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深度学习脑结构和脑工作原理最详细图解

mK5P_AItists 来源:未知 2019-08-03 12:00 次阅读

这个帖子很好地提醒了我,为什么我愿意跟如此美丽可爱的大脑一起工作。

因为真正的大脑非常不可爱,长得也难看。

但是,过去一个月,我一直生活在充斥着红色血管的 Google 图像的地狱里,所以现在你也得忍着点儿。

我们从外往里看吧。生物学有时似乎非常让人满意,比如你的头上有一个真正的俄罗斯套娃。

你有头发,然后是头皮,你认为下面就是你的头骨了——但实际上头骨之上还有19样东西。

你的头骨下面,又是一大堆东西,之后才是你的大脑:

在你的头骨下面,大脑周围有三个膜,将大脑环绕:

在外面,有硬脑膜,坚固耐用,防水。硬脑膜与颅骨齐平。我听到有人说,大脑中没有疼痛感觉区,但硬脑膜实际上能感觉疼痛,且和你的面部肌肤一样敏感,硬膜上的压力或挫伤往往造成了人们严重的头痛。

然后下面是蛛网膜,这是一层皮肤,然后是带有弹性的纤维的开放空间。我一直以为我的大脑只是漫无目的地漂在我大脑中的某种液体里,但实际上,脑外和颅骨内壁之间的唯一真正的空间差距是这个蛛网膜。这些纤维稳定了大脑的位置,因此不能动作太大,他们充当减震器,当你的头撞到东西。这个区域充满了脊髓液。

最后,是软脑膜,和脑外融合的很精巧的皮肤层。你知道,当你看到一个大脑,它总是覆盖着恶心的血管。但这些并不是真正在大脑的表面上,它们埋设在里面。

下面是完整的样子,使用的样品可能是猪的大脑:

从左到右是皮肤(粉红色),然后是两个头皮层,然后是头骨,然后是硬脑膜,蛛网膜,最右边是只由软脑膜覆盖的大脑。

一旦我们把其他部分都剥离下来,我们留下了这个傻孩子:

这个荒谬的东西是宇宙中最复杂的已知物体,重约三磅,神经工程师蒂姆·汉森(Tim Hanson)称之为“最具信息密度、结构化、自组织化的物质之一”。所有这一切只有20瓦的功率(类似计算机的功率为2400万瓦特)。

这也是麻省理工学院教授Polina Anikeeva 所说的“你可以用勺子舀出的软布丁”。大脑外科医生Ben Rapoport将它更科学地描述为“布丁和果冻之间的某种形态”。他解释说,如果你将大脑放在桌子上,重力会使它失去形状,变得很平坦,像一个水母。

但这就是我们。你看着镜子,看看你的身体和你的脸,你认为这是你——但这只是你的机器。你实际上是一个贪玩的果冻。我希望你不介意。

Krishna Shenoy 教授将我们对大脑的认识与十五世纪初的世界地图做比较。另一位教授Jeff Lichtman 甚至更加苛刻。他在课程开始问他的学生:“如果你需要知道的关于大脑的一切是一英里,我们走了几英里?”他说,学生们给出了四分之三英里、二分之一英里或是四分之一英里的答案,但他认为真正的答案是“大约三英寸”。

第三个教授,神经科学家Moran Cerf ,跟我分享了一个神经科学中由来已久的说法,指出试图理解大脑有点 22 条军规的感觉:“如果人类的大脑这么简单,能够让我们理解,那我们将会因为如此简单,而不能理解大脑。”

也许,在我们正在建设的伟大的知识塔的帮助下,我们可以在某个时候理解大脑。现在,让我们看看我们对头脑里面的这只水母目前有哪些了解。

大脑,缩小看看

让我们使用半球横截面看看大脑的主要部分。因此,这是你脑袋里大脑的样子:

现在,让我们把大脑取出来,并删除左半球,这让我们能看清楚内部。

神经学家 Paul MacLean 做了一个简单的示意图,说明我们前面谈到的爬行动物大脑在进化中的第一次出现,然后是在哺乳动物兴盛阶段形成的古生哺乳动物脑和新哺乳动物脑。

