人脑有极限吗?人脑变云脑后我们就能“心灵感应”

原标题:人脑有极限吗?人脑变云脑后我们就能“心灵感应”

最近,马斯克宣布了他旗下的Neuralink公司实现了真正意义上的人脑与电脑的融合:这个被称为脑机接口的项目,先要在人脑的颅骨上钻出小孔,然后把极细的柔性电线穿过小孔,精准对接到人脑内的特定神经元上,然后被试者就可以通过意识来操作手机和电脑。

这项技术的意义甚至大过人类登月,因为它有可能已经开启了重新定义智慧、意识、精神、人格,甚至人类自身的崭新道路。在未来或许,装芯片的人成为主流,而只凭借生物大脑的人成了弱者,或边缘人。

一、那么,人类的智力还有多大的潜力?人脑有没有极限呢?

1. 还能更大吗

一般来说,脑子越大,可以容纳的神经元就更多,智力也就可能更高。

可是人类的大脑已经是动物界中最大的之一了,而且大脑皮层神经元的数目也是最多的,如果还要继续增加神经元数目,就意味着更大的大脑,功能区之间的距离会增加,使信号传输的距离和时间更长。这会使大脑处理信息的速度变慢。

更大的大脑也需要更大的头来“装”它。目前人类新生儿的头的尺寸已经是身长的四分之一,头围约34厘米。这样大的头已经使得分娩成为一件困难和痛苦的事情,人类大概是难产率最高的哺乳动物。要是新生儿的头更大,人类将无法自然生育了。

还有,大脑是个油老虎,脑袋越大,能耗越高。人脑的重量大约为体重的2%,却使用身体能量总消耗的20%。新生儿大脑的能耗甚至高达身体总能耗的60%!再增加脑容量,其他器官的活动就无法维持了。

2. 还能更小吗

如果大脑不能更大,那神经元变小变细,也同样可以增加总的神经元数目,这不是也可以吗?

我们知道计算机行业中有“摩尔定律”,即每过18个月,集成电路中晶体管的总数和计算性能就提高一倍。但是到了晶体管的尺寸接近纳米级,“漏电”现象就日益严重,晶体管的工作就不再可靠了。散热和电场传播速度的瓶颈也会成为难以克服的问题。

神经系统的微型化也有类似的问题。即当尺寸减少到一定程度,神经元的工作就变得不稳定。神经纤维传输的信号在本质上也是电性的,是膜电位的局部改变以接力的形式沿着神经纤维传播。也就是靠钠离子在膜内外的运动,引发神经冲动,这样一级一级地沿着神经纤维传递下去。

如果神经纤维的直径小到150-200纳米,细胞内普通的分子热运动引发的噪音就会大到不可接受,从而干扰正常的神经冲动的传递。而目前人类最细的神经纤维直径已经小到300纳米了。

3. 还能更快吗

增加大脑处理信息效能的一个办法就是增加信号在神经元之间和功能区之间传输的速度。不同的神经纤维传输信号的速度不同。神经纤维直径越大,信号传输速度越高。这就像粗的电线由于电阻较小,导电能力更强一样。

还有就是神经纤维外面如果有“绝缘层”(髓鞘)的,信号传输的速度也更快。

但是无论是增加神经纤维的直径,还是在外面包上厚厚的“绝缘层”,都会使神经纤维变得更粗,占用更多的地方,迫使神经元之间相距更远。这会增加信号传输的距离,使信息处理速度变慢。

4. 还能更复杂吗

△ 爱因斯坦的大脑通常被认为异于常人

人类的大脑有120亿个神经元,是动物界最多的,但决定了人类具有最高智力的却是神经元之间密密麻麻、相互纠缠的联系。就像爱因斯坦的脑容量大约是1194毫升,明显低于人类1350毫升的平均值,但是他的大脑的顶叶有特殊的结构。这也许造成了爱因斯坦进行思维时所需的神经通路特别短和通畅,从而形成了他超人的智力。

现在人类大脑皮层中每个神经元和其它神经元之间有数以万计的联系。近一步增加联系的数目也许能使大脑处理信息的能力更为强大。增加功能区之间的联系也相当于增加信号传输的“带宽”,使信息传输更加通畅。

但是无论是增加短途联系和长途联系的通道,都意味着要增加神经纤维的数量。这些神经纤维必然要占用体积,增加神经元之间和功能区之间的距离,其结果也是延长信号传输的时间,使大脑处理信息的速度变慢。更多的神经纤维也意味着更多的神经脉冲,消耗更多的能量。

