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58靠谱吗环球科学》:人类智力已至极限

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  人类的智力将会将会接近极限,无法进化到更高层次了——多种表明,通往更高智力层次的进化途径都已被物理定律堵死。科学家还可以 找到突破极限的依据?

  道格拉斯· 福克斯是一名科学作家,目前居住在美国。他常为《新科学家》(New Scientist)、《探索》(Discover)以及《教科学箴言报》(The Christian Science Monitor)撰稿。福克斯曾获多个项,最近的一项大是由美国新闻记者与作家自学评出的重大事件报道。

  人类的智力将会将会接近极限,无法进化到更高层次了。各种都表明,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。

  就拿大脑容量来说,容量越大,智力层次也越高,但大脑容量增大却另有好几块 多反作用:大脑会消耗更多的能量,运行时延也会变快。大脑内,更好的神经连接也时要消耗能量,不成比例地发生大脑空间。将会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难题一样:容易产生“噪音”。

  不过,人类仍将会达到更高的智力水平,后后 借助这些 现代技术,比如写作和网络,亲戚亲戚大伙还可以 使智力不受身体的。

  西班牙科学家· 拉蒙· 卡哈尔(Santiago ramóny cajal)是1906 年诺贝尔生理学或医学学主,早在第一次世界大战的十几年前,他便绘制出了昆虫的神经解剖图,并将昆虫大脑形象地反衬成一只精致的怀表,而将哺乳动物大脑比作另有好几块 多空心的老式座钟。说起来让亲戚亲戚大伙怪怪的汗颜,没能想象蜜蜂的大脑仅有毫克重,却可与哺乳动物一样执行这些 任务,比如为同伴带、建造家园。蜜蜂的能力将会受到神经元数量的,但它们却可将神经系统的功能发挥到极致。

  从前 极端例子是大象,它们的大脑体积是蜜蜂的50 万倍,运行时延却如庞大的美索不达米亚帝国一般低下。神经信号从大象大脑的一端传到另一端,以及从大脑传到脚趾间所时要的时间,均是蜜蜂的50 倍之多,后后 哪些庞然大物只得减少反射,变快行动时延,以便把那点宝贵的大脑资源用在如何走好每一步上。

  人类的大脑容量将会不像大象或蜜蜂如此极端,但村里人 发现,人类智力同样受到了物理定律的。人学学家将会推测出脑力扩展所面临的解剖学障碍——对于两足的人类来说,脑袋变大能通过产道么?即使亲戚亲戚大伙假设,进化还可以 防止产道难题,如此脑袋变大所带来的难题,将会更多更多样化。

  村里人 或许认为,若果通过进化,亲戚亲戚大伙大脑中的神经元数量变多,将会神经元之间的信息交流时延加快,亲戚亲戚大伙就会更聪明。但若汇总新近的这些 研究,根据结果进行逻辑推断,后后 你发现,将会大脑真朝这些 方向进化,变快就会触到物理极限。哪些与神经元的自身性质,以及神经元之间频繁的化学信号交流有关。英国剑桥大学的理论神经科学家西蒙· 拉夫林(Simon Laughlin)认为,“信息、噪声和能量之间的联系是剪不断的,这些 联系有着热力学根源”。

  如此,热动力学定律针对神经元而设置的这些 智力,是是是不是对鸟类、灵长类、海豚、螳螂等所有动物总要 效?显然,从来如此考虑过如此宽泛的难题,但本文提到的科学家都认为,这些 难题实在 值得探讨。“这是另有好几块 多很有意思的研究点,”美国大学致力于研究神经信息编码的物理学家维贾伊· 巴拉萨布拉曼尼恩(Vijay Balasubramanian)说,“ 我还如此在科幻小说中想看 有谁探讨过这些 难题。”

  显然,智力是另有好几块 多内涵宽裕的词汇:它难以衡量,甚至难以定义。不管从哪个方面来看,人类总要 地球上最聪明的动物,但亲戚亲戚大伙的大脑进化到今天这些 程度,它防止信息的能力会还会已到“硬件”上的?除了人类,这些 神经类生物的智力进化是是是不是也无法摆脱物理定律的?

