭部正后方跟頸背相接的地方，駐守著小腦。雖然小腦體積只占顱腔的10%，但它有著全腦大約一半的神經元。這里神經元眾多，不是因為小腦要從事大量的思考，而是因為它控制平衡和復雜運動，這需要大量的神經接線。

腦干

在大腦的基座底下，有一條像電梯井似的、連接大腦與脊柱以及身體其余地方的東西，這是大腦最古老的部位——腦干。它掌管著人體更為基本的運作：睡覺、呼吸、保持心跳。另外，如果它認為你中毒了，它就會讓你嘔吐，干的都是些吃力不討好的活。腦干并未得到大眾太多的關注，但它對我們的生存至關重要。在很多國家，腦干死亡是衡量人類死亡的基本準繩。

其次，古哺乳動物腦——邊緣系統。在小腦與腦干周圍，分布著許多較小的結構——下丘腦、杏仁核、海馬、終腦以及其他十來個類似的結構，它們被統稱為邊緣系統（見圖2-7）。除非它們犯了錯，否則人們一輩子也不會知道它們具體有什么作用。舉例來說，基底神經節在運動、語言和思考方面扮演著重要的角色，但通常只有當它們退化并導致帕金森病時，它們才會引起人們的注意。

盡管邊緣系統默默無聞，體積也不夠明顯，但這些結構在人體的基本運作中扮演著基礎角色：它們控制和調節著我們的記憶、食欲、困倦和警覺，以及感官信息處理等基本過程。實際上，邊緣系統是一個生存系統。有一個粗略的說法是，當你做一些狗也會做的事情，例如進食、飲水、交配、戰斗、躲避或者逃離可怕的東西時，就是邊緣系統在幕后操控。無論你是否愿意承認，只要你在做上述的任何一件事，你就處于原始人的生存模式。

邊緣系統還控制著你的情緒，而情緒歸根結底也是生存的需要。它們是更高級的生存機制，對于生活在復雜社會結構中的生物來說必不可少。

當你陷入理智與情緒的“天人交戰”中時，邊緣系統的工作可能就是慫恿你去做一些你以后會后悔的事情。從這個意義上說，學會控制邊緣系統是人類成熟的象征，同時也是人類最核心的斗爭。這并不是說沒有邊緣系統我們會活得更好。邊緣系統是我們之所以為人的一半原因，我們生命中的大部分樂趣都與情緒或者動物本能欲望的滿足有關，只是邊緣系統并不知道你生活在一個文明社會，如果你過于放任它的話，它很快就會毀掉你的生活。

邊緣系統由許多小部分構成，不過我們只介紹其中最重要的幾個部分：

海馬，長期記憶之源

顧名思義，之所以被稱為海馬，是因為它看起來像一只海馬。這是記憶的“網關”，在這里，短期記憶被處理成長期記憶。海馬的損傷將破壞產生新的長期記憶的能力，人們將會永遠停留在目前的狀況。美國電影《記憶碎片》（Memento）講述了患有“短期記憶喪失癥”的謝爾比根據支離破碎的記憶來找到殺妻兇手的故事。這部懸疑電影所描述的疾病是真實存在的——由海馬受損所導致的順行性遺忘癥（anterograde amnesia）。

阿爾茨海默病的發作就從海馬開始，然后才慢慢擴散到大腦的其他部分，這也是為什么阿爾茨海默病患者會先開始變得健忘，隨后才出現其他一系列的嚴重癥狀。

杏仁核，情感誕生之地

這是產生情感，尤其是恐懼的地方。這里專門處理強烈而緊張的情緒，如恐懼、憤怒、焦慮。大腦有兩個杏仁核，奇怪的是左邊的杏仁核表現得更加樂觀一些，除了通常的負面情緒之外，它有時也會產生愉悅的情緒，而右邊的那個就一直處于心情不好的狀態。杏仁核遭到破壞的人可以做到真正的無所畏懼，他們往往還無法識別他人的恐懼。我們睡著的時候，杏仁核就會變得特別活潑，這或許可以解釋為什么我們的夢境常常令人不安。噩夢興許只是杏仁核在給自己減負而已。

丘腦，大腦的“中繼站”

它的拉丁名字的意思是“內室”，位于大腦的中心，就像一個中繼站。它負責接收來自感覺器官的信息，然后再將其傳輸到大腦皮質進行處理。當你在睡覺的時候，丘腦也會跟你一同入睡，也就是說負責傳輸感官的“中間人”下班了。所以在深度睡眠時，你通常不會因為輕微的聲音、光亮或觸碰而醒來。如果你想喚醒處于深度睡眠的人，你的動靜一定要足夠大才能喚醒丘腦。

