神经细胞和网络：为何人脑有皱纹？

为了了解人脑是如何工作和如何发挥机能，首先必须了解人脑的构造，而构造的基础元件就是神经细胞，可以比喻为计算机的半导体。

（1）人脑的构造 如图1.5.14所示，人脑由大脑、小脑和脑干所组成。从人脑到身体各部分的信号，或者从身体各部分到人脑的信号，通过脊椎骨中的脊髓来传达信号。脊髓不单具有传达信号的“配线”功能，和人脑一样也担任情报处理的角色，把人脑和脊髓加在一起，称为中枢神经系统。而从脊髓到身体各部分的神经网络，称为末梢神经系统。

1）神经细胞的构造。生物体在机能构造上的基本单位就是细胞。人的身体，约有60M个细胞。其中，形成神经网络的细胞叫作神经细胞（神经元，neuron），是神经网络的基本单位。

图1.5.14 人脑的构造和各部分的神经细胞数量

图1.5.15所示为神经细胞的典型构造。神经细胞在细胞体上具有神经突起，通过这个树突与其他细胞交换信息。基本上树突是输入神经，把输出神经称为轴索，各个神经细胞在细胞体上把树突的输入收集起来，再决定是否向其他细胞输出，当决定输出时，在细胞体附近会发生活动电位，传播到轴索的末端，从轴索的末端向其他细胞的树突释放出神经传达物质。把在神经突起通过化学物质媒介进行信息交换的部位称为神经腱，或者触突（synapse）。

图1.5.15 神经细胞的典型构造

神经细胞的细胞体直径，小的有4μm，大的达100μm。一般上神经细胞的直径约为10μm，质量为1μg。树突和轴索直径各为10μm、1μm左右。一般来说，输入神经粗而短，输出神经细而长。

2）人脑的神经细胞数量和消费能量。据称人脑的神经细胞数量级，大脑达10¹⁰（100亿），小脑达10¹¹（1000亿），脊髓达10⁹（10亿）。也许大脑主宰了脑的高次元机能，可是实际上小脑的神经细胞数量要比大脑多一个数量级。即使在从猿猴进化到人的过程中，小脑和大脑也按同等比例增大。人脑的神经细胞数量有时说100亿，有时说1000亿，后者是指包含小脑在内全部的神经细胞数。

人脑为了支援神经细胞，有神经胶质（glia）细胞存在。神经胶质细胞的作用是：提供营养给神经细胞，从构造上给予机械式支持和修复，并辅助信号的传递等。据说，胶质细胞的数量，是神经细胞的10倍以上。

但是，并没有谁能够去一个一个地数细胞的个数，上面所说的数量根本上就是估计罢了。电子计算机芯片CPU，半导体管个数达到10⁹（10亿）数量级，从元件数量上，CPU已经在迫近人脑的级数了，而能量的消耗上，CPU要比人脑多一些，人在安静时消耗的能量约为100W，人脑仅消耗其中的20%左右即20W，而CPU消耗的电能达到50～100W。

3）脑内配线总长可绕地球两周半。神经细胞从树突收集输入信号到细胞体，通过轴索向其他细胞输出信号，因此是一个多输入单输出的元件。

实际上，神经细胞在收集信息的同时，把信息发送散布给许多其他的细胞。在一个神经细胞里，有1000～10000个神经腱（触突），反过来说，1个神经细胞的输出信息，每一次可以向1000～10000个神经细胞传播。

从细胞体伸出来的轴索，非常复杂地长出分支，在神经组织内，输出用的轴索长度远远超过输入用的树突。例如，大脑的1mm³里含有400m长树突，而轴索达到4000m长，也就是说，脑的全部轴索长度达15～18万km（等于绕地球2周半）。这个特点在图1.5.15所示的一般神经细胞模式图里并没有表达清楚，也许更像图1.5.16所示那样的混沌状态。