  从直觉上来看,要使脑力变强,最明显的依据什么都有有增加大脑容量。事实上,50 多年来,大脑容量与智力之间的关系老而是科学家研究的热点。19 世纪末到20 世纪初,生物学家花了一定量时间来探索生命体的这些 同時 价值形式——与体重,尤其是与大脑容量相关的、在整个动物界都适用的数学定律。大脑容量增大的另有好几块 多好处是,还可以 容纳更多的神经元,神经元的生长、连接能不还可以 更多样化。然而,大脑容量的大小并总要 决定智力高低的唯一因素:牛的脑体积是老鼠的50 倍,但牛不须见得比老鼠聪明几块。身体越大,大脑反而时要完成更多的琐碎工作,比如监管更多的触觉神经、从更大的视网膜上整合信号、控制更多的肌纤维等与智力无关的内务工作。

  1892 年,荷兰解剖学家尤金· 杜布瓦(Eugene Dubois)在爪哇发现了直立人头骨,他想寻找一种生活依据,根据颅骨化石的大小来评估动物的智力。后后 ,他首先提出假设,将会动物大脑异乎寻常地大,它们也会更聪明,后后 在这些 假设的基础上,确立了动物大脑容量与体型大小之间的精确数学关系。杜布瓦与这些 学者派发了什么都有有关于动物大脑容量与体型大小的数据,形成了另有好几块 多日渐庞大的数据库。当年的一篇经典论文就曾报道过3 690 种动物的身体、器官以及腺体的重量,涉及从木蟑螂(wood roaches)、黄嘴白鹭(yellow-billed egret)到两趾和三趾树懒的多个。

  杜布瓦理论的继任者发现,在哺乳动物中,大脑容量的增长时延要慢于体型的增长——相当于是体重增长倍数的3/4 次幂。后后 ,麝鼠(muskrat)的体重是老鼠的16 倍,它的大脑容量相当于不到老鼠的8 倍。根据这些 认识,科学家创造创造发明了杜布瓦总爱在寻找的数学工具:脑商(encephalization quotient),也什么都有有某一的实际大脑重量,与根据体重预测的脑重的比值。换句话说,脑商反映了另有好几块 多的大脑增长时延累积3/4 幂律的倍数。比如人类的脑商为7.5(即亲戚亲戚大伙的大脑重量是预测值的7.5 倍),宽吻海豚为5.3,猴子是4.8,而牛不到0.5(见右图)。简而言之,另有好几块 多智力的高低将会取决于大脑的神经储备量:除了防止皮肤触觉类事的日常琐事,还为智力留下了几块神经元。将会,亲戚亲戚大伙还还可以 归纳得更为简单:相当于从外皮上来看,智力高低取决于大脑容量。

  拿哺乳动物和鸟类来说,大脑变大实在 给它们带来了这些 好处。大脑越大,神经回不多,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须如此频繁。但与此同時 ,大脑增大也会产生一种生活相反的趋势。将会为了提升智力而无地增加新生神经元,“我认为收益递减规律就将会起作用,”巴拉萨布拉曼尼恩说。容量增大的同時 ,大脑的负担也会增加。最明显这些 什么都有有能耗增多。以人类为例,大脑是身体中需能最多的部位:大脑仅占人体重量的2%,但即便在亲戚亲戚大伙休息时,它所消耗的能量,也占到人体总能耗的20%。在新生儿中,这些 比例更是达到惊人的65%。

  大脑所需的能量中,相当一累积都耗费在信息交流网络上:人类大脑外皮中,50% 的能量都用于信息交流。不过,随着脑容量的增大,神经间的连接似乎会在更精细的价值形式层次上,遇到更严重的难题。事实上,早在20 世纪中叶,当生物学家在派发关于大脑重量的数据时,亲戚亲戚大伙也在探究另有好几块 多更有挑战性的难题:弄清楚大脑的“设计原则”,以及这些 原则又是如何在大小各异的大脑上发挥作用的。

