人腦的設計缺陷

人腦的設計缺陷 （The Design Flaws of Human Brain ）

智能的出現，是為了應對環境的變化與生存的需要。從根本上說，智能並不是進化的目的。它的原初意義，在於幫助人類生存。哈佛大學教授史蒂芬?平克在其著作《How the mind works》中說，「自然選擇與智能發展一點關係也沒有……除了成功適應，他們別無選擇……」[1]。也正因如此，進化而來的人腦存在諸多設計上的弊端[2]。極慢的反應時間、漫長的學習過程、高消耗的運行機制等等[1]，都是大腦「拙劣設計」的外在表現。可以說，大腦只是進化的副產品與生存的陪襯物。

人的大腦無疑是世界上已知的最魯棒、最複雜、最驚人的信息處理系統。也因此，我們常常會過於沉迷於對大腦驚人功能的欣賞，而理所當然地認為大腦的設計與功能也是完美的、高效的。美國約翰·霍普金斯大學神經科學系戴維·J·林登教授在其著作《The Accidental Mind: How Brain Evolution Has Given Us Love, Memory, Dreams, and God》[2]中指出，無論從哪個層次看，從腦區到迴路到細胞甚至到分子，大腦都是一個設計拙劣、低效而又怪異的團塊；只是儘管如此，它卻又能出乎意料地運作良好。大腦的設計缺陷主要表現在如下三個方面：

• 大腦進化過程中的設計缺陷；
• 大腦組成部分（神經細胞）的工程缺陷；
• 大腦整合過程（大腦發育）的工程缺陷。

大腦進化中的設計缺陷

人腦的產生及其功能的完善經歷了一個十分漫長的進化過程[3,4]。大約6億年前，最原始的類腦作用的神經核團開始在軟體動物體內出現。隨著動物的進化，到節肢動物體出現時，節狀神經系統開始誕生。又經過若干地質年代，早期魚類體內因為神經細胞的增多，開始形成了管狀神經系統。其中，神經管的頭部分化出中樞神經系統和周圍神經系統，形成真正意義上的腦；神經管的前端出現腦泡，而後繼續分化形成前腦、間腦、中腦、延腦和小腦。兩棲動物的出現使得前腦發展成了兩個半球。到爬行動物出現時，大腦皮層開始出現。至此，大腦原始系統已經形成，腦進化的原始階段已經結束。在距今大約2億年前，哺乳動物以及高級哺乳動物的出現使得腦的進化進入了下一階段，因為新大腦皮層開始形成。新大腦皮層的出現，使得高級認知功能，如意識、思維、記憶、語言、想像等，開始誕生。

對於一個成熟發育的正常人類大腦，它的整體設計大致如下：控制大腦最高級別的功能（如意識、決策等）的部位位於大腦的最頂端和最前端，即皮層；控制身體基本潛意識功能（如呼吸節奏、體溫控制等）的部位位於大腦的底部和後部，即腦幹；控制身體相對高級的潛意識功能（如控制基本感覺、體內平衡和生物節律等）的中樞部位位於大腦中間，即中腦、下丘腦、小腦等；而大腦中意識和潛意識交匯以及負責記憶存儲功能的部位位於大腦邊緣，即杏仁核和海馬等。可以看出，腦中各種功能部位的分布與這些腦功能進化過程中出現的時間有一定的關係，即越先出現的部位、越基礎的腦功能在大腦中的位置越底層，而越上層的腦區控制的認知功能越高級。

因此，林登教授認為，在腦的整個進化過程中，大腦的設計就像甜筒冰淇淋的製作一樣，更高級的腦功能的增加，就像在甜筒冰淇淋的頂部又加了一勺冰淇淋，而下面的冰淇淋則依然留在原處，基本不做任何改變。也正如此，人腦中的腦幹、小腦和中腦與青蛙大腦中的這些結構其實並沒有多大的區別；而與大鼠相比，除了上述腦區，人腦中的上下丘腦、丘腦以及邊緣系統，也並未與大鼠的大腦有多大差別。唯一較大差別的，是青蛙和大鼠的皮層小而簡單，而人腦的皮層巨大且精細。

在大腦的進化過程中，當更高級的功能加入時，並不會使大腦的整個結構重新組裝，已達最優。相反，新的一勺冰淇淋只是加在了甜筒冰淇淋的頂部。因此，在這個組合拼裝的搭積木過程中，人類的大腦還保留著進化過程中的功能性殘留區域，典型的例子就是中腦的視覺中樞。中腦包含有初級的視覺和聽覺中樞。這些部位對青蛙和蜥蜴等動物是主要的感覺中樞，但在哺乳動物中，中腦的視覺中樞僅僅起到補充作用，甚至被大腦皮層中更精細的視覺區域所替代。儘管很少被用到，但在進化的過程中，這種古老結構仍被保留在人腦中，這種腦區結構甚至還可以產生一種奇特的盲視現象（病人位於皮層的高級視覺中樞受損，但能準確觸摸到視野內物體，同時病人並不能意識到這種視覺）[5]。

另外，這種堆疊式的大腦組裝設計方式，在新的大腦功能加入時，因其未曾重新改裝配置固有系統，所以不能容納和處理新功能發揮時產生的突發緊急情況。比如小腦。小腦能減少我們對自己動作產生的知覺，而增強對外部世界的知覺。在通常情況下，這是非常有益的機制。但當在社交衝突發生時，小腦的這種抑制對自我動作的覺知的功能往往不能適當關閉，所以導致衝突雙方往往在針鋒相對時出現暴力傾向逐漸增加的情況。