也可以这么表示

让我们来看看每个部分:

脑干及小脑(The Brain Stem and Cerebellum)

这是我们的大脑最古老的部分:

我们的大脑横截面中青蛙大脑的残留。事实上,青蛙的整个大脑与我们大脑的低水平部分相似。

当你了解这些部分的功能,它们很古老这件事就说得通了:一切这些部分能做的事情,青蛙和蜥蜴都可以做。以下是主要部分:

延髓(The medulla oblongata)

延髓真的只是让你不会死。它控制非自主的事情,比如你的心脏速率、呼吸和血压。当它认为你中毒了,就会让你呕吐。

脑桥(The pons)

脑桥的工作是,做点这个,做点那个。它涉及吞咽,膀胱控制,面部表情,咀嚼,唾液,眼泪等等。

中脑(The midbrain)

中脑与视觉,听觉,动作控制,警觉性,体温控制有关,还有一堆其他的事情。大脑被分为了前脑、中脑和后脑。

有一件我要感谢脑桥和中脑的事是,它控制你的眼球自主运动,如果现在你在转眼球,就是你的脑桥和中脑在搞事情。

小脑(The cerebellum)

这个看起来像你大脑阴囊的东西是你的小脑,它使人保持平衡、协调和正常移动。

边缘系统(The limbic System)

大脑的边缘系统在脑干上,就是它让人类如此疯狂。

边缘系统是一种生存系统。如果你在做你的狗也会做的事情,比如吃,喝,交配,战斗,躲避等等,可能就是你的大脑边缘系统在驾驭你。无论你喜欢与否,你做的那些事情,就是处在原始的生存模式。

边缘系统也是你的情感所在,最终,情绪也都是为了生存——情感是更高级的生存机制,对于处在一个复杂的社会结构中的动物是必须的。每当你发生思想斗争时,你的边缘系统很可能会让你做出你会后悔的事情。

我敢肯定,控制你的大脑边缘系统,既意味着成熟,也是一种人性的挣扎。这并不是说没有边缘系统,我们会过得更好。边缘系统在让我们人类如此独特中起到了一半的作用。生活的大部分乐趣来源于你的情绪和需要得到满足。只是你的边缘系统不知道你活在社会文明中,如果你让它做主太多,它很快就会毁了你的生活。

无论如何,让我们再仔细看看。边缘系统有很多小部分。

杏仁核(The amygdala)

杏仁核有点儿像是大脑结构的情感遗骸。它涉及焦虑,悲伤,以及我们的恐惧反应。有两个杏仁核,奇怪的是,左边的已被证明更平衡,有时会产生一些幸福的感觉,而右边的永远心情不好。

海马体(The hippocampus)

你的海马体就像记忆的一块板子。当老鼠开始记忆迷宫的方向,记忆在海马体上编码。大鼠的两个海马体的不同部分将在迷宫的不同部分起作用,因为迷宫的每个部分被存储在自己的海马体部分。但是,如果学习一个迷宫后,大鼠被给予其他任务,一年后,被带回原来的迷宫,就会很难回忆起它,因为海马体记忆板上的大多记忆已经被抹去,释放给新的记忆。

丘脑(The thalamus)

在大脑的中心位置,丘脑也作为中间人,从你的感官接收信息,并将其发送到你的皮质处理感官。当你睡觉时,丘脑也一起上床,这意味着感官中间人下班了。这就是为什么在沉睡中,一些声音或轻轻的触摸往往不会让你起来。如果你想唤醒深度睡眠的某人,你必须展示出足够的侵略性来唤醒他们的丘脑。

唯一的例外是你的嗅觉,这是绕过丘脑的一个感觉。这就是为什么嗅盐可以用来唤醒一个晕倒的人。不像其他的感官,嗅觉位于边缘系统,这就是为什么气味和记忆与情感如此紧密地联系在一起。

皮层(Cortex)

最后,我们到达了大脑皮层。

大脑皮层(本文主要指新皮层,文中统称皮层)基本上负责所有事情:看,听,触觉,语言,动作,思维,规划和个性。

它分为四叶(lobe):

