| 你还能更聪明吗？大脑复杂程度已触碰物理极限？ |
| 日期： 2011-8-1 11:45:07 作者： 来源： 光明日报 |
| 早在19世纪，诺贝尔生理学或医学奖得主西班牙科学家圣地亚哥·拉蒙·卡哈尔便绘制出了昆虫的神经解剖图。蜜蜂的大脑仅有几毫克重，却可与哺乳动物一样执行某些任务，比如为同伴带路、建造家园。蜜蜂的能力虽然受到神经元数量的限制，但它们却可将神经系统的功能发挥到极致。 大象大脑体积是蜜蜂的500万倍，但运行效率极其低下。神经信号从大脑的一端传到另一端，以及从大脑传到脚趾间所需要的时间，均是蜜蜂的100倍。 人类的大脑可能不像大象或蜜蜂那么极端，但人类智力同样受到了物理定律的限制。有人或许认为，只要通过进化，我们大脑中的神经元数量变多，或者神经元之间的信息交流速度加快，我们就会更聪明。但若汇总新近的一些研究，你会发现，如果大脑真朝这个方向进化，很快就会触到物理极限。 越大越灵？ 从直觉上来看，要使脑力变强，最明显的方法就是增加大脑容量。然而，大脑容量的大小显然并不是决定智力高低的唯一因素：牛的脑体积是老鼠的800倍，但牛并不见得比老鼠聪明多少。 大脑越大，神经回路越多，每个神经信号能携带的信息就更多，神经元每秒钟的放电次数就不必那么频繁。但如果为了提升智力而无限制地增加新生神经元，大脑的负担也会增加。最明显一点就是能耗增多。人类大脑仅占人体重量的2%，但即便在我们休息时，它所消耗的能量也占到人体总能耗的20%。在新生儿中，这个比例更是达到惊人的65%。 科学家发现，神经元确实会随着脑容量的增大而变大，但神经元之间却并不能迅速建立连接；神经元连接点也确实会增粗，但增粗速度却不足以弥补传导路径变长导致的信息传递延迟。换句话说，脑容量增大的那部分更多是用于建立神经元间的连接，而不是真正为负责处理信息的神经元提供空间。 物理极限 如果神经元之间以及脑区之间的交流是限制智力发展的瓶颈，那么朝着小型化方向进化应该会构成一个更聪明的大脑吧？ 但是，还有种东西的存在使神经元无法变小，你可以把它称作“终极局限”：这就是离子通道，神经元用来产生电脉冲的那些蛋白质，它们天生就不稳定。 离子通道都是微型阀门，当它们打开时，钠、钾、钙离子会通过细胞膜，进入神经元，产生电信号，神经元之间才能交流。然而科学家们发现离子通道的开或关完全是随机的，会产生一些无意义的神经“噪音”。 听起来，这像是一个可怕的进化缺陷，但实际上，这是一种折中方案。“如果通道太松，会产生很多‘噪声’，使它会不停地开开关关；但如果通道太紧，却需要耗费更多能量才能控制通道的开关。换言之，神经元用这种“一触即发”的离子通道来节省能耗，其代价是通道不稳定。所以，神经元上必须保持足够多的离子通道，以某种“民主投票”的形式（多数通道保持一致才能决定开关）来保证相对稳定。 目前，在大脑中，最细的神经元连接点上，可能发出的噪音信号已经达到每秒6次，如果再将它们的直径哪怕缩小一点点，离子通道再少一点点，它们发出噪音的次数就可能超过每秒100次。所以说，我们大脑神经元的直径，已经非常接近物理极限。 进化困境 信息、能量和噪声之间的这种最基本的折中方案并不限于生物学。从光纤通信、无线电传输到电脑芯片，这种机制都适用。晶体管的作用和离子通道类似，同样控制着电信号的通断。几十年来，工程师设计出的晶体管越来越小，塞在芯片上的晶体管越来越多，计算机的运行速度也越来越快。在最新一代的芯片上，晶体管的直径是22纳米。在这种尺度下，在晶体管中均匀掺入硅元素已经变得非常困难。当晶体管的直径持续变小时，稳定性最终会无法保障。 这时，工程师也许会回到绘图板，用一种全新的技术重新设计芯片，以避开当前的这种限制。但生物进化不可能重新开始：它必须在既定规则下，使用在过去5亿年里出现的“零件”来进行。“不能退换，只能修补”——这是我们无法摆脱的困境。 此外，还有一个原因让人怀疑人类大脑能否通过一次进化上的飞跃变得更聪明。地球生物本来有很多进化方向可以选择，但6亿年后，蜜蜂、章鱼、乌鸦和聪明的哺乳动物虽然长得千差万别，但它们视觉、听觉、嗅觉、情景记忆和方向感背后的神经回路构成却惊人地相似。这种进化上的趋同性说明，解剖学或生理学上的某种解决方案已趋近成熟，很少有改进的余地了。 突破方向 那么，在现有构建模块下，我们大脑的复杂程度是不是已经触碰到物理极限？科学家指出，大脑功能可能受到了一些硬性限制，如同光速受到的限制一样。“就好像你碰到了收益递减规律”，“虽然投资得越来越多，但收益却越来越小”。我们的大脑中仅能容纳这么多神经元，神经元之间只能建立这么多连接，这些连接每秒钟所能承载的电信号也就这么多。而且，如果我们的体型和大脑变得更大，我们会在能耗、散热上付出更多代价，神经信号从一个部位传到另一个部位也要浪费更多时间。 尽管如此，除了进化之外，人类可能还有更好的智力提升方法。毕竟，蜜蜂和其他群居昆虫做到了这一点：蜂巢里的蜜蜂们行动一致，形成了一个集体，而集体智慧要大于单个蜜蜂的智慧的总和。人类也是如此，通过社会交往，我们已经学会了将自己与他人的智慧融和起来。 而且，我们还有科学技术。几千年来，书面语言让人们可以在体外储存信息，不再局限于大脑记忆。也许有人会说，互联网将会终结智力向体外扩展。从某种意义上讲，这可能是正确的，就像有些人说的那样，互联网使人变得愚钝：人类的集体智慧——文化和计算机——可能最终会削弱个人智慧向前发展的动力。撰文 道格拉斯·福克斯 翻译 栾兴华 中英文对照导读 Human intelligence may be close to its evolutionary limit. Various lines of research suggest that most of the tweaks that could make us smarter would hit limits set by the laws of physics. 人类的智力可能已经接近极限，无法进化到更高层次了。各种证据都表明，大多数通往更高智力层次的进化途径都已被物理定律堵死。 Brain size, for instance, helps up to a point but carries diminishing returns: brains become energy-hungry and slow. Better “wiring” across the brain also would consume energy and take up a disproportionate amount of space. 就拿大脑容量来说，容量越大，智力层次也越高，但大脑容量增大却有一个反作用：大脑会消耗更多的能量，运行速度也会变慢。大脑内，更好的神经连接也需要消耗能量，不成比例的占据大脑空间。 Making wires thinner would hit thermodynamic limitations similar to those that affect transistors in computer chips: communication would get noisy. 如果大脑中的神经连接变多变细，就会碰到热力学极限，正如计算机芯片上的晶体管所遇到的问题一样：容易产生“噪音”。 Humans, however, might still achieve higher intelligence collectively. And technology, from writing to the Internet, enables us to expand our mind outside the confines of our body. 不过，人类仍可能达到更高的智力水平，而且借助一些现代技术，比如写作和网络，我们可以使智力不受身体限制。 |
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