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          來源：科學網

【摘要】：人類的神奇常常歸結于一個智慧的大腦以及貫穿于其中的無比復雜的神經網絡，并認為這源自上帝之手，但其實它并不是無中生有的，而是自然演化的產物，雖然是一個無與倫比的杰作，但人的大腦依然留有祖先（種系發生）的印記。

如果我們試圖構建一個可與人腦比擬的智能系統，大腦結構的自然演化軌跡或許能給我們在智能設計時帶來一定啟示……

在動物界，神經系統經歷了從無到有、從簡單到復雜的演化過程，是多細胞動物的身體結構日益大型化和復雜化的產物。大約于5.5-6.0億年之前，在蠕蟲狀動物中首次出現了神經組織。水螅（一種刺胞動物）的神經網（nerve net）代表了一種最簡單的神經組織（圖1a）。圖1b顯示了一種真渦蟲的腦和成對的神經索，這里神經系統首次分化出周圍神經系統和中樞神經系統。圖1c顯示了蚯蚓（一種環節的蠕蟲）的腦、腹神經索、神經節和外周神經。圖1d顯示了一種甲殼動物的主神經節和內臟結締神經，這是最原始的甲殼動物，有類似于扁形動物的神經系統。但一些頭足類（如魷魚）有腦（圖1e），其行為如同魚一般復雜。圖1f是海星腕的橫斷面，從外神經系的神經終止于下神經系的表面，但兩個系統沒有接觸。

圖1 一些無脊椎動物的神經系統（引自Miller and Harley 2001）

據說，在無脊椎動物中以章魚的腦最大，可與魚腦相仿，其神經細胞數多達1.7億個，但與人腦的1千億個神經細胞相比，依然是微不足道的。盡管如此，由于章魚具有發達的眼睛和由眾多觸手組成的十分精巧的觸覺系統，因此，它被廣泛地應用于關于學習與記憶的實驗研究。

在無脊椎動物的神經系統中，腦并未占據主導地位，而在脊椎動物中，大腦結構復雜化成為進化的主流，在一些魚類和鳥類中，司職軀體平衡和運動協調的小腦高度發達（圖2）。

圖2 腦的演化（來源：HowStuffWorks）

從總的趨勢來看，在脊椎動物的演化歷程中，腦越來越發達，即越是進化（advanced）的類群，大腦的體積越大，神經之間的連接也越復雜。譬如，恐龍的大腦只有體重的1/100000，鯨魚為1/1000，大象為1/600，人類則達到了1/45，但是，也不都像我們預期的那樣，因為老鼠的大腦占到體重的1/40，美洲產的一種小型長尾猴則更是高達1/25（Myers 2004）。

在脊椎動物中，象征著智慧的大腦皮層也經歷了從無到有的過程。魚和兩棲動物缺少大腦皮層，但爬行動物和鳥類有少量的灰質覆蓋它們的大腦，大多數原始哺乳動物，如負鼠，有光滑的皮層。肉食類，如短尾貓，有較大的大腦，以及若干腦回，在靈長類動物（特別是人）中，相對于其它腦組織，大腦皮層大大增加，且高度褶皺（圖3）。皮層有“樹皮”之意，即大腦皮層像樹皮一樣包裹大腦半球。

圖3 不同脊椎動物的大腦（引自Miller and Harley 2001）

   20世紀60年代，美國神經生物學家麥克里恩（Paul D. MacLean, 1913 – 2007）提出了三位一體的大腦進化理論（MacLean's evolutionary triune brain theory），認為人類由留有進化痕跡的三個大腦（圖4）——爬行動物腦（reptilian complex）、邊緣系統（limbic system）和新皮質（neocortex）復合而成（MacLean 1990），這三個大腦作為不同進化階段的產物，依次疊加在已有的大腦層之上，如同考古遺址一樣（王邈2013）。