  通常,神经元总要 四根绳子 细细的“尾巴”,称为轴突(axon)。轴突末端会分叉,每条分支的末端会形成突触(synapse),也什么都有有该神经元与这些 神经元的连接点。轴突就像四根绳子 根电话线,还可以 连接大脑的不同部位,或形成神经束,从中枢神经系统延伸到各处。

  在早期的这些 开创性研究中,生物学家利用显微镜,测量了轴突的直径,计算出了神经元的大小和分布密度,以及每个神经元拥有的突触数量。亲戚亲戚大伙观察了10 多种动物的大脑,对于每个动物大脑,总要检测数百,甚至数千个神经元。将会急于把研究对象扩展到更大型的动物中,以便完善数据和统计曲线,生物学家甚至想了些依据,从鲸的尸体上剥离完整篇 的大脑。古斯塔夫· 阿道夫· 古德贝格(Gustav Adolf Guldberg)曾在19 世纪50 年代完整篇 描述了一种生活依据,使用双人伐木锯、斧头、凿子和足够的气力,像开罐头一样,打开了鲸的颅骨上端。

  观测了多个的大脑前一天,科学家发现,随着脑容量增大,就会发生这些 微妙却不可持续的变化。首先,神经元的平均大小在变大。将会神经元的总数也在增多,这些 改变使得神经元还可以 连接不多的“”。但在大脑外皮上,神经元变大后,密度却下降了,是原困神经元之间的距离增大,连接神经元的轴突也得相应增长。轴突越长,神经元之间的信号传递就要耗费更多时间,后后 不到轴突变得更粗,还可以 神经信号的传递时延(轴突越粗,信号传递好快)。

  研究人员还发现,脑容量越大的,功能区域就会划分得不多。将会给大脑染色,后后 你发现,在显微镜下,大脑外皮上呈现出什么都有有颜色各异的斑块。每个斑块什么都有有另有好几块 多功能区,它们各司其职,比如有的负责语言表达,有的负责面部识别。随着脑容量增大,这些 特化难题会在从前 层次上总爱出先。比如,在左右大脑半球上,相互对应的另有好几块 多区域会执行不同的功能,比如空间想象和言语推理。

  几十年来,亲戚亲戚大伙总爱把大脑的这些 功能区域划分视作智力的一种生活标志。但这也反映了另有好几块 多更加普遍的难题:区域分工是对脑容量变大是原困的连接难题的一种生活补偿,美国爱达荷州博伊西2AI 实验室(2AI Labs)的理论神经生物学家马克·常逸梓(Mark Changizi)说。牛脑的神经元数量是小鼠的50 倍,但如此多神经元不将会好快地在两两之间形成连接。通过区域分工,把功能类事的神经元划分到同一区域,区域内还可以 形成宽裕的神经连接,而区域之间仅需一定量长距离连接,大脑就能防止这些 连接难题。左右大脑半球的分工,也防止了另有好几块 多类事的难题:这些 分工依据,减少了另有好几块 多半球间必需的信息传递量,因而也就不时要不多的长距轴突来连接另有好几块 多半球。常逸梓说,随着脑容量不断增大,“所哪些看似多样化的过程,实在 都什么都有有大脑为防止连接难题而做的努力,不须代表脑袋大了就更聪明了”。波兰科学院的计算神经科学家简· 卡博斯基(Jan Karbowski)对此深表赞同。“要提高智力,大脑时要要对几块方面进行优化,但有利必然也会有弊,”你说哪些,“将会后后 你改善另有好几块 多方面,如此这些 方面就将会变得更糟。”想象一下,当大脑增大时,将会你让胼体(corpus callosum,即连接左右半球的轴突束)也立即增大,以使左右半球的连接保持畅通,这总要发生哪些?将会你让轴突增粗,以防止大脑增大后,左右半球的信号传递变快,这又会发生哪些?结果将不容乐观。胼体会增长得好快,会把另有好几块 多半球分得更开,以至于抵消了大脑功能的任何改善。

