飞艇下载-2分飞艇下载环球科学》:人类智力已至极限

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  人类的智力可能可能接近极限,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。科学家很久 找到突破极限的措施?

  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学精评出的重大事件报道。

  人类的智力可能可能接近极限,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,但大脑容量增大却十个 反作用:大脑会消耗更多的能量,运行速率单位也会更慢。大脑内,更好的神经连接也须要消耗能量,不成比例地处在大脑空间。可能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问题图片图片一样:容易产生“噪音”。

  不过,人类仍可能达到更高的智力水平,很久借助无需 无需 现代技术,比如写作和网络,当当我们 很久 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科学学主,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十个 空心的老式座钟。说起来让当当我们 不为啥汗颜,先要想象蜜蜂的大脑仅有毫克重,却可与哺乳动物一样执行无需 无需 任务,比如为同伴带、建造家园。蜜蜂的能力可能受到神经元数量的,但它们却可将神经系统的功能发挥到极致。

  十个 极端例子是大象,它们的大脑体积是蜜蜂的10000 万倍,运行速率单位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须要的时间,均是蜜蜂的1000 倍之多,很久哪些庞然大物只得减少反射,更慢行动速率单位,以便把那点宝贵的大脑资源用在怎么可不可以走好每一步上。

  人类的大脑容量可能不像大象或蜜蜂不到 极端,但村里人 发现,人类智力同样受到了物理定律的。科学科学学家可能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?即使当当我们 假设,进化很久 外理产道问题图片图片,不到 脑袋变大所带来的问题图片图片,可能更多更复杂。

  村里人 或许认为,我希望通过进化,当当我们 大脑中的神经元数量变多,可能神经元之间的信息交流速率单位加快,当当我们 就会更聪明。但若汇总新近的无需 无需 研究,根据结果进行逻辑推断,我就发现,可能大脑真朝这些 方向进化,更慢就会触到物理极限。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”。

  不到 ,热动力学定律针对神经元而设置的这些 智力,否有对鸟类、灵长类、海豚、螳螂等所有动物都是效?显然,从来不到 考虑过不到 宽泛的问题图片图片,但本文提到的科学家都认为,这些 问题图片图片虽然值得探讨。“这是十个 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,“ 我还不到 在科幻小说中看完有谁探讨过这些 问题图片图片。”

  显然,智力是十个 内涵雄厚的词汇:它难以衡量,甚至难以定义。不管从哪个方面来看,人类都是地球上最聪明的动物,但当当我们 的大脑进化到今天这些 程度,它外理信息的能力会无需已到“硬件”上的?除了人类,无需 无需 神经类生物的智力进化否有也无法摆脱物理定律的?

  从直觉上来看,要使脑力变强,最明显的措施很久增加大脑容量。事实上,1000 多年来,大脑容量与智力之间的关系无缘无故是科学家研究的热点。19 世纪末到20 世纪初,生物学家花了多量时间来探索生命体的无需 无需 并肩形状——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。大脑容量增大的十个 好处是,很久 容纳更多的神经元,神经元的生长、连接并很久 更复杂。然而,大脑容量的大小并都是决定智力高低的唯一因素:牛的脑体积是老鼠的10000 倍,但牛难能可贵见得比老鼠聪明哪好多个。身体越大,大脑反而须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,他想寻找某种措施,根据颅骨化石的大小来评估动物的智力。很久,他首先提出假设,可能动物大脑异乎寻常地大,它们也会更聪明,很久在这些 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。杜布瓦与无需 无需 学者分派了无需 无需 关于动物大脑容量与体型大小的数据,形成了十个 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,大脑容量的增长速率单位要慢于体型的增长——最少 是体重增长倍数的3/4 次幂。很久,麝鼠(muskrat)的体重是老鼠的16 倍,它的大脑容量最少 不到老鼠的8 倍。根据这些 认识,科学家发明者者了杜布瓦无缘无故在寻找的数学工具:脑商(encephalization quotient),也很久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,脑商反映了十个 的大脑增长速率单位次责3/4 幂律的倍数。比如人类的脑商为7.5(即当当我们 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,十个 智力的高低可能取决于大脑的神经储备量:除了外理皮肤触觉类似于于的日常琐事,还为智力留下了哪好多个神经元。可能,当当我们 还很久 归纳得更为简单:最少 从表表皮层上来看,智力高低取决于大脑容量。