图1.5.16 复杂而混沌不清的神经网络

网络的合理配线（比喻电子线路的导线连接），对于脑信息处理系统来说是极其重要的，图1.5.17所示为大脑的断面图。在大脑的表层几毫米厚的区域里密集地长满细胞体，这个部分称为大脑皮质，如大脑皮质那样密集细胞体的部分叫作灰白质，因为颜色就是灰色的组织。另外，轴索聚集的部分泛白，称为白质。如图1.5.17所示，大脑皮质的下面呈白色，白色的区域布满了配线。大脑中白质的体积几乎和灰白质的体积相等。但是，白质的消耗能量较小，脑消耗的能量的95%都被灰白质用掉了，也就是说，信号传播几乎不消耗能量。

4）神经细胞的种类。说来都是神经细胞，实际上有非常多的种类。如图1.5.18所示，单极神经细胞只有一个神经突起，双极神经细胞有两个突起，有三个以上突起的神经细胞叫作多极神经细胞，这种多极神经细胞居多数。呈树状突起的形态也有许多种，如金字塔般伸展的细胞叫作椎体细胞，等方向辐射伸展的细胞叫作星状细胞。

进一步分析，按功能来分类也有很多种类。例如，感觉神经元（neuron），对声音和光线等有敏感反应，把外界的信息传递到神经网络中去；运动神经元，能够把信息传到肌肉里产生运动。但是，几乎所有的神经元都称为媒介神经元，无论是感觉神经元，还是运动神经元，它们和外界环境没有直接的连接点，在神经网络上相当于“中间层”或者“隐蔽层”。

（2）作为信息处理系统的人脑的设计思想 世界人口约有70亿，人脑的神经细胞数（100亿个）都在同一数量级，此处，把人间社会上一个人的作用作为范例，尝试讨论研究神经网络的特征。

最新的研究发现，一个神经细胞的活动，居然会影响整个神经网络。例如，人脑分管感觉信息的部分，只要有几个神经细胞同时在活动时就会产生感觉。以人类社会来做比喻的话，相当于只要有几个人同时呼喊的话，居然全世界都听到了声音。在神经网络上，是一个一个的神经细胞为主在发挥机能呢；还是即使数量很少，但只要有几个神经细胞的同步活动，就能够通过神经网络上类似复杂的电气回路配线，产生激剧的功能增幅放大效应呢？

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图1.5.17 大脑皮质的断面图

图1.5.18 神经细胞的种类

一般的想法是：从10¹⁰个细胞数量来说，每个神经细胞都有其功能，拿走一个少一个功能。然而，神经细胞容易损坏，事实上，人脑的神经细胞，有人试算过，大约1s损失1个。那么，1h损失3600个，1天9万个，1年3000万个，80年间损失25亿个神经细胞。基本上神经细胞的个体一生都没有替换更生。因此，脑在一生中损失掉了1/4的神经细胞。这个损失，也许不能无视。这样大量的神经细胞以损坏作为前提来思考的话，如果给1个神经细胞承担太重要的功能责任的话，风险是很大的。从经验上来说，随着年龄的增长，人们的记忆力和判断力会有所下降，其原因当然与神经细胞的死亡数量有关，就是说，痴呆型病症（阿尔茨海默式认知病）公认与神经细胞的坏死有关，此病的罹患率在美国，65～74岁的人群为1.6%，85岁以上的达40%，随年龄的增加而呈指数函数的倍率增加。

因此，脑的信息处理的基础应当不是神经细胞个体的表演艺术，而应该是许多神经细胞群体的表演艺术，虽然面对如此漫长人生的活动分散处理，一个个神经细胞的功能消退，神经网络功能仍能保持一定程度的可靠性和忍耐性，但超过一定数量的神经细胞坏死之后，系统一定会呈现出致命的缺陷。从对实物忍耐性和长期性的观点来看，作为信息系统的脑的“设计思想”，和人造CPU（计算机中央处理器）是不一样的。

人的一生有两个时期，一是婴幼儿时期，二是老年时期。前者是智力增长体力增长时期，后者是智力退化体力消亡时期，脑的诞生和消亡也必然与此合拍。脑科学的研究，虽然和对机器的研究不一样，但机器也有诞生和消亡的过程，也有寿命之说，两者的研究还是有共性的，进化上也有相似之处。

