“寸土寸金”的大腦是如何高速處理信息的？

大腦是一個寸土寸金的處所。所以它像曼哈頓高樓的建筑師一樣三維建樓，極盡所能地高效率操縱有限的空間。分歧于我們的祖先，人類的大腦溝壑縱橫，而不是一層扁平的細胞——這種有機的折紙布局讓容量有限的顱腔可以塞下更多神經元。

可是如同任何擁擠城市里必然存在交通堵塞一樣，擁擠的大腦里也需要適合遠距離傳輸的交通體例——閃亮的白色纖維束就起到了高速公路的感化，毗連腦中的各個區域。不外在每個區域內，神經元的分布更著重于提高局部信息傳遞的效率。在統一個區域內，神經元的勾當表達信息，相鄰的神經元表達相鄰的事物：相鄰的身體部位、視野中相鄰的區域或相鄰的空間位置等。是以，大腦就像個地圖冊。它包含良多地圖——身體的、視覺宿世界的、我們糊口的空間的。大腦工作時，一個神經元表達的抽象信息與它的物理位置之間紛歧定要有任何干聯，但因為表達相似信息的細胞老是需要互相溝通，所以把它們放在一路可以削減通信耗損。

固然人類在進化過程中早就學會操縱這些腦地圖，科學家們卻直到不久前才意識到它們的存在。19宿世紀下半葉，神經學家約翰·休林斯·杰克遜（John Hughlings Jackson）剛起頭思疑活動節制在大腦皮質中的類地圖布局時，整個科學界都站在他的對立面。那時連“每個大腦皮質區域對應特定功能”的說法都沒有人提出過，更別提這些區域的內部布局了。

囿于那時神經記實手藝的不發財，杰克森在細心不雅察癲癇爆發在病人身體上的舒展趨向后，才繪制出了精妙的“地圖”。例如，從面部起頭爆發的癲癇會標的目的手臂成長；肇端于腿部的則會標的目的上舒展。每次爆發的部位都按照特定的挨次移動，且從來沒有跳過中心的部位或是往返切換。杰克森是以揣度，代表人體各部位的皮質區域必然是按照特定挨次擺列的。最終，他的預感被證實了：電擊活動皮層的分歧部位簡直會激發分歧人體部位的勾當。近代幻肢綜合征的研究中也用到了與他近似的方式：臨床大夫們發現因為代概況部和手部的大腦部位相鄰，面部的動作可以引起被截除手臂中的幻肢痛。

分歧地域的地圖是按照它們的功用繪制的，具體水平也是以分歧：郊區或鄉下圖標很少，但城市的細節可能切確到了每一步——大腦中的地圖也一樣。在活動皮質中，掌管某一個身體部位的面積由這個部位的用處決議，而不是它的巨細。體積小但很是有效的身體部位，好比說手，就被分派了良多神經元來節制，不像只有小小一片皮質負責的上臂。神經科學家們用這些信息締造出了一個“皮質小人”：他的身體部位巨細和人體大腦中每個部位擁有的皮質面積當作正比。因為有著極細的四肢與龐大的嘴唇、雙手，他看起來可能很嚇人。這種怪誕好笑的形象描畫了大腦是若何描畫身體的，所以素質上其實就是“地圖的地圖” 。皮質小人同時也提醒了我們，大腦沒有義務寫實地描畫事物——現實用處才是最主要的。

_{這個小人展示了負責分歧身體部位感受處置的大腦部位的相對比例。注重占比尤其大的手和面部。（Wikimedia Commons）}

這些身體模子證實了腦中地圖的存在。但發現腦中地圖不是特例而是遍及現象的價格是戰爭，和新研制的戰爭兵器帶來的粉碎。在1905年的俄日戰爭中，眼科醫師井上達二（Tatsuji Inouye）曾負責查抄退役甲士的傷情，并以此決議津貼額度。他在這個職位上見識了分歧種類的頭部創傷，是以有機遇研究分歧區域毀傷的影響。他在不雅察選擇性掉明的紀律后揣度，視覺空間在大腦中位置的擺列是有層次，卻或許反直覺的。視界的下半部門被投射到視覺皮層的上半部門，反之亦然，中心由一條叫距狀裂的深槽離隔；我們的擺布視界也是交換的——右側傳來的圖像由大腦左半球解析。