圖4 三位一體的人腦（修改自https://in.pinterest.com/explore/triune-brain/）

爬行動物腦也稱為古皮質（archeocortex），它由腦干—延髓、腦橋、小腦、中腦，以及最古老的基底核——蒼白球與嗅球組成。據認為，腦干是第一個發展的腦，與爬行動物的腦十分相似，但不是一個思維腦，所有信息在進入執行高級思維功能的腦區之前，都必須經過腦干，而腦干執行基本的生存功能，如控制心跳和呼吸等（Sprenger 1999）。

邊緣系統，可以稱作舊皮質（paleocortex）或中間腦（古哺乳動物腦），與大部分尤其是進化早期的哺乳動物腦相對應。邊緣系統包括下丘腦、海馬體和杏仁核等。據說，邊緣系統的功能主要是控制進食、飲水、睡眠、激素和情感等，它不斷尋求某種動態平衡，之后才會允許外部信息進入最高層次的腦區，進行邏輯推理（Sprenger 1999）。在結構上來看，邊緣系統是通向高級思維區域的一個中繼。

Hess（1932）通過刺激清醒實驗動物的邊緣系統發現，可引起恐懼和防衛反應（咆哮、發出嘶嘶聲、毛發聳立），或不管有無需求地吃喝、嘔吐、排便、排尿和性欲亢奮。Klüver and Bucy（1939）對恒河猴進行了外科手術，切除了包括杏仁核在內的部分大腦，結果一向脾氣暴躁的猴子變成了最溫順的動物，無論用針、掐或對其做任何在通常情況下引起兇猛反應的動作，它依舊平靜。隨后在猞猁、豹熊和野鼠等動物中也發現了同樣的結果。

新皮質，也稱新哺乳動物腦，占據了整個腦容量的約2/3。一般認為，新皮質負責所有高級思維，處于整個體系的最高水平。其他動物雖然也有新皮質，但相對很小，少有甚至沒有褶皺。在人腦新皮層的四大區塊中，額葉管理運動、視覺、語言以及個性特征等功能，頂葉處理感覺信息，顳葉負責聽覺和記憶，枕葉管理視覺。

麥克里恩認為，這三個腦就像三臺互聯的電腦，各自擁有獨立的智能、主體性、時空感與記憶等，并根據它們祖先的特性推斷了在人腦中的分工：在爬行動物腦操控下，人與蛇、蜥蜴有著相同的行為模式——呆板、偏執、沖動、一成不變和多疑妄想等，古哺乳動物腦則與情感、直覺、哺育、搏斗、逃避、以及性行為緊密相關，新皮質具有高階認知功能，令人類從動物群體中脫穎而出，可謂“發明創造之母，抽象思維之父”。 

人腦的復雜與神秘絕不亞于浩瀚的宇宙，我們每個人都擁有一個無比復雜的內心世界——稱之為心智或智能，但它在生理上不是神經系統的自然產物。毫無疑問，神經系統的復雜化必然導致了心智或動物意識的出現——這應該是生命世界中最神奇的事件之一。Eccles（1989）曾問，“進化過程中，心智或動物的意識是怎樣在此前無意識的世界里萌發的？動物在進化發展中體驗到的內心事件最早是什么時候？到底早在進化的哪一時刻，內心體驗的第一道曙光開始出現在漫無邊際的無意識黑暗世界里？……最后，什么是內心世界的實體形態”？

人類用這個神奇的大腦創造了自然界的最大奇跡，但我們卻不知道這個大腦是如何實現這一壯舉的。我們雖然對自己的大腦是如何工作的幾乎一無所知，但卻憑借它從森羅萬象的表象中抽象出了精致迷人的本質，進而構筑出了驚天的知識與技術體系，并邁進了超凡的智能時代，并試圖構建一個匯集生物學智慧以及由它創造的全部技術智慧于一體的智能實體，簡直就是一個超越范式與邏輯的驚天壯舉!

本文來自謝平科學網博客

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