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Brain

脑作为一个器官,是所有脊椎动物和大部分无脊椎动物都具有的神经系统中心。它位于头部,通常靠近感觉器官,如视觉器官。脑是脊椎动物身体中最复杂的器官。人类的大脑皮质包含大约140-160亿神经元,小脑中包含大约550-700亿神经元。每一个神经元都通过突触和其他数千个神经元相连接。这些神经元之间通过称作轴突的原生质纤维进行较长距离互相联结,可以将一种称作动作电位的冲动信号,在脑的不同区域之间或者向身体的特定接收细胞传递。

从生理上来说,脑的功能就是控制身体的其他器官。脑对其他器官的作用方式,一是调制肌肉的运动模式,二是通过分泌一些称为荷尔蒙的化学物质。集中的控制方式,可以对环境的变化做出迅速而一致的反应。 一些基本的反应,例如反射,可以通过脊髓或者周边神经节来控制,然而基于多种感官输入,有心智、有目的的动作,只有通过脑中枢的整合能力才能控制。

关于单个脑细胞的运作机制,现今已经有了比较详细的了解;然而数以兆亿的神经元如何以集群的方式合作,还是一个未解决的问题。现代神经科学中,新近的模型将脑看作一种生物计算机,虽然运行的机制和电子计算机很不一样,但是它们从周围世界中获得信息、存储信息、以多种方式处理信息的功能是类似的,它有点像计算机中的中央处理器(CPU)。

本文会对各种动物的脑进行比较,特别是脊椎动物的脑,而人脑将被作为各种脑的其中一种进行讨论。人脑的特别之处会在人脑条目中探讨,因为其中很多话题在人脑的前提下讨论,内容会丰富得多。其中最重要的,是脑疾病与脑损伤造成的后果,它会被放在人脑条目中探讨,因为人脑的大多数常见疾病并不见于其他物种,即使有,它们的表现形式也可能不同。

1. Anatomy

对于不同的物种来说,脑的形状和尺寸差别很大,要在其中找出共同的特征很困难。然而在很多物种的脑结构之间存在许多共同的规律。脑的各种结构特征中,有一部分在几乎所有动物之间都是共通的;而另外一些会出现在较“先进”的脑中,或者仅出现在脊椎动物中而不出现于无脊椎动物中。

要了解脑的解剖结构,最简单的办法就是从视觉外观着手,但是人们也发展出了更先进的技术。自然状态下的脑组织很软,很难处理,但是在酒精或者其他固化剂中浸泡之后脑组织会硬化,从而很容易切开研究其内部结构。从外观上,脑的内部分为颜色较暗的灰质和颜色较浅的白质。如果用不同的化学物质对脑组织染色,还可以显示出不同类型的分子聚集在不同的地方。还可以使用显微镜研究脑组织,追踪贯穿各个脑区域的神经联结。

1.1. Cellular Structure

所有动物的脑都是主要由两类细胞组成:神经元和神经胶质细胞。神经胶质细胞(Glial cells、glia,或称neuroglia) 分为许多种类型,承担各种重要作用,包括结构性支撑、维持新陈代谢、作为绝缘体、以及引导神经生长。神经元常常被看作脑中最重要的细胞。神经元可以将信号远程传递到特定的细胞,这是它们和其他细胞最大的区别。它们通过轴突来传递信号,轴突是一种原生质构成的纤维,通常会有许多分叉。它们从神经细胞体长出,投射到其他区域:可能是邻近的区域,也可能是脑或者身体的较远部位。轴突的长度差异极大。例如锥体细胞(脑皮质的一种兴奋性神经元),如果将它的细胞体放大到一个人的大小,那么它的轴突同比例放大之后会有几厘米粗,超过1公里长。这些轴突通过一种称为动作电位的电脉冲信号来传递信息,持续时间短于千分之一秒,在轴突中传播速度大约1-100米/秒。有一些神经元稳定地发放动作电位,每秒大约10-100次,另一些神经元在大部分时候处于静息状态,但是会偶然地发放动作电位。

轴突通过一种称为突触的特化节点来向其他神经元传递信号。一个轴突可以和多达数千个其他神经细胞形成突触联结。当一个动作电位通过轴突传递到一个突触时,它会触发释放一种称为神经递质的化学物质。神经递质会和突触后细胞膜上的受体相结合。

