人类四大科学难题之一：大脑之谜
本文选自量子科学微信公众号
人类的大脑是迄今我们已知结构最复杂、组织最精细的物质，是宇宙中进化最完美、功能最奇妙的系统和生命表现形式。我们对其了解依然非常有限，大脑之谜与物质结构、宇宙演化、生命起源并列为人类四大科学难题。
大脑有大约140亿个神经元，虽然质量上只占了人体的2%左右，但血液循环量占心脏排出量的20%，氧气消费量占全身的20%，葡萄糖的消耗量更是占25%。
大脑神经元有大约140亿个
同样，大脑掌管的人体也是一个极其复杂的系统，由1000的9次方（即 1后面有27个0）个原子组成，细胞总数超过100万亿个（细胞就像是身体，具有神经中枢，感知，繁殖，消化吸收等基本功能），血管总长度约16万公里；人每行走一步，要调动约200块肌肉。人类的手指是极其敏感的传感设备，可以感知到小到13纳米的物体。可以想象，如此复杂的系统需要一个具备多么强大运算能力的指挥中心。
人的大脑是一个复杂且拥挤的神经“高速公路”，拥有数以十亿计的神经元，每个神经元都和数千神经元相联系。要弄清大脑如何产生思维、行动、情感以及最关键的意识，即便对最聪明的科学家而言也是困难的。
英国广播公司播出的《人体探秘》(Inside the Human Body)将目光聚焦人类的大脑。大脑是我们最为复杂的构件，以下是有关人类大脑的十大最引人注目的真相。
1.大脑是人类最复杂的构件，需要近20年时间才能发育成熟。
2.在母亲的子宫内，胎儿每秒钟长出8000个新大脑细胞。
3.出生时的脑细胞数量就已能够满足我们一生所需。
4.人脑是宇宙中已知最复杂的东西。
5.新生儿在短短几小时后就能识别母亲的面部。
6.子宫内的胎儿也是有视力的，但看到的都是黑白影像。胎儿的眼睛极为敏锐，能够探测到穿过母亲腹部的微弱光线。
7.人类每分钟可眨眼20次，每次持续半秒钟左右。如果将每天的眨眼时间加在一起，我们将有一个多小时在黑暗中度过。
8.每个大脑细胞平均可与其他脑细胞之间建立1万个连接。
9.负责掌握平衡和身体协调能力的大脑区域极为复杂，所含有的脑细胞数量是其他区域的总和。
10.泰国的小潜水员们从小就训练眼睛，他们的虹膜在水下时会收缩而不是扩散，从而在水下实现聚焦。如果在很小的时候就接受训练，所有孩子都能具备这项技能。
加利福尼亚大学尔湾分校的神经学家诺曼·温伯格说：“如果我们搞懂了大脑，就能明了大脑在人类的思维、情感、理性和爱情等方面的潜力和限制。”
杜克大学认知神经科学中心的斯科特·胡特尔说：“在已知的宇宙中，人类的大脑是最复杂的东西，它复杂得让试图解释它的简单模型可笑，让精致的模型无用。”脑科学研究的客观障碍在于人们只能纸上谈兵。他们研究的是大脑自身，所以不可能超越自身的大脑及经验。
胡特尔说：“更糟糕的是，我们都认为，通过自身体验，至少能够理解自己的大脑。但我们的主观体验在指导我们搞懂大脑如何运作这种事情上，是非常蹩脚的向导。”
安德斯·嘉姆是丹麦哥本哈根大学的一位生物学家，他用水母做模型，研究人的神经系统处理视觉信号的过程。他说：“人的大脑是否能理解它自己，是最古老的哲学问题之一。”
在直接“观察”人类大脑并获得客观认识上，科学家已经取得了一些进展。
近年来，脑成像技术使科学家能够观察活的、正在运作的大脑，由此确认有多少神经元核团在发挥作用。
科学家已经精确地找到大脑中负责特定任务的不同中心，比如从危险处境中脱身、处理视觉信息、做些美梦以及长期记忆的存储等。但在领会神经元网络如何相互协作以完成这些任务方面，科学家依然一片茫然。
“当我们学习、记忆或者做其他事情时，一般都包含看、听、动等多方面能力，神经元核团是如何组织这样的功能网络的？对这类问题，我们一直缺乏有效的研究手段。”温伯格说。
此外，成群结队的脑细胞有时候还会产生相当复杂的行为和情感，如利他主义、悲伤、移情作用以及愤怒。
胡特尔和他的同事试图利用磁力共振影像扫描仪找到大脑中与利他行为有关的区域。他说：“搞懂是什么激励着人们成为特瑞莎修女这样的无私奉献的人物， 不一定非得研究大脑的功能，但这些研究可以对我们追寻重要的社会性行为的起源提供线索。”
“意识”这一概念是脑研究中最重要的问题。当你注视一幅绘画作品时，你意识到它的存在。你的思维处理着它的颜色和形状，与此同时，视觉印象还会激起你的情感和思考。这种主观的感悟和知觉就是意识。
许多科学家认为，正是意识把人类和其他动物相互分隔。因此，与其认为是认知过程主宰着我们的行为（我们并不知道是否如此），还不如说是我们意识到了思维本身——我们知道“我们知道”。
神经科学家说，如果意识扭曲之谜被解开，即我们知道“我们知道”，将引发一个让人同样困惑的问题：究竟为什么会存在意识？
最后，温伯格总结道：“搞懂了大脑，才能让我们明白自己究竟何以为人。”
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