這就是在大腦進化中影響大腦設計的一些限制。

神經細胞的設計缺陷

大腦內主要包含兩類細胞：神經元和神經膠質細胞。神經元負責處理和儲存與腦功能相關的信息；而神經膠質細胞則起到支持、滋養神經元的作用，也有吸收和調節某些活性物質的功能。一個成年人大腦中約有1千億個神經元和1萬億個神經膠質細胞。一個神經元有大約1000個突觸，因此大腦內大概有500萬億個突觸連接。傳遞和處理信息是神經元的獨特之處，神經元主要是通過產生電信號和化學信號來實現信息傳導的。其中，神經元之間的信號傳遞是通過化學信號來完成，單個神經元上的信號傳遞是通過產生動作電位（電信號）來進行。

大腦依靠電信號進行信息傳遞的設計導致了其高耗能的運行機制，即，大腦只佔體重2%，卻消耗了20%的能量。大腦浸浴在一種叫腦脊液的特殊鹽溶液中，它含有高濃度的鈉離子和極低濃度的鉀離子。大腦所消耗的能量主要用於持續的分子泵的運轉，它將鈉離子泵出神經細胞，將鉀離子泵入神經細胞。如此，使得神經元外部的鈉離子濃度高出細胞內部10倍之多，而神經元內部的鉀離子濃度高出細胞外部濃度40倍之多。鈉離子和鉀離子的濃度差產生了勢能，使得神經元可以在適當情況下產生出電信號。可見，大腦內用於信號傳遞的這種電信號必然要求大腦有高耗能的操作，不然無法為大腦電學功能提供環境。

同時，大腦內神經元上和神經元之間的信號傳遞也並不是想像的那麼有效和高效，它面臨著如下的困難和挑戰：

• 第一個挑戰：鈉離子和鉀離子通道的開放和關閉需要一定的時間，從而造成一個神經元的放電頻率具有極限，其最大放電頻率只有400次/秒。相比之下，現代計算機的放電頻率可達40億次/秒。
• 第二個挑戰：神經元的軸突是慢速而又漏電的導體，軸突內的鹽溶液又不像銅那樣容易導電，另外，軸突外模是很差的絕緣體。所以，動作電位通常在軸突中傳遞得很慢，其傳導速度大約是每小時160公里。而在人造設備中，電信號的運動速度接近光速，以每小時大約10.8億公里的速度進行傳遞。
• 第三個挑戰：一個動作電位傳遞到突觸前軸末梢並引起鈣離子內流，卻不一定意味著囊泡融合和神經遞質的釋放。大腦中單個動作電位導致突觸神經遞質釋放的平均概率只有30%左右。

總之，單個神經元是極其緩慢、不可靠且效率低下的處理器。大腦需要利用不甚理想的基礎部件去竭力完成那麼不可思議的腦功能。大腦並非1萬億個最優處理器的聚集體，但大量的互聯形成了500萬億個突觸。大腦正是利用大量的相互關聯的平行構造，再加上精細的反饋信息，才能把簡陋的部件組裝成一個令人驚嘆的裝置。

大腦發育的工程缺陷

人類大腦的發育是一項令人生畏的工程。因為在發育過程中，它必須正確規劃約1千億個神經元和500萬億個突觸的定位、特性和連接。可以想像，如果這所有過程都需要用到DNA進行編碼，染色體中基因的信息容量將完全不夠用。正因如此，人類大腦的發育由兩種因素共同完成：基因和環境。在發育的早期，絕大部分腦的形成由基因決定。但因為信息總數的有限，基因只能控制大腦的形狀、外形尺寸、各個腦區間聯繫的大體模式、細胞類型等的發育。至於神經細胞的具體細節結構，則受外在環境因素的影響，這種環境包括子宮的化學環境、子宮內就開始的經驗感受、一直到大腦發育成熟的兒童時期等。隨著發育的進程，環境產生作用的機會將會越來越大。

從腦發育的角度看，神經元的數量太大了，以至於無法在基因水平對突觸連接進行一一標記。因此，大腦突觸的細微連接和大腦網路精細化的發育都必須依賴於經驗（環境）。這也意味著人必須經歷一個比任何動物都漫長的童年期，這樣才能使用經驗來培育大腦。

從另一角度來看，腦部設計的不合理性使得嬰兒出生時頭部過大，容易導致母親生育時劇烈疼痛或難產。一方面，人腦在進化的歷程中並未經過重新設計，因而在空間分配上很不合理，比如，人腦內至今依然存在著兩個視覺系統，一個原始的，一個進化的。另一方面，大腦由緩慢而低效的神經元構成，要完成其功能，必須動用大量的互聯網路處理信息，因而具備大約1千億個神經元和500萬億個突觸。這些因素共同導致了嬰兒頭部過大，同時也限制了它順利通過產道。

參考文獻

[1]. Pinker, Steven. "How the mind works." Annals of the New York Academy of Sciences 882.1 (1999): 119-127.

[2]. Linden, David J. The Accidental Mind: How Brain Evolution Has Given Us Love, Memory, Dreams, and God. Harvard University Press, 2007.

[3]. 付秋芳. "腦的進化和成長." 百科知識 05S (2005): 45-46.

[4]. 朱斌. "大腦進化歷程——從 8.5 億年前到 1 萬年前." 決策與信息 6 (2012): 72-73.

[5]. Ptito, A., & Leh, S. E. (2007). Neural substrates of blindsight after hemispherectomy. The Neuroscientist, 13(5), 506-518.

[6]. Kaku, Michio. The future of the mind: The scientific quest to understand, enhance, and empower the mind. Anchor Books, 2015.

[7]. 高新民. 心靈與身體: 心靈哲學中的新二元論探微. 商務印書館, 2012.

[8]. 李達. "唯物辯證法大綱." 北京人民出版社 (1978): 235-333.

寫於 2017年9月23號 - 2017年9月26號，北京交通大學

王超名 (oujago@gmail.com)