唯一的例外是嗅覺，它是可以繞過丘腦的感官。這就是為什么可以用嗅鹽來喚醒昏迷者。既然說到這兒了，就給大家補充一個冷知識：嗅覺是嗅球（olfactory bulb）的功能，而且這是最古老的一種感官。跟其他感官不一樣，嗅覺位于邊緣系統的深處，它與杏仁核和海馬都有緊密的聯系。這也是嗅覺可以喚起特定記憶和情緒的原因。

下丘腦，你的成敗皆與它有關

它負責調節體溫、晝夜節律、饑餓、口渴、生殖和心情。它位于丘腦之下，由此得名。它是邊緣系統最重要的組成部分，像一個小小發電室，與其說是一個結構，不如說是一束神經細胞。它的名字并沒有描述它的作用，而是指它所在的位置——丘腦之下。說來奇怪，下丘腦的樣子太不起眼了。它只有一粒花生的大小，重量僅為3克，卻控制著身體大部分最為重要的化學成分。它控制性功能，控制饑餓和口渴，監測血糖和鹽分，決定你何時需要睡覺。它甚至很有可能在人的衰老進程中扮演一定的角色。身為人類，你的成敗在很大程度上取決于自己腦袋中央這個小小的東西。

最后，新哺乳動物腦——新皮質。作為整個大腦最重要的部位，新皮質也是我們將要探討的主要內容。讓我們先來區分幾個概念。

端腦（cerebrum），所有高級功能所在地

端腦就是當你想起大腦時主要想到的部分，它充滿了幾乎整個腦穹廬。cerebrum來自拉丁語里的“大腦”，是我們大腦中所有高級功能的所在地。它分為左右兩個半球，每個半球主要與身體的另一側相關，出于未知的原因，絕大多數的神經界限都是交叉的，因此大腦的右側控制身體的左側，大腦的左側控制身體的右側。

皮質（cortex），無所不能的結構

cortex在拉丁語中是“樹皮”的意思，在大腦（端腦）的最外層是大腦皮質。皮質幾乎無所不能，它負責處理聽覺、視覺及感覺信息，同時還掌管著語言、運動、思考、計劃、性格等諸多方面。

皮質可以分為四葉（見圖2-8）：

額葉，給予我理性思維

額葉負責推理、預見、解決問題，是用來處理理性思維的。并且，你的大部分思考行為都發生在額葉前端被叫作前額皮質的部位，這個部位是大腦中的智者。

你現在正在讀的信息就在你大腦的前額葉皮質中處理。這個部分的損傷可能會損害你籌謀計劃的能力。這是評估來自感官的信息，給出處理意見，并執行未來行動的區域。同時，它也是負責個性（也就是我們是什么樣的人）的地方。額葉是所有腦葉中最后才得以破譯的大腦部位。在我學習生物的時代，它們也被叫作“沉默的額葉”。這并不是因為人們認為額葉沒有功能，而是因為額葉的功能并未顯露。

在之前提到的大腦內部斗爭中，前額皮質是與邊緣系統對立的一方。它是敦促你完成工作的理性決策者，勸導你不要擔心其他人看法的內部聲音，希望你不要對小事斤斤計較的高級存在。

頂葉，我們觸覺的發源地

頂葉位于大腦的頂部。大腦右半球控制感官和身體形象；大腦左半球控制動作和語言的某些方面。這個部分的損傷會導致許多問題，比如不能定位自己的身體部位。頂葉負責的一項功能是觸覺控制，其中最主要的是“主要體覺皮質”的作用，主要體覺皮質就處在主要運動皮質的后面。

互相緊挨著的主要運動皮質和主要體覺皮質是特別有趣的兩個部位，因為神經科學家發現它們的每個位置都與某個身體部位一一對應。這就再次引出了我們此前見過的，也是本書中最驚悚的一張配圖：小矮人圖。

小矮人圖形象地展示了主要運動皮質和主要體覺皮質所對應的身體部位。圖中比例越大的身體部位，它們在相應皮質中所占的區域也越大。在此，我們可以得出一些有趣的發現。

首先，大腦中負責面部運動、手部運動和觸覺的區域比負責其他身體部位的全部區域加起來還要多。雖然這聽起來有點兒難以置信，但其實還是可以理解的，因為我們需要做出差別非常細微的面部表情，而且我們的雙手需要無比靈巧，但是身體的其他部位，比如肩膀、膝蓋、后背，它們的動作和感覺就不需要那么細致了。這就是為什么人類可以用手指彈鋼琴，用腳趾就不行（見圖2-9）。

