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我思故我在?腦的進化和成就

ComeForHealth.康活健康知識網更新日期: 2016/10/23

近百年來,人類科研的重心,從近代物理、石油化學、半導體、分子生物學,終於轉移到腦的研究。智能是人類和其他生物最大的不同,也是人類最可貴的資產,人類知道這個榮耀。大腦的演化,是經過無脊椎動物、脊椎動物、哺乳類、靈長類,逐步變得大而且複雜。人類大腦平均重達3磅,是黑猩猩大腦的三倍,反映了人類大腦皮質區的進一步擴展,來支持人類複雜的新認知功能,如語言、自我意識、創新、合作、和解決問題的能力。人腦帶來科技方面的重大成就,使人類主宰地球、不需要在與飢寒對抗中求物種的存活、生活的改變則達到日新月異;然而,這些成就也帶來許多新危機。
 
腦研究終於興起
 
在眾多的科學領域裡,似乎在某一個時期,總是會有一個領域在出盡鋒頭,可以代表那個時期裡最重要的科學成就。
 
二次大戰前的數十年、是物理研究的稱霸時期;電磁學、量子力學、相對論等重要的近代物理學的理論,在這期間奠基和開展,打開了人類面對宇宙奧妙的新視野。
 
在二次大戰後,是化學研究的高峰期;尤其是石油化學工業,逐漸使化學纖維成為衣物的原料,塑化產物成為基礎材料、日常用品。
 
然後在 60 及 70 年代,來到半導體研究的興盛期 (數學、物理、化學、和工藝結合的應用創新);它帶動了電子產品和電腦的日新月異,造成了後來的資訊處理、演算、通訊等產業的革命。
 
到了 80 及 90 年代,是輪到生物學研究突飛猛進 (尤其是分子生物學);基因排序增快、基因功能研究方法增多、遺傳工程 (基因重組) 進步,使生物學和醫藥在研究方法上改頭換面。
 
本世紀以來至今,生物學裡關於腦的研究,最受關注也最有成果;尤其是腦部造影技術進步,使腦功能與結構關係的研究加快。終於,腦這個本來是各種研究的主事者,如今也變成了最受青睞的被研究對象。
 
人類知道:“智能是人類和其他生物最大的不同、也是人類最可貴的資產”
 
1. 在人類的演化史中,最殊勝的,就是其大腦的演化。人類可能就是靠著稍微較高的智能,在五萬年前,戰勝了人類的近親“尼安德塔人” (請參閱本網站的文章 “人類血親:尼安德塔人的滅絕”)。今天,人類靠著文字和機器的發明,使知識可以被不受時空限制、大量地存留和高速傳遞;因此,人類文明走到了日新月異的境界。
 
2. “我思故我在,I think, therefore I am” 是法國哲學家笛卡兒的哲學命題;他是說:”當我在思考,那就證明我的存在”;當一個人有能力思考,他當然可以選擇宣稱自己的存在。事實上,知道自己的存在,是要靠自我意識的運作;當一個人在做白日夢或恍神時,自我意識薄弱,他並不完全意識到自己的存在,豈不是成為 “我思故我不在” (請參閱本網站的文章 “恍神、白日夢,會帶來不快樂”。
 
3. 我們常常以一個人的腦 (包括其記憶庫和人格) 來定義一個人,而不是他的軀體。失智症病人的照顧者,所面對的最大的痛苦,是看著病人的記憶力日衰,就像是看著 “那個最親近的人逐漸消失了”;或是,照顧者看著病人的脾氣和道德觀突然變了,會痛苦地問 “他還是同一個人嗎?” 
 