  拿哺乳动物和鸟类来说,大脑变大虽然给它们带来了无需 无需 好处。大脑越大,神经回无需 ,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难能可贵不到 频繁。但与此并肩,大脑增大也会产生某种相反的趋势。可能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可能起作用,”巴拉萨布拉曼尼恩说。容量增大的并肩,大脑的负担也会增加。最明显无需 无需 很久能耗增多。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%,但即便在当当我们 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,相当一次责都耗费在信息交流网络上:人类大脑表表皮层中,1000% 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形状层次上,遇到更严重的问题图片图片。事实上,早在20 世纪中叶,当生物学家在分派关于大脑重量的数据时,当当我们 也在探究十个 更有挑战性的问题图片图片:弄清楚大脑的“设计原则”,以及这些 原则又是怎么可不可以在大小各异的大脑上发挥作用的。

  通常,神经元都是一根绳子 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),也很久该神经元与无需 无需 神经元的连接点。轴突就像一根绳子 根电话线,很久 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。

  在早期的无需 无需 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。当当我们 观察了10 多种动物的大脑,对于每个动物大脑,很久检测数百,甚至数千个神经元。可能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措施,从鲸的尸体上剥离完全的大脑。古斯塔夫· 阿道夫· 古德贝格(Gustav Adolf Guldberg)曾在19 世纪1000 年代完全描述了某种措施,使用双人伐木锯、斧头、凿子和足够的气力,像开罐头一样,打开了鲸的颅骨中间。

  观测了多个的大脑事先,科学家发现,随着脑容量增大,就会处在无需 无需 微妙却不可持续的变化。首先,神经元的平均大小在变大。可能神经元的总数也在增多,这些 改变使得神经元很久 连接无需 的“”。但在大脑表表皮层上,神经元变大后,密度却下降了,原应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,很久不到轴突变得更粗,并能神经信号的传递速率单位(轴突越粗,信号传递更慢)。

  研究人员还发现,脑容量越大的,功能区域就会划分得无需 。可能给大脑染色,我就发现,在显微镜下,大脑表表皮层上呈现出无需 无需 颜色各异的斑块。每个斑块很久十个 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 特化问题图片图片会在十个 层次上再次出显。比如,在左右大脑半球上,相互对应的十个 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,当当我们 无缘无故把大脑的这些 功能区域划分视作智力的某种标志。但这也反映了十个 更加普遍的问题图片图片:区域分工是对脑容量变大原应的连接问题图片图片的某种补偿,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1000 倍,但不到 多神经元可能更慢地在两两之间形成连接。通过区域分工,把功能类似于于的神经元划分到同一区域,区域内很久 形成雄厚的神经连接,而区域之间仅需多量长距离连接,大脑就能外理这些 连接问题图片图片。左右大脑半球的分工,也外理了十个 类似于于的问题图片图片:这些 分工措施,减少了十个 半球间必需的信息传递量,因而也就不须要无需 的长距轴突来连接十个 半球。常逸梓说,随着脑容量不断增大,“所哪些看似复杂的过程,虽然都很久大脑为外理连接问题图片图片而做的努力,难能可贵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,大脑须要要对哪好多个方面进行优化,但有利必然也会有弊,”当当我们 说,“可能我就 改善十个 方面,不到 无需 无需 方面就可能变得更糟。”想象一下,当大脑增大时,可能你让胼体(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,这很久处在哪些?可能你让轴突增粗,以外理大脑增大后,左右半球的信号传递更慢,这又会处在哪些?结果将不容乐观。胼体会增长得更慢,会把十个 半球分得更开,以至于抵消了大脑功能的任何改善。

  探究轴突高度和信号传导速率单位的实验,可能很好解释了上述利弊问题图片图片。卡博斯基说,神经元虽然会随着脑容量的增大而变大,但神经元之间难能可贵能更慢建立连接;轴突也虽然会增粗,但增粗速率单位也缺陷以抵消传导径变长原应的信息传递延迟。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,但传递信息的速率单位仅能提高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)的体积增长速率单位也要快于大脑灰质(神经元的主体,细胞核所在)。换句话说,脑容量增大的那次责更多是用于建立神经元间的连接,而都是真正为负责计算、外理信息的神经元提供空间。这再一次说明,以脑容量增大的措施提高智力,并都是长久之计。