突触是脑的关键功能组成部分。脑的核心功能是细胞之间的联结,而突触就是产生联结的地方。人类的脑估计有1,000,000,000,000,000(10^15)个突触联结;而即使是果蝇的脑也包含几百万个突触。这些突触的功能各不相同:有的是兴奋性的(可以使突触后细胞兴奋),有的是抑制性的,还有的通过激活第二信使系统来通过复杂的机制改变突触后细胞的化学性质。许多突触都是动力学可变的,意即它们可以根据通过它们的信号形式而改变其强度。人们普遍相信,突触可塑性是脑进行学习和记忆的首要机制。

脑中的大部分空间被轴突所占据,它们常常会汇集成所谓的“神经纤维束”。一些轴突被称为髓鞘的脂质鞘状物包裹,称为髓鞘化轴突,它们的神经传导速度会大大提高。然而也存在无髓鞘轴突。髓鞘是白色的,所以脑中布满神经纤维的部分颜色较浅,被称作白质;与之相反,在神经细胞体高度聚集的区域颜色较深,被称作灰质。

1.2. Evolution

2. Development

大脑的发育是按照一个复杂而有序的阶段顺序进行的。它的形状从胚胎早期的神经索前部的简单肿胀,演变成一系列复杂的区域和连接。神经元是在含有干细胞的特殊区域产生的,然后在组织中迁移,到达它们的最终位置。一旦神经元就位,它们的轴突就会在大脑中萌生并移动,随着移动不断分叉和延伸,直到尖端到达目标并形成突触连接。在神经系统的许多部分,早期阶段会产生大量的神经元和突触,然后将不需要的神经元和突触剔除。

3. Physiology

脑的功能基于神经元将电化学信号传递给其它细胞的能力,以及神经元正确回应来自其它细胞的电化学信号的能力。神经元的膜电位受到许多生物化学和代谢过程的控制,特别是在突触发生的神经递质和受体的作用。

4. Function

从演化生物学的视角来看,脑的功能是为动物的行为提供协调的控制。一个集中化的脑可以使得肌肉组以复杂的方式协调运动,使得身体的一端受到的刺激可以引发另一端的反应,还可以防止身体的不同部分动作互相抵触。

为了产生有目的的和统一的动作,脑首先将来自感觉的信息统一传送到中央系统,然后整合这些数据以得到有关环境结构的信息。之后,它将感官信息和动物目前的需求以及过去状况的记忆结合在一起。最后,它基于这些结果产生动作回应,以使得动物获得最大回馈为目标。这一系列信息处理任务需要许多功能子系统的复杂合作。

5. Research

神经科学的领域包含所有试图理解脑和其余神经系统的工作。心理学试图理解心灵和行为,神经内科学是诊断和治疗神经系统疾病的医学分支。脑也是精神病学研究的最主要器官,它是研究和防治精神病的医学分支。认知科学试图综合神经科学、心理学和其他与脑相关的领域,例如计算机科学(人工智能与类似领域)和哲学。

6. Human brain

人脑分为左右两个大脑半球,二者由神经纤维构成的胼胝体相连。

人脑和其他哺乳动物的脑结构相似,但是容量却很不寻常,和人类相同体型的哺乳动物的比较,人的大脑要大得多,智慧的当然代价是更多能量摄取需求,造成很大的生存压力,许多人类物种因而灭绝,特别是人类在幼儿时期的大脑容量就与成人相似,不过根据考古发现人的脑容量依旧逐渐增大,对于现代人而言一天所吃下的能量有五分之一是由脑部消耗掉的,也导致了人类偏好采取熟食的消化为主。人类的大脑估计已经包含500-1000亿个神经元,其中约100亿个是皮质锥体细胞。这些细胞信号传递到对方通过多达1,000,000,000,000,000(10^15)突触连接。

6.1. Structure

人脑可以在形态学上分成下列结构:

成人脑通常重达1~1.5千克,体积平均为1,600立方厘米。个人的智商与脑的重量间没有必然的联系,而与细胞间连接的数目和有效性有关。

7. Reference


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