4. 在 Youtube 網站,有一個由 Sebastian Seung 在 TED Talk 演講的錄影 “I am my connectome 我就是我的神經聯結體“。Seung 說,每一個人腦中的神經連結網都和別人不同;神經連結網決定了你的記憶庫和人格,也定義了你。所以,我就是我的神經聯結體。
 
腦的演化
 
1. 所有動物的腦都是主要由兩類細胞組成:神經元和神經膠質細胞
 
所有動物的腦,都是主要由兩類細胞組成:神經元和神經膠質細胞。神經元像是電話公司的電線網;神經膠質細胞則像是電話公司的員工。神經膠質細胞(Glial cells)分為許多種類型,承擔各種重要作用,包括結構性支撐、維持新陳代謝、作為絕緣體、以及引導神經生長,讓神經網絡可以保持正常運作和維修。
 
神經元常常被看作腦中最重要的細胞。神經元可以將信號遠程傳遞到特定的細胞,這是它們和其他細胞最大的區別。它們通過軸突來傳遞信號,軸突通常會有許多分叉,投射到其他區域:可能是鄰近的區域,也可能是腦或者身體的較遠部位。
 
軸突通過一種稱為突觸的特化節點來向其他神經元傳遞信號。一個軸突可以和多達數千個其他神經細胞形成突觸聯結。當一個動作電位通過軸突傳遞到一個突觸時,它會觸發釋放一種稱為神經遞質的化學物質。神經遞質會和突觸後細胞膜上的受體相結合。在下一個神經元產生電位差,於是在兩個或許多個神經細胞之間,信號被互相或沿續傳遞。
 
軸突如果被稱為髓鞘 Myelin 的脂質鞘狀物包裹,它們的神經傳導速度會大大提高 (也有軸突是不具有髓鞘的)。髓鞘是白色的,所以腦中布滿神經纖維的部分顏色較淺,被稱作白質;與之相反,在神經細胞體高度聚集的區域顏色較深,被稱作灰質。
 
2. 比較無脊椎動物和脊椎動物的
 
無脊椎動物的腦,在不同動物之間,其形狀、大小、和構造上,相差很大。有兩類無脊椎動物,有相當複雜的腦:節肢動物 (如昆蟲) 以及頭足綱 (如章魚)。節肢動物和頭足綱的腦從貫穿身體的兩條平行神經索中產生。節肢動物的眼睛後面用於處理視覺信息的視葉很大。無脊椎動物中腦最大的是頭足類動物 (所以謠傳大頭章魚哥有預言能力)。
 
脊椎動物腦的主要解剖結構較相似,跨物種,其基本的部分都可以一一對應,但是其形狀和尺寸,則物種之間有巨大的不同。
 
3. 哺乳類、靈長類的腦
 
在哺乳動物和其他脊椎動物的腦之間,最明顯的差別是其尺寸。平均來說,在身體大小相同的情況下,哺乳動物的腦是鳥類的 2 倍,是爬行動物的 10 倍。
 
在形狀上也有基本的不同。哺乳動物的前腦,不但尺寸劇增,結構也發生了變化,其大腦皮質從原來的三層演變成一個複雜的六層結構,稱為新皮質 neocortex。許多位於新皮質邊緣的區域,包括海馬體和杏仁核,也有進一步的發展。
 
靈長類的腦結構和其他哺乳動物大致上一樣,但是占身體的比例更大,主要是因為大腦皮質的大規模擴張 (尤其是前額葉皮質和與視覺相關的皮質)。
 
腦化指數 (encephalization quotient) 是最廣為接受的跨物種衡量腦尺寸/體重的方式 (考慮過腦與身體的非線性關係)。比較靈長類和其他哺乳動物的腦化指數如下:人類 7.4–7.8,黑猩猩 2.2–2.5,獼猴 2.1,寬吻海豚 4.14,象 1.13–2.36,狗  1.2,馬 0.9,大鼠 0.4。海豚的腦化指數意外地高於除了人類之外的靈長類,所有的其他哺乳動物的腦化指數,則都比靈長類要低得多。
 