  有了的研究做铺垫,当当我们 就先要理解,大脑有柚子不到 大的牛为啥会 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,进化也搞懂了买车人的变通措施。10007 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形状,当当我们 偶然发现了十个 关键形状——十个 可能赋予了人类优势的形状。

  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,大脑表表皮层上的神经元大小几乎不变。虽然有数量极少、负责神经连接的神经元虽然变大了,但大次责神经元的大小都不到 变化。很久,尽管在灵长类动物中,不同的大脑十个 比十个 大,但神经元仍然紧密地聚集在并肩。比如,狨猴(marmoset)的脑容量是枭猴的两倍,神经元的数量最少 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1000%。这些 差异原应了截然不同的结果。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,可能神经元仍是现在不到 大,数量却与人类相当一句话,不到 它们的大脑可能重达45 千克。从新陈代谢的高度来说,不到 大的脑组织所需的能量,几乎会“抽干”啮齿类动物。“这可能很久大型啮齿类动物不比小型类似于于聪明的一大原应,”卡丝说。神经元较小、排列更密集,似乎虽然对智力有影响。10005 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)评估了无需 无需 动物形状,当当我们 认为在预测动物的智力上,哪些形状可能比脑商更有效(通过行为的复杂程度,很久 大致判断动物的智力水平)。“唯一与智力紧密相关的,”罗斯说,“很久大脑表表皮层上的神经元数量,以及神经信号的传递速率单位。”神经元之间的距离变长,信号传递会更慢,而轴突外层的髓鞘(myelination)变厚,信号传递则会更慢。髓鞘是某种脂质绝缘层,能让信号传导更加更慢。

  可能罗斯是正确的,不到 在灵长类动物中,神经元小型化都是双重作用:一是随着脑容量增大,神经元数量很久 随之增加;二是很久 让信号传递变得更慢,可能神经元的排列变得更加密集。大象和鲸十个 应该很聪明,但它们神经元和脑容量无需 ,原应运行速率单位低下。“大脑中的神经元太过稀疏,”罗斯说,“这原应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似于于的模式变化:脑区之间,神经信号传递速率单位最快的人,似乎也最聪明。 10009 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——也很久说,要看不同脑区在交流时,有不到 通过数量无需 无需 的中间区域。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)和同事用无需 无需 措施也得到了类似于于的结果。当当我们 首先测试了29 个健康受试者的工作记忆(可在瞬间记住无需 无需 数字的能力)。很久,当当我们 根据脑磁图记录,估测受试者的不同脑区间信息传递速率单位有多快。结果发现,神经信息传递最快最直接的人,工作记忆也最强。

  这是十个 重大发现。当当我们 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,长程连接难能可贵多。但布摩尔和范登赫维尔的研究表明,哪些直接连接虽然很少,对智力却有着极为重要的影响:可能为了节省资源,即使大脑很久切断其中少数连接,也会造成严重后果。 “要想变得聪明,都是要付出代价的,”布模说,“这些 代价很久,你不到很久简单地削减神经连接”。

  可能神经元之间以及脑区之间的交流虽然 智力发展的瓶颈,不到 朝着小型化方向进化的神经元(彼此之间会挨得扎牢,交流更慢)应该会构成十个 更聪明的大脑。同样,可能轴突通过进化,能在更长的距离上,以更慢的速率单位传递信息,即使不变粗,并能让大脑的运行变得更高效。很久,有种东西的处在,却使神经元无法变小,轴突的长度很久能超过某个临界点。或许,我就把它称作“局限之母”:这很久离子通道,神经元用来产生电脉冲的哪些蛋白质,它们天生就不稳定。

  离子通道都是微型阀门,通过改变自身形状来实现开或关。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。可能离子通道太小,单凭热振动(thermal vibration,原子在热能驱动下产生的某种振动),便可轻松打开或关闭哪些通道。十个 简单的生物学实验就会我很久什么缺陷无遗:先用一根绳子 玻璃微管,在神经元表表皮层隔离十个 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,我就发现它难能可贵像厨房餐厅里的灯那样,说开就开,说关就关,它的开或关完都是随机的。有时,它根本就打不开,有时在本不应该打开的事先却又打开了,产生无需 无需 无意义的神经“噪音”。我就不断调节电压,但你所做的一切,仅仅是有可能使通道打开或关闭。