其次，這兩種皮質所對應的身體部位的比例也高度相似。我雖然可以理解這一點，但我從來沒有想過，身體最需要運動控制的部位恰恰也是最敏感的部位。

實際上，自從我在高中時期第一眼看到這張驚悚的圖片后，它就一直在我的腦海中揮之不去，所以現在我也讓你們再次深化一下這種體驗——一個3D版的小矮人（見圖2-10）。

顳葉，儲存著你的大部分記憶

顳葉負責儲存你的大部分記憶。另外，因為它就在你的耳朵旁邊，它又是聽覺皮質所在的位置。但它也幫忙處理視覺信息，當我們看到另一張面孔時，顳葉上的6個區域（叫作“面部識別區域”）會興奮起來，至于到底是我臉上的哪個部分激活了你大腦里的哪一塊面部識別部位，科學家還不能確定。

枕葉，處理從眼睛傳來的視覺信息

枕葉位于你的后腦勺，負責處理從眼睛傳來的視覺信息。這個部分的損傷會導致失明和視覺障礙。你一定在影視劇中見過這樣的情節：主人公因為摔了一跤，后腦勺磕在了石頭上，醒來之后發現自己再也看不見了。這種劇情套路是具有科學依據的。

一直以來，我都以為這些大片的腦葉就是組成大腦的一塊塊部位，就像我們在3D模型中看到的分區一樣。但實際上，皮質只占大腦最外層的2毫米，也就是相當于一枚硬幣的厚度，皮質表層下面的空間基本上是各種神經組織的復雜聯結。

此外，大腦中還有一些你一定聽過的東西。比如，大腦皮質之下為白質，由大量神經纖維組成，其中包括大腦的回與回之間、葉與葉之間、大腦兩半球之間以及大腦皮質與腦干、脊髓之間的神經纖維。大腦的左右半球由一條被稱為胼胝體（corpus callosum）的帶狀結構連接起來。corpus callosum在拉丁語里的意思是“強硬的材料”，字面意思則是“堅硬的身體”。大腦因為深深的溝壑而產生皺褶，凹陷的部分叫裂縫，凸起的部分叫腦回，這為它帶來了更大的表面積。這些遍布大腦的凹縫和凸脊，在每個人大腦中的分布都是獨一無二的。“腦紋”就和指紋一樣，世間獨此一份，它決定了你的智力、氣質、性格和其他任何你獨一無二的特質。

為什么大腦會有這么多皺褶

正如我們之前所討論的，人類大腦的進化是一個由內向外擴展的過程，我們不斷在現有的結構上添加更多更高級的新功能。但是這種進化方式也存在一定的限制，因為人類的出生還是需要經過母親的生殖器官，而這就限制了胎兒的頭部可以發育的大小。

而且更困難的是，人類在進化過程中成為直立行走的動物，這會導致女性的骨盆變小（否則她們就無法奔跑了）。幸好人類也進化出了適應這種情況的辦法：嬰兒在出生的時候其實尚未發育完全，他們本來應該繼續待在子宮里的。這也是人類新生兒如此脆弱的原因。

于是，人類在進化過程中找到了一個巧妙的辦法。因為大腦皮質非常薄，所以它的生長是通過增加表面積來實現的。它會形成很多皺褶（向下甚至可以延伸到左右半球之間的空隙里面），這樣人類就能在不增加太多大腦容量的前提下得到超過3倍的大腦表面積。

當大腦開始在子宮內發育時，它的表面還是光滑的。這些皺褶大多在孕期的最后兩個月才會出現。

如果將皮質從大腦上剝下來，你可以得到一個2毫米厚、面積為2000～2400平方厘米的東西。這個表面積已經足夠大了，即使皮質只有2毫米厚，它的體積也依舊可以達到300～500立方厘米，超過大腦總體積的1/3。

盡管還不完全，但是現代科學已經基本掌握了大腦的全貌。此外，我們對大腦的細節也有了一定的認識。接下來是對大腦細節的介紹。

神經元的復雜糾纏，人的智力的來源

盡管我們早就明白了大腦是人類智力的源泉，但科學界是在不久前才弄清楚大腦的構造的。科學家已經知道人體是由細胞構成的，但是直到19世紀末，科學家才發現了神經元細胞。幾乎對所有動物來說，神經元都是構成大腦和神經系統以及它們內部的巨大溝通網絡的核心單位。

我們現在知道，大腦有1000億個神經元，每個神經元與成千上萬個其他神經元相連，建立起數萬萬億的連接。神經學家大衛·伊格曼（David Eagleman）⁽³⁾說：“1立方厘米的腦組織里的連接多得就像銀河系中的恒星一樣。”人類智力的來源就在于神經元之間復雜的糾纏，而非之前所認為的神經元的數量。