  探究轴突宽度和信号传导时延的实验,将会很好解释了上述利弊难题。卡博斯基说,神经元实在 会随着脑容量的增大而变大,但神经元之间不须能好快建立连接;轴突也实在 会增粗,但增粗时延什么都有有足以抵消传导径变长是原困的信息传递延迟。巴拉萨布拉曼尼恩认为,轴突快速增粗不仅节省空间,还能减少能耗。当轴突直径增加一倍,能耗也会增加一倍,但传递信息的时延仅能提高40% 左右。即使不考虑哪些因素,当脑容量增大时,大脑白质(由轴突组成)的体积增长时延也要快于大脑灰质(神经元的主体,细胞核所在)。换句话说,脑容量增大的那累积更多是用于建立神经元间的连接,而总要 真正为负责计算、防止信息的神经元提供空间。这再一次说明,以脑容量增大的依据提高智力,并总要 长久之计。

  有了的研究做铺垫,亲戚亲戚大伙就没能理解,大脑有柚子如此大的牛为何会 会 还不如大脑小如蓝莓的老鼠聪明。不过,在大脑模块的水平上,进化也拿下了买车人的变通依据。507 年,美国范德堡大学的神经科学家乔恩· H · 卡丝(Jon H. Kaas)和同事对比了多种灵长类动物的脑细胞价值形式,亲戚亲戚大伙偶然发现了另有好几块 多关键价值形式——另有好几块 多将会赋予了人类优势的价值形式。

  卡丝发现,与大多数哺乳动物不同的是,当灵长类的大脑变大时,大脑外皮上的神经元大小几乎不变。实在 有数量极少、负责神经连接的神经元实在 变大了,但大累积神经元的大小都如此变化。后后 ,尽管在灵长类动物中,不同的大脑另有好几块 多比另有好几块 多大,但神经元仍然紧密地聚集在同時 。比如,狨猴(marmoset)的脑容量是枭猴的两倍,神经元的数量相当于也是两倍,而在啮齿类动物中,当脑容量增大两倍时,神经元数量仅会增加50%。这些 差异是原困了截然不同的结果。人类将1 000 亿个神经元紧密压缩在1.4 千克的脑组织里,而对于啮齿类动物,将会神经元仍是现在如此大,数量却与人类相当得话,如此它们的大脑将会重达45 千克。从新陈代谢的宽度来说,如此大的脑组织所需的能量,几乎会“抽干”啮齿类动物。“这将会什么都有有大型啮齿类动物不比小型类事聪明的一大是原困,”卡丝说。神经元较小、排列更密集,似乎实在 对智力有影响。505 年,不来梅大学的神经生物学家格哈德· 罗斯(Gerhard Roth)和厄鲁休拉· 迪克(Urusula Dicke)评估了这些 动物价值形式,亲戚亲戚大伙认为在预测动物的智力上,哪些价值形式将会比脑商更有效(通过行为的多样化程度,还可以 大致判断动物的智力水平)。“唯一与智力紧密相关的,”罗斯说,“什么都有有大脑外皮上的神经元数量,以及神经信号的传递时延。”神经元之间的距离变长,信号传递会变快,而轴突外层的髓鞘(myelination)变厚,信号传递则会变快。髓鞘是一种生活脂质绝缘层,能让信号传导更加好快。

  将会罗斯是正确的,如此在灵长类动物中,神经元小型化总要 双重作用:一是随着脑容量增大,神经元数量还可以 随之增加;二是还可以 让信号传递变得变快,将会神经元的排列变得更加密集。大象和鲸从前 应该很聪明,但它们神经元和脑容量不多,是原困运行时延低下。“大脑中的神经元太过稀疏,”罗斯说,“这是原困神经元之间的距离较大,神经信号的传递要慢得多。” 事实上,神经科学家最近在人脑中也发现了类事的模式变化:脑区之间,神经信号传递时延最快的人,似乎也最聪明。 509 年,荷兰乌得勒支大学医学中心的马丁· P · 范登赫维尔(Martijn P. van den Heuvel)利用功能性磁共振成像技术,来观测不同脑区在相互传递信息时到底有多直接——也什么都有有说,要看不同脑区在交流时,有如此通过数量这些 的上端区域。范登赫维尔发现,脑区间信号传导通越短的人,智商就越高。同年,英国剑桥大学的神经影像学家爱德华· 布摩尔(Edward Bullmore)和同事用这些 依据也得到了类事的结果。亲戚亲戚大伙首先测试了29 个健康受试者的工作记忆(可在瞬间记住这些 数字的能力)。后后 ,亲戚亲戚大伙根据脑磁图记录,估测受试者的不同脑区间信息传递时延有多快。结果发现,神经信息传递最快最直接的人,工作记忆也最强。