（3）脑皱纹的意义 猫、猴子和人等的脑皮层上有皱纹，但是如老鼠那样的下等哺乳类动物的脑皮层没有皱纹。也许，在进化的过程中由于神经细胞数量增加，而头盖骨的收容空间有限，通过皱纹可以增加脑皮层的表面积。实际上，如果对遗传基因进行操作，是可能增加神经细胞的数量的。这样一来，就是老鼠的脑也可以有皱纹。实验证明，果然如此，想进一步表明的是，脑皱纹的图案藏有什么玄机呢？

皱纹的山顶叫脑回，山谷叫脑沟。人和动物实验，脑回和脑沟都标有名称，同种动物的脑回和脑沟的图形相似，这是众所周知的，但是，这样把神经细胞收容聚集的脑皮质，都按照一样的折皱图形，特别令人费解。当然，具有共通的特征之外，据报告也存在各种各样的个体差异，而这种个体差异又是如何产生的呢？

脑皱纹和生物的机能有什么关系吗？

一种令人关心的假说是，皮质皱纹的图形反映出脑内的配线。当两个部位以轴索连接起来时，产生了张力。一根轴索的张力是很小的，只有1.5nN左右，白质的无数的轴索连接会产生可观的弯矩，因此，连接强的地方形成脑回，弱的地方形成脑沟（图1.5.19a）。也许，基本的配线图是从遗传而来的，结果皮质皱纹的图形也就一样了。再对脑的发达过程进行研究，随着脑内配线的增加，皱纹也增加（图1.5.19b）。由于每个配线的强度存在个体差别，所以脑皮质皱纹的图形也会产生个体差别。

最近，采用磁场共振法（MRI）对脑的形状进行详细的测量，研究脑的形状和高次元机能之间有何关系的活动也在开展。例如说“因为您这里的脑沟较长，因此有可能语言能力很发达。”尽管脑的形状与机能预测有关的说法很奇妙，但从理解脑形状的个体差别与脑内配线有关的道理上也还是说得通的。

图1.5.19 脑皱纹

a）脑皱纹进行配线 b）胎儿的脑皱纹

短评：神经信号的传播速度和人的步行速度相等。

在人脑内，轴索纤绕连接，如此复杂的配线网内，所谓活动电位的脉冲神经信号纵横无尽地穿行，这样的想象并不过分。轴索很细，直径只有1μm，由于弯曲扭转复杂，捕捉轴索内信号传播的状况曾是困难的。在边长为2mm的矩形面积上配置1万个以上的计测点CMOS电极阵列，在其上培养神经细胞，捕捉细胞轴索内活动电位传播的状况，在世界上首次获得了成功，如图1.5.20所示。

图1.5.20 轴索不同位置的活动电位传播速度

a）CMOS电极阵列上用荧光来标识的神经细胞。用市松形状表示电极图案。这个电极阵列的电极直径只有8_μm，电极间距离最小为18μm b）实际测量在轴索上传播的活动电位的传播速度 c）活动电位的波形 d）活动电位传播速度的实测值

结果：活动电位传播速度的实测值为0.2～1.5m/s。光与电的速度（3×10⁸m/s）每秒可绕地球7.5圈，而脑内信号在神经上的传播只和人的步行速度差不多，根本不能和光与电的速度相比。而且，即使在同样的轴索内，地点不同，传播速度也不同，在细胞体附近的较粗轴索上，比轴索尾端较细部分的速度平均要快3.7倍左右。就像公路上的汽车，路宽的地方跑得快，路窄的地方就跑得慢。电线或者光纤内的光电速度却一直是一样的。经过长时间的试验，人们还认识到，即使是轴索的同样位置，日期不同，活动电位的传播速度也在变化。

这样，通过轴索传播的神经信号，不像在电气回路里传递电气信号那样稳定，非常随机变化。但是，活动电位的传播速度的大幅变化，轴索作为能动的元件，也许正因为此，才能对脑内的信息处理产生巨大影响。例如，由于神经细胞能够同时接受许多的输入信号，从而容易发生活动电位，也许轴索巧妙地对输入时机进行控制。现在的脑科学，对这样的假说的验证才刚刚开始，将轴索单纯地作为配线的思考已经落伍了。