二、其实人类的大脑在进化中,在可能的范围内已经进行了最大的优化。

△ 动物体重和脑重的关系

首先是保持神经元的体积,使其不要过大。动物在体型变大时,一般来说神经元的体积也随着增大。这样就势必增加神经元之间的距离。而灵长类动物的大脑有一个特点,就是脑随着身体变大了,但是神经元的体积基本上不变大,因而可以保持比较高的神经元密度。人每一立方毫米的大脑皮层,也就大头针的针头那么大,里面却含有大约10万个神经元,每个神经元平均有29800个连接处与其它的神经元相联系。用这种方式,人的大脑已经含有所有生物中最多数量的神经元。与此相反,大象和鲸鱼的大脑比人脑的大得多,但是神经元的密度却比较低。

二是为了能让神经信号传递迅速,大脑的神经元多集中到表层的2到3个毫米的厚度中。这样可以使神经元之间的距离尽可能地短。数学分析表明,这种安排比起把神经元在大脑中平均分布再彼此联系更有效率。

三是多层叠加的结构。大脑皮层分新皮层、古皮层和旧皮层。古皮层与旧皮层比较古老,与嗅觉有关。从哺乳动物开始,新皮层出现。动物的进化程度越高,新皮层占的比例越大。像人的大脑皮层中,约有96%是新皮层。新皮层中的神经元的排布依据神经元类型的不同分为六层,可以实现更高程度的皮质神经元的密集。计算机的CPU也借鉴了这个“设计”,在芯片中放上多达9层的晶体管。

四是细化分工。用不同的神经纤维完成不同的任务。有的轴突外面包有“绝缘层”(叫做“髓鞘”),这种神经元传输信号的速度比较快,但是占的体积也比较大,这部分脑组织就叫做“白质”。另一种没有髓鞘,传输速度比较慢,但是占的体积比较小,这部分叫做“灰质”。白质和灰质的分区,说明大脑已经在减少体积和保持信号传输速度上尽量兼顾二者。

三、从个体之脑到云脑

以上的分析表明,影响智力的几个因素是相互制约的。改善其中的一个因素,其它的因素就会受到不利的影响。一些理论分析的结果表明,我们大脑的工作能力已经接近生理极限,要进一步改进的空间不是很大。

计算机处理器遇到的障碍可以用其它技术来克服,人们也可以设计全新的计算机,不再依靠晶体管。但是人的大脑是亿万年进化的产物,其“设计图”已经组入我们的DNA中,不可能“从头再来”和“重新设计”。也就是说,我们的思维无法摆脱对神经元的依赖,也无法克服物理和化学定律对神经元工作条件的限制。

当然,目前人类对于神经活动与智力的了解还很初步,也许大自然还有使大脑进一步进化的途径。比如在大脑皮层中神经元的总数不变的情况下,把更多的神经元转用于思考,而“牺牲”一些不太重要的功能,比如嗅觉。也许人的大脑已经在这样做了,因为人类现在的嗅觉能力已经大大低于许多其它动物。不过我们到底能“牺牲”多少其它神经系统的功能而又不严重影响我们的生活质量,还是一个难以回答的问题。

因此,作为个人,我们的智力也许不会再有大的提高。但是人类还是可以通过其它方法来提高人脑的工作效率。

一是用人设计的计算机。就像劳动工具是人的手脚的“外延”和“放大”一样,计算机也是人脑功能的“外延”和“放大”。我们可以用计算机在几秒钟内搜寻整个数据库,在一瞬间完成人脑要用数小时,甚至数年才能完成的计算工作。于是就回到马斯克的脑机接口了,未来电脑与人体不再是主体与客体的关系了,而是内化成主体的一部分。

二是使用集体的智力。在人类文明发展的初期,许多发明和创造都是由个人来完成的。但是到了信息时代,人类已经作为一个整体在工作。尤其是沿着脑机接口的思路往下推演,未来人类个体同时接入网络,人脑也成为云计算的一部分,每个人的大脑都成为“人类之脑”的一个细胞,一个神经元,变成你中有我,我中有你,所有人类的脑彼此连接成一个脑,人类之脑,或者说“云脑”。

△ 以上内容节选自朱钦士《生命通史》,北京大学出版社,2019年7月

(编 / 俎燚楠,审 / 任慧)返回搜狐,查看更多

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