  这是另有好几块 多重大发现。亲戚亲戚大伙知道,随着大脑变大,它会减少脑区间的直接连接,以此节省空间和能量。在相对较大的人脑中,长程连接不须多。但布摩尔和范登赫维尔的研究表明,哪些直接连接实在 很少,对智力却有着极为重要的影响:将会为了节省资源,即使大脑什么都有有切断其中少数连接,也会造成严重后果。 “要想变得聪明,总要 要付出代价的,”布模说,“这些 代价什么都有有,你不到什么都有有简单地削减神经连接”。

  将会神经元之间以及脑区之间的交流果然智力发展的瓶颈,如此朝着小型化方向进化的神经元(彼此之间会挨得扎牢,交流变快)应该会构成另有好几块 多更聪明的大脑。同样,将会轴突通过进化,能在更长的距离上,以变快的时延传递信息,即使不变粗,还可以 让大脑的运行变得更高效。后后 ,有种东西的发生,却使神经元无法变小,轴突的长度什么都有有能超过某个临界点。或许,后后 你把它称作“局限之母”:这什么都有有离子通道,神经元用来产生电脉冲的哪些蛋白质,它们天生就不稳定。

  离子通道总要 微型阀门,通过改变自身价值形式来实现开或关。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,用于神经元间的交流。将会离子通道太小,单凭热振动(thermal vibration,原子在热能驱动下产生的一种生活振动),便可轻松打开或关闭哪些通道。另有好几块 多简单的生物学实验就会我想而是什么 不足无遗:先用四根绳子 玻璃微管,在神经元外皮隔离另有好几块 多离子通道,就像用玻璃杯罩住人行道上的一只蚂蚁。当你调节离子通道上的电压,试图将它打开或关闭时,后后 你发现它不须像家庭厨房里的灯那样,说开就开,说关就关,它的开或关完总要 随机的。有时,它根本就打不开,有时在本不应该打开的前一天却又打开了,产生这些 无意义的神经“噪音”。后后 你不断调节电压,但你所做的一切,仅仅是有将会使通道打开或关闭。

  听起来,这像是另有好几块 多的进化不足,但实际上,这是一种生活折中方案。“将会通道太松,会产生什么都有有‘噪声’,使它会不停地打开或关闭”, 就像先前提到的生物实验那样,拉夫林说, “将会通道太紧,它实在 还会产生几块‘噪声’,但从前 一来,你得花费更多力气还可以 打开或关闭它”,也什么都有有说,神经元时要耗费更多能量还可以 控制离子通道的开关。换言之,神经元使用这些 一触即发的离子通道还可以 节省能量,但副作用是通道的开关不稳定。这又会总爱出先另有好几块 多利弊难题:不到当你拥有什么都有有离子通道,并通过“投票机制”来决定神经元是是是不是产生电脉冲时,离子通道才是可靠的(即不到当多数离子通道都发生同一情况汇报时,还可以 决定神经元是是是不是放电)。后后 ,将会神经元变小,“投票机制”就会出难题。“当你缩小神经元,可产生电信号的离子通道也会减少”,拉夫林说,“‘噪声’则会随之增多。” 在505 年和507 年发表的两篇论文中,拉夫林和同事计算了一下,将会要保留足够的离子通道,是是是不是对轴突的最小尺寸会有所。结果很令人吃惊。“当轴突直径为50 ~ 50 纳米时,它们就会产生一定量的噪音,”劳克林说。在这些 情况汇报下,四根绳子 轴突上不到一定量离子通道,以至于若果另有好几块 多通道意外打开,就会致使轴突传递另有好几块 多信号(见第33 页图框),尽管神经元还如此放电的打算。在大脑中,最细的轴突将会发出的噪音信号将会达到每秒6 次,将会再将它们的直径哪怕缩小这些 点,它们发出噪音的次数就将会超过每秒50 次。拉夫林指出:“大脑外皮灰质中的哪些神经元,它们的轴突的直径,将会非常接近物理极限。”