對於人類和許多其他動物來說,神經元主要是在出生前就已經形成的,而且,新生兒的腦細胞總量要明顯多於成人的。然而,也有少數區域終身都會不斷產生新的神經元,例如和嗅覺有關的嗅球,和海馬中的齒狀迴,後者的新生神經元在形成新的記憶方面有其重要功能。
 
4. 比較黑猩猩和人類的大腦
 
人類大腦平均重達 3 磅。黑猩猩 chimpanzees 的大腦只有我們的三分之一,儘管兩者體重非常類似。其中大部分的大腦尺寸的差異,反映了大腦皮質 cortex 的進化和擴展,來支持人類複雜的新認知功能,如語言、自我意識 self-awareness、和解決問題的能力。
 
人類有更大的數目的神經纖維,來連結參與人類專門功能的語言、製造工具、推理、和社會認知的各個腦區域。
 
人類大腦因為演化,而變得龐大且複雜 
 
人類大腦演化過程中,不但腦容量變大,腦部用血量增加更快。人腦只佔人體重量的 2% 左右,而其消耗的能量約佔人體的 20%。在超過 300 萬年人類進化史,大腦體積增加了約 3.5 倍,但是,由於血管的增大,血液流向大腦的流量增加了驚人的 6 倍。
 
擁有碩大的腦還有其他代價,包括:1) 目前嬰兒的平均頭圍已經足夠造成許多生產困難;2) 只好設計成在產後嬰兒才繼續腦增長,造成由於生長期長而需要漫長的父母的照顧;3) 大腦的複雜性使一些心理疾病容易發生。
 
人類大腦演化,增加 “創新、合作、解決困難”等能力,以提升物種的生存機會
 
人類大腦會進化得如此龐大而複雜 (主要是額葉和前額葉的增大),其演化推手是什麼?物競天擇的答案是“使其存活的機率增高”。歷史證明,創新和合作能力較高的人類群體,其存活的機率確實較高。
 
在腦部變得發達的同時,人類一方面用腳走路,讓雙手能攜帶東西、製作精細工具,因而造成創新能力的一大躍進;另一方面身體發聲結構改變、因而會使用語言,是合作能力的一大躍進。
 
在動物中,合作行為是罕見的,通常僅限於近親之間。然而人類是一個獨特的物種,人類的合作是廣泛的,不僅限於親人之間。在古代,合作可以共同對付天災、野獸;在較近代,合作可能是要抵抗敵人的入侵;在最近代,核武和複雜的全球化經濟系統,讓合作成為人類共存共榮的唯一途徑。
 
彈片穿顱的研究說:人類的合作能力,是同時依賴智商 (IQ) 和情商 (EQ )的功能
 
有一篇發表在 2014 年 7 月 28 日網路版 Brain 期刊的研究報告,其研究對象是 144 位被子彈片或穿透顱骨的越戰老兵,這些人的腦損傷,非常局部、鄰近組織完好,讓研究者容易將老兵腦功能的損傷,準確地連結到腦傷的位置。
 
研究者發現,主管 “解決社交難題 social problem solving (解決自己與朋友、家人、或同事之間的衝突)” 的大腦區域很廣,而且許多這些區域,也同時在 IQ 和 EQ 上有重要功能。也就是說,解決社交難題、增加合作,必須同時依賴 IQ 和EQ 的機制。
 
結語:科技所帶來的新生存危機,正在嚴重地挑戰人腦的智慧
 
演化是一個緩慢的過程,人類的大腦不會在近期內有重大的變化。人腦帶來近年來在科技方面的重大成就,使人類主宰地球、已經不需要在與飢寒對抗中求物種的存活,科技使其生活的改變,達到日新月異、難以預測的地步;然而,這也帶來許多危機。
 
人類在享受豐盛的物質和閒暇的同時,是否能照顧到自己和後代的身體和心理的健康?人類在揮霍地使用自然資源時,是否能照顧到地球環境的永續經營?人類累積的毀滅性武器,會被用來終結這個文明嗎?科技所帶來的危機,正在嚴重地挑戰人腦的智慧。


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