“寸土寸金”的大脑是如何高速处理信息的？

大脑是一个寸土寸金的处所。所以它像曼哈顿高楼的建筑师一样三维建楼，极尽所能地高效率操纵有限的空间。分歧于我们的祖先，人类的大脑沟壑纵横，而不是一层扁平的细胞——这种有机的折纸布局让容量有限的颅腔可以塞下更多神经元。

可是如同任何拥挤城市里必然存在交通堵塞一样，拥挤的大脑里也需要适合远距离传输的交通体例——闪亮的白色纤维束就起到了高速公路的感化，毗连脑中的各个区域。不外在每个区域内，神经元的分布更着重于提高局部信息传递的效率。在统一个区域内，神经元的勾当表达信息，相邻的神经元表达相邻的事物：相邻的身体部位、视野中相邻的区域或相邻的空间位置等。是以，大脑就像个地图册。它包含良多地图——身体的、视觉宿世界的、我们糊口的空间的。大脑工作时，一个神经元表达的抽象信息与它的物理位置之间纷歧定要有任何干联，但因为表达相似信息的细胞老是需要互相沟通，所以把它们放在一路可以削减通信耗损。

固然人类在进化过程中早就学会操纵这些脑地图，科学家们却直到不久前才意识到它们的存在。19宿世纪下半叶，神经学家约翰·休林斯·杰克逊（John Hughlings Jackson）刚起头思疑活动节制在大脑皮质中的类地图布局时，整个科学界都站在他的对立面。那时连“每个大脑皮质区域对应特定功能”的说法都没有人提出过，更别提这些区域的内部布局了。

囿于那时神经记实手艺的不发财，杰克森在细心不雅察癫痫爆发在病人身体上的舒展趋向后，才绘制出了精妙的“地图”。例如，从面部起头爆发的癫痫会标的目的手臂成长；肇端于腿部的则会标的目的上舒展。每次爆发的部位都按照特定的挨次移动，且从来没有跳过中心的部位或是往返切换。杰克森是以揣度，代表人体各部位的皮质区域必然是按照特定挨次摆列的。最终，他的预感被证实了：电击活动皮层的分歧部位简直会激发分歧人体部位的勾当。近代幻肢综合征的研究中也用到了与他近似的方式：临床大夫们发现因为代概况部和手部的大脑部位相邻，面部的动作可以引起被截除手臂中的幻肢痛。

分歧地域的地图是按照它们的功用绘制的，具体水平也是以分歧：郊区或乡下图标很少，但城市的细节可能切确到了每一步——大脑中的地图也一样。在活动皮质中，掌管某一个身体部位的面积由这个部位的用处决议，而不是它的巨细。体积小但很是有效的身体部位，好比说手，就被分派了良多神经元来节制，不像只有小小一片皮质负责的上臂。神经科学家们用这些信息缔造出了一个“皮质小人”：他的身体部位巨细和人体大脑中每个部位拥有的皮质面积当作正比。因为有着极细的四肢与庞大的嘴唇、双手，他看起来可能很吓人。这种怪诞好笑的形象描画了大脑是若何描画身体的，所以素质上其实就是“地图的地图” 。皮质小人同时也提醒了我们，大脑没有义务写实地描画事物——现实用处才是最主要的。

_{这个小人展示了负责分歧身体部位感受处置的大脑部位的相对比例。注重占比尤其大的手和面部。（Wikimedia Commons）}

这些身体模子证实了脑中地图的存在。但发现脑中地图不是特例而是遍及现象的价格是战争，和新研制的战争兵器带来的粉碎。在1905年的俄日战争中，眼科医师井上达二（Tatsuji Inouye）曾负责查抄退役甲士的伤情，并以此决议津贴额度。他在这个职位上见识了分歧种类的头部创伤，是以有机遇研究分歧区域毁伤的影响。他在不雅察选择性掉明的纪律后揣度，视觉空间在大脑中位置的摆列是有层次，却或许反直觉的。视界的下半部门被投射到视觉皮层的上半部门，反之亦然，中心由一条叫距状裂的深槽离隔；我们的摆布视界也是交换的——右侧传来的图像由大脑左半球解析。