  信息、能量和噪声之间的这些 最基本的折中方案不须限于生物学。从光纤通信、无线电传输到电脑芯片,这些 机制都适用。晶体管的作用和离子通道类事,都控制着电信号的通断。50 年来,工程师设计出的晶体管如此小,塞在芯片上的晶体管不多,计算机的运行时延也如此快。在最新一代的芯片上,晶体管的直径是22 纳米。在这些 尺度下,在晶体管中均匀掺入硅元素变得非常困难(这些 过程叫做,是指向晶体管掺入一定量的这些 成分,用以调整半导体的性能)。当晶体管的直径接近10 纳米时,单个硼原子的随机总爱出先或缺失都将会引起不可预测的后果。

  这时,工程师你说哪些会回到绘图板,用一种生活全新的技术重新设计芯片,以避开当前的这些 。然而,生物进化不将会重新开始英文了了了:它时要在既定规则下,使用在过去5 亿年里总爱出先的“零件”来进行,巴塞尔大学的发育神经生物学家海因里希· 莱歇特(Heinrich Reichert)解释说,这就好像要用改良的飞机零部件建造一艘战舰。

  此外,还另有好几块 多是原困后后 你怀疑,人类大脑还可以 通过一次进化上的飞跃变得更聪明。当神经元首次进化总爱出先时,地球生物从前 有什么都有有进化方向还可以 选取,但6 亿年后,奇怪的事情发生了。罗斯指出,实在 从外皮上看,蜜蜂、章鱼、乌鸦和聪明的哺乳动物长得千差万别,但将会再看视觉、触觉、嗅觉、情景记忆和方向感背后的神经回,后后 你发现,“哪些动物的神经回的构成惊人地类事”。这些 进化上的趋同性说明,解剖学或生理学上的一种生活防止方案将会趋近成熟的句子的句子期期是什么是什么图片 期期图片 图片 是什么是什么,很少有改进的余地了。

  你说哪些,现今动物将会有了最合理的“神经蓝图”,而这幅蓝图是胚胎中的细胞通过信号和物理接触发生相互作用,后后 逐步绘制而成的,在动物中将会根深蒂固。

  如此,在现有构建模块下,亲戚亲戚大伙大脑的多样化程度是总要 将会触碰到物理极限?拉夫林认为,大脑功能将会受到了这些 硬性,如同光速受到的一样。“就好像你碰到了收益递减规律,”你说哪些,“实在 投资得不多,但收益却如此小。”亲戚亲戚大伙的大脑中仅能容纳如此多神经元,神经元之间不到建立如此多连接,哪些连接每秒钟所能承载的电信号也就如此多。后后 ,将会亲戚亲戚大伙的体型和大脑变得更大,亲戚亲戚大伙会在能耗、散热上付出更多代价,神经信号从另有好几块 多部位传到从前 部位也要浪费更多时间。

  尽管如此,除了进化之外,人类将会还有更好的智力提升依据。毕竟,蜜蜂和这些 群居昆虫做到了这些 点:蜂巢里的蜜蜂们行动一致,形成了另有好几块 多集体,而集体智慧人生要大于单个蜜蜂的智慧人生的总和。人类也是如此,通过社会交往,亲戚亲戚大伙已会了将买车人与他人的智慧人生融合起来。

  后后 ,亲戚亲戚大伙还有科学技术。几千年来,书面语言让亲戚亲戚大伙还可以 在体外储存信息,不再局限于大脑记忆。你说哪些村里人 会说,互联网将会终结智力向体外扩展的趋势。从一种生活意义上讲,这将会是正确的,就像这些 人说的那样,互联网使人变得愚钝:人类的集体智慧人生——文化和计算机——将会会削弱买车人智慧人生向前发展的动力。

  本文:栾兴华在大学医学部获得博士学位,现在任职于上海瑞金医院神经内科,她的主要研究方向为神经肌肉痛、遗传性脑血管病以及神经病理学。

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