其他細胞大多是緊湊的球形，神經元則不一樣，它們長而多筋，能更好地將電信號從一個神經元傳導到另一個神經元。它們通過樹突接收其他神經元的信息，樹突就像從神經元一端發芽的卷須。在神經元的另一端，有一個長的纖維被稱為軸突。最后軸突通過它們的樹突連接到上萬個其他的神經元。在二者的交界處有一個被稱為突觸的小間隙。這些突觸像大門，調節大腦內的信息流。被稱為神經遞質的特殊化學物質能夠進入突觸改變信號流。因為神經遞質，如多巴胺、去甲腎上腺素和血清張力素，有助于控制通過各種各樣的途徑穿過大腦的信息流，所以它們對我們的情緒、情感、思想和精神狀態有著巨大的影響。

不斷優化的神經網絡，讓你從舊習慣到新習慣

在某種意義上，神經元跟計算機的晶體管很相似。它們都是用“1”（動作電位激活）和“0”（沒有動作電位激活）的二進制語言傳遞信息。但是跟計算機晶體管不同的是，大腦的神經元一直處于變化之中。

你肯定有過這樣的經歷：你學會了一項新技能，掌握得還不錯，但是到了第二天卻發現自己又不會了。你第一天之所以能學會這項技能，是因為在神經元之間傳遞信號的化學物質的數量或濃度發生了變化。不斷重復的行為會導致這些化學物質發生改變，讓你可以取得進步，但是到了第二天，之前調整過的化學物質會回歸到正常水平，你之前取得的進步也會隨之消失。

但如果你接下來繼續堅持練習，你最終會長久地掌握這項技能。在這個過程中，你其實在告訴大腦“這不是一次性的工作”，然后大腦的神經網絡便會做出可以長期持續的結構性調整。神經元會改變自己的形狀和位置，強化或弱化不同的連接，并根據需要學習的技能建立一套固定的路徑。

神經元能夠在化學、結構功能上改變自己，根據外部世界不斷優化大腦的神經網絡，這種現象就叫作神經可塑性（neuroplasticity）。

嬰兒的大腦擁有最強大的神經可塑性。嬰兒出生后，其大腦完全不知道自己以后會有什么樣的人生：成為擁有一流劍術的中世紀勇士，還是成為擅長彈奏大鍵琴的17世紀音樂家，抑或是成為既要記住并整理海量信息，又要管理復雜人際關系的學者？無論怎樣，嬰兒的大腦都已經準備好不斷調整自己，以應對未來任何形態的人生。

雖說嬰兒擁有最強大的神經可塑性，但這種能力會伴隨我們的一生，所以人類才能不斷成長、改變和學習新知識，同時這也是我們可以養成新習慣、改變舊習慣的原因，習慣其實是大腦現有神經結構的反映。

如果你想改變自己的習慣，你就需要付出巨大的意志力來推翻大腦之前建立的神經路徑，但如果你可以堅持足夠長的時間，你的大腦最終會得到指示，改變之前的路徑，新的行為習慣將不再需要意志力的支撐。大腦已經針對新的習慣做出了相應的生理改變。

下面我們來看看完整的神經系統長什么樣（見圖2-11）。

神經系統分為兩個部分：中樞神經系統（你的大腦和脊髓）和周圍神經系統（由從脊髓向身體其他部位發散的神經元組成）。

大多數的神經元都屬于中間神經元，即負責與其他神經元交流的神經元。你在思考的時候其實就是一大堆中間神經元在互相傳話。中間神經元主要存在于大腦。除此之外還有兩種神經元——感覺神經元和運動神經元，它們是通向脊髓和組成周圍神經系統的神經元。這些神經元的長度可以達到驚人的1米。

感覺神經元的軸突會從體覺皮質出發，經過大腦的白質，然后進入脊髓（它其實只是一大束軸突）。這些軸突會從脊髓延伸到身體的各個部位。你每一寸皮膚下都布滿了源自體覺皮質的神經。

所以當一只蚊子停在你的手臂上時，你的身體會發生如下情況：

·　蚊子會碰到你的皮膚，從而刺激了那里的感覺神經。

·　感覺神經受到激發，開始發出信號。

·　信號經過脊髓，到達體覺皮質的神經細胞體。體覺皮質通知運動皮質：“我們手臂上有一只蚊子，你得想辦法搞定它。”

·　運動皮質向專門負責手臂肌肉的神經細胞體發出信號，經過脊髓傳遞到手臂的肌肉。

·　相關神經元的軸突末梢會刺激你的手臂肌肉，讓它們產生收縮，完成拍死那只蚊子的動作。

而如果在你身上的是一只蟑螂，你的杏仁核還會讓你發出一陣尖叫，還有什么比“小強”更惡心的東西呢！

所以現在看來，我們其實已經比較了解大腦了，前面那位教授說的我們在大腦包含的1千米知識長度上所走的短短1厘米居然包含著如此令人目不暇接的風景，那剩下的99 999厘米意味著什么呢？