正如之前说到的，主要的身体部位在大脑地图里占更大位置。很大一部门视觉皮层都负责中心视觉，只处置视网膜中间一个小点收到的信息。第一次宿世界大战时代，英国神经学家戈登·福尔摩斯（Gordon Holmes）在研究良多视觉区域受损的士兵后证实了井上的发现——这或许是因为英式高头盔的设计正好表露出枕叶地点的大脑底部。

颠末几十年的研究，此刻我们可以确定视觉皮层中每个神经元都对应特定的视觉空间区域。是以，当良多这样的神经元堆积到一路时，“视网膜拓扑映射”就形当作了视觉空间地图。

可是这个地图中还套着别的一个地图：它的呈现是因为神经元不仅接管特定视觉区域的刺激，对特定的视觉信息模式也有分歧的反映。在视觉信息处置过程的早期，模式可以指分歧的偏向：有些神经元在我们看到程度线时兴奋，有些则只对垂直的线作出反映。视觉皮层中有相似优先反映偏向的神经元现实上也挨在一路。若是给每个神经元按照对应的视觉偏向染色，视觉皮层上会呈现一块块像彩虹漩涡的图案：优先识别竖线（由绿色暗示）的细胞群会和另一群更青睐斜线（由蓝色暗示）的细胞无缝交界，以此类推。各个偏向交代的点会呈现出风车的外形，就像犹他州、科罗拉多州、新墨西哥州和亚利桑那州交代处的四角落州纪念处一样，代表分歧皮质区域的会聚。

有了偏向地图的帮忙，大脑运用本不是三维的信息描画出了三维宿世界。这也是大脑经常运用的一种制图体例。例如，耳蜗（内耳中的一个小小的蜗牛状布局）中分歧的空间位置接管分歧频率的声波。高频声波刺激耳蜗一侧的细胞，低频声波则刺激另一侧的细胞。这种对分歧调子的初始物理分隔在听觉系统中可以形当作“频次制图法”。

_{人造神经收集与我们大脑中的生物收集道理不异，而且用近似的方式解决复杂的问题。（Wikimedia Commons）}

因为大脑中处处都在经由过程地图领会外面的宿世界，我们可以揣度地图的感化或许不只是提高连通效率。地图令人赞叹的无处不在简直开导了计较科学家们去挖掘更多这种布局在计较上的功能。托伊沃·科霍宁（Teuvo Kohonen）在1982年提出了自组织地图的概念：一种经由过程将三维折叠为二维来更简练地表达复杂和多样化信息的算法。好比说，我们可以只用甜度和酸度来描述红酒的味道，而轻忽其他更难分辨的口感。建造这个新的模子时，自组织地图算法会识别出已有信息中最合适的特征。是以，大脑中的地图或许可以被看作更深条理计较过程的可见标识——这个计较过程以识别并解读领受到的信息中最合适的特征为方针。

但若是大脑接管到的信息貌似不成折叠，很难定位，或位置间自己没有所谓“相邻”的关系怎么办？神经科学家们研究气息时就碰到了这种问题。气息分子组成里的细小差别可以对我们闻到的气息发生庞大的影响——比如说把好闻的红糖味酿成臭黄油味。所以大脑到底应该按照气息分子的外形仍是味道绘制地图，或是两者的某种连系？谜底并没有在掌管味觉的大脑区域找到，因为它们的分布似乎并无逻辑。运用现有的科学常识可以揣度的是，我们需要从气息中提取的信息太多样，以至于单一的脑中制图是不成能的。是以，到今朝为止气息的地图还无法被描画出来。

就算有可能还原出一个简单的类地图模版，这个模版也没那么轻易找到。有些动物，好比猫和灵长目动物的大脑中简直有前面提到过的对应特定偏向的漩涡，但其他以啮齿类为例的动物就没有——它们脑中相邻神经元的优先反映偏向并无联系关系。甚至，视网膜拓扑映射已经被龟类裁减了。这些物种间的差别，和这些差别对视觉功能的影响背后的原因今朝尚不明白。

可是，我们也可以用破例反证法则：意识到某一个地图的缺掉是因为它的存在如斯理所该当。有逻辑的神经元摆列如斯遍及，而且它们的存在如斯易于识别，以至于我们对任何异常都感应不克不及接管。所以，地图比方已经当作为了科学路程中的主要指南，率领神经科学家们继续摸索大脑。

_{作者：Grace Lindsay|封面：Davide Bonazzi}

_{译者：Lemona|审校：Vivian}

_{排版：酸酸}

_原文：