  听起来,这像是十个 的进化缺陷,但实际上,这是某种折中方案。“可能通道太松,会产生无需 无需 ‘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, “可能通道太紧,它虽然无需产生哪好多个‘噪声’,但十个 一来,你得花费更多力气并能打开或关闭它”,也很久说,神经元须要耗费更多能量并能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很久 节省能量,但副作用是通道的开关不稳定。这又会再次出显十个 利弊问题图片图片:不到当你拥否有需 无需 离子通道,并通过“投票机制”来决定神经元否有产生电脉冲时,离子通道才是可靠的(即不到当多数离子通道都处在同一具体情况时,并能决定神经元否有放电)。很久,可能神经元变小,“投票机制”就会出问题图片图片。“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10005 年和10007 年发表的两篇论文中,拉夫林和同事计算了一下,可能要保留足够的离子通道,否有对轴突的最小尺寸会有所。结果很令人吃惊。“当轴突直径为1000 ~ 1000 纳米时,它们就会产生多量的噪音,”劳克林说。在这些 具体情况下,一根绳子 轴突上不到多量离子通道,以至于我希望十个 通道意外打开,就会致使轴突传递十个 信号(见第33 页图框),尽管神经元还不到 放电的打算。在大脑中,最细的轴突可能发出的噪音信号可能达到每秒6 次,可能再将它们的直径哪怕缩小无需 无需 点,它们发出噪音的次数就可能超过每秒1000 次。拉夫林指出:“大脑表表皮层灰质中的哪些神经元,它们的轴突的直径,可能非常接近物理极限。”

  信息、能量和噪声之间的这些 最基本的折中方案难能可贵限于生物学。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似于于,都控制着电信号的通断。1000 年来,工程师设计出的晶体管不到 小,塞在芯片上的晶体管无需 ,计算机的运行速率单位很久到 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,是指向晶体管掺入多量的无需 无需 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,单个硼原子的随机再次出显或缺失都可能引起不可预测的后果。

  这时,工程师当当我们 说会回到绘图板,用某种全新的技术重新设计芯片,以避开当前的这些 。然而,生物进化可能重新开始英文:它须要在既定规则下,使用在过去5 亿年里再次出显的“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,还十个 原应我就怀疑,人类大脑很久 通过一次进化上的飞跃变得更聪明。当神经元首次进化再次出显时,地球生物十个 否有需 无需 进化方向很久 选泽,但6 亿年后,奇怪的事情处在了。罗斯指出,虽然从表表皮层上看,蜜蜂、章鱼、乌鸦和聪明的哺乳动物长得千差万别,但可能再看视觉、触觉、嗅觉、情景记忆和方向感背后的神经回,我就发现,“哪些动物的神经回的构成惊人地类似于于”。这些 进化上的趋同性说明,解剖学或生理学上的某种外理方案可能趋近心智心智心智心智心智性性性成长期是什么是什么 图片 ,很少有改进的余地了。

  当当我们 说,现今动物可能有了最合理的“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处在相互作用,很久逐步绘制而成的,在动物中可能根深蒂固。

  不到 ,在现有构建模块下,当当我们 大脑的复杂程度是都是可能触碰到物理极限?拉夫林认为,大脑功能可能受到了无需 无需 硬性,如同光速受到的一样。“就好像你碰到了收益递减规律,”当当我们 说,“虽然投资得无需 ,但收益却不到 小。”当当我们 的大脑中仅能容纳不到 多神经元,神经元之间不到建立不到 多连接,哪些连接每秒钟所能承载的电信号也就不到 多。很久,可能当当我们 的体型和大脑变得更大,当当我们 会在能耗、散热上付出更多代价,神经信号从十个 部位传到十个 部位也要浪费更多时间。

  尽管不到 ,除了进化之外,人类可能还有更好的智力提升措施。毕竟,蜜蜂和无需 无需 群居昆虫做到了这些 点:蜂巢里的蜜蜂们行动一致,形成了十个 集体,而集体智慧生活 要大于单个蜜蜂的智慧生活 的总和。人类也是不到 ,通过社会交往,当当我们 已会了将买车人与他人的智慧生活 融合起来。

  很久,当当我们 还有科学技术。几千年来,书面语言让当当我们 很久 在体外储存信息,不再局限于大脑记忆。当当我们 说村里人 会说,互联网可能终结智力向体外扩展的趋势。从某种意义上讲,这可能是正确的,就像无需 无需 人说的那样,互联网使人变得愚钝:人类的集体智慧生活 ——文化和计算机——可能会削弱买车人智慧生活 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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