正如之前說到的，主要的身體部位在大腦地圖里占更大位置。很大一部門視覺皮層都負責中心視覺，只處置視網膜中間一個小點收到的信息。第一次宿世界大戰時代，英國神經學家戈登·福爾摩斯（Gordon Holmes）在研究良多視覺區域受損的士兵后證實了井上的發現——這或許是因為英式高頭盔的設計正好表露出枕葉地點的大腦底部。

顛末幾十年的研究，此刻我們可以確定視覺皮層中每個神經元都對應特定的視覺空間區域。是以，當良多這樣的神經元堆積到一路時，“視網膜拓撲映射”就形當作了視覺空間地圖。

可是這個地圖中還套著別的一個地圖：它的呈現是因為神經元不僅接管特定視覺區域的刺激，對特定的視覺信息模式也有分歧的反映。在視覺信息處置過程的早期，模式可以指分歧的偏向：有些神經元在我們看到程度線時興奮，有些則只對垂直的線作出反映。視覺皮層中有相似優先反映偏向的神經元現實上也挨在一路。若是給每個神經元按照對應的視覺偏向染色，視覺皮層上會呈現一塊塊像彩虹漩渦的圖案：優先識別豎線（由綠色暗示）的細胞群會和另一群更青睞斜線（由藍色暗示）的細胞無縫交界，以此類推。各個偏向交代的點會呈現出風車的外形，就像猶他州、科羅拉多州、新墨西哥州和亞利桑那州交代處的四角落州紀念處一樣，代表分歧皮質區域的會聚。

有了偏向地圖的幫忙，大腦運用本不是三維的信息描畫出了三維宿世界。這也是大腦經常運用的一種制圖體例。例如，耳蝸（內耳中的一個小小的蝸牛狀布局）中分歧的空間位置接管分歧頻率的聲波。高頻聲波刺激耳蝸一側的細胞，低頻聲波則刺激另一側的細胞。這種對分歧調子的初始物理分隔在聽覺系統中可以形當作“頻次制圖法”。

_{人造神經收集與我們大腦中的生物收集道理不異，而且用近似的方式解決復雜的問題。（Wikimedia Commons）}

因為大腦中處處都在經由過程地圖領會外面的宿世界，我們可以揣度地圖的感化或許不只是提高連通效率。地圖令人贊嘆的無處不在簡直開導了計較科學家們去挖掘更多這種布局在計較上的功能。托伊沃·科霍寧（Teuvo Kohonen）在1982年提出了自組織地圖的概念：一種經由過程將三維折疊為二維來更簡練地表達復雜和多樣化信息的算法。好比說，我們可以只用甜度和酸度來描述紅酒的味道，而輕忽其他更難分辨的口感。建造這個新的模子時，自組織地圖算法會識別出已有信息中最合適的特征。是以，大腦中的地圖或許可以被看作更深條理計較過程的可見標識——這個計較過程以識別并解讀領受到的信息中最合適的特征為方針。

但若是大腦接管到的信息貌似不成折疊，很難定位，或位置間自己沒有所謂“相鄰”的關系怎么辦？神經科學家們研究氣息時就碰到了這種問題。氣息分子組成里的細小差別可以對我們聞到的氣息發生龐大的影響——比如說把好聞的紅糖味釀成臭黃油味。所以大腦到底應該按照氣息分子的外形仍是味道繪制地圖，或是兩者的某種連系？謎底并沒有在掌管味覺的大腦區域找到，因為它們的分布似乎并無邏輯。運用現有的科學常識可以揣度的是，我們需要從氣息中提取的信息太多樣，以至于單一的腦中制圖是不成能的。是以，到今朝為止氣息的地圖還無法被描畫出來。

就算有可能還原出一個簡單的類地圖模版，這個模版也沒那么輕易找到。有些動物，好比貓和靈長目動物的大腦中簡直有前面提到過的對應特定偏向的漩渦，但其他以嚙齒類為例的動物就沒有——它們腦中相鄰神經元的優先反映偏向并無聯系關系。甚至，視網膜拓撲映射已經被龜類裁減了。這些物種間的差別，和這些差別對視覺功能的影響背后的原因今朝尚不明白。

可是，我們也可以用破例反證法則：意識到某一個地圖的缺掉是因為它的存在如斯理所該當。有邏輯的神經元擺列如斯遍及，而且它們的存在如斯易于識別，以至于我們對任何異常都感應不克不及接管。所以，地圖比方已經當作為了科學路程中的主要指南，率領神經科學家們繼續摸索大腦。

_{作者：Grace Lindsay|封面：Davide Bonazzi}

_{譯者：Lemona|審校：Vivian}

_{排版：酸酸}

_原文：