它们每个都做了很多事情,且有很多重叠:

额叶(Front lobe)处理个性,以及我们认为的许多“思考”——推理、规划和执行能力。特别是,您的许多想法发生在额叶的前部,称为前额叶皮质。额叶负责你的身体运动。额叶的顶部条是您的主要运动皮质。

在其它功能中, 顶叶控制你的触觉,特别是在初级躯体感觉皮层。

运动和躯体感觉皮层紧挨着对方,它们很有趣,因为它们已经被良好的映射出来了。神经科学家确切地知道每个部分连接到你身体的哪一个部分。于是就有了下面这张令人毛骨悚然图:侏儒。

由先锋神经外科医生怀尔德·彭菲尔德创建的侏儒,在视觉上显示运动和躯体皮层如何被映射。

如果你把皮层从大脑中剥下来,你会得到一张2mm厚,2,000-2,400cm2 大小(48cm x 48cm square)的餐巾纸。

这块餐巾是大脑发生大部分动作的地方,这就是为什么你可以思考,移动,感觉,看,听,记,说话和理解语言。真是有史以来最好的餐巾纸。

还记得我之前说你是一个果冻吗?你现在知道,感谢你的皮层,你实际上是一块餐巾纸。

当我们将另一个大脑放在我们剥离的皮层上时,可以看出皮层折叠的神奇效果。

大脑,放大看看

即使我们知道大脑很久以前就坐在智慧的宝座之上,直到最近,科学才发现大脑是由什么构成的。科学家们知道身体是由细胞制成的,但是在19世纪末期,意大利医生Camillo Golgi 才想出如何使用染色方法来看到什么是脑细胞。结果令人惊讶:

这不是一个细胞本来的样子。Golgi 发现了神经元。

科学家们很快想通了,神经元是组成大脑和几乎所有动物的神经系统的核心单元。

有很多不同类型的神经元。

我们来讨论一下简单且被人说滥了的神经元锥体细胞,你会在你的运动皮层发现这么个家伙:

然后如果我们给他一些额外的腿,一些头发,把他的胳膊拿掉,再把它抻长,我们就得到了一个神经元。

现在再添加几个神经元

因此,这些家伙的躯干——神经元的轴突都具有一个负“静息电位”,这意味着当它处于静止状态,它的电荷是轻微的负。在任何时候,一堆人的脚和这些家伙的头发——神经元的树突——保持接触。他们的脚把化学物质——神经递质——传到他的头发。

神经网络

大脑材料可分为叫做 灰质 和 白质两类。灰质看起来颜色较深,且由大脑神经元的体细胞及其轴突和树突组成。白质是白色的,因为这些轴突通常包裹在髓鞘中,呈脂肪白。白质之间的大块主要由皮层神经元的轴突组成。大脑皮层是像一个伟大的指挥中心。

我见过的反映这一概念最酷的插图,由Dr. Greg A.Dunn and Dr. Brian Edwards.完成,让我们看看灰质皮质的外层和它下面的白质结构之间的显著差异:

这些皮层轴突可能将信息带到了大脑下部皮层的另一部分,或通过脊髓经神经系统的高速公路到了躯体的其余部分

让我们来看看整个神经系统:

神经系统分为两个部分:中枢神经系统–你的脑和脊髓,和外周神经系统——由从脊髓向外辐射到身体其他部分的神经元构成。

大多数类型的神经元是与其他神经元沟通的interneurons。

其他两个种类的神经元是 感觉神经元和运动神经元 –它们顺着你的脊髓而下,组成了外周神经系统。这些神经元可长达一米。以下是每种类型的一个典型结构:

当然,还有神经可塑性的事情。每个神经元的电压是不断变化的,多达每秒数百次,同时数以千万计的突触连接会在我们的立方体内更改大小、消失、重新出现。

如果只是这样就好了。

原来大脑中还有被称为神经胶质细胞的其他细胞,有许多不同的品种,具有多种功能,如清扫释放到突触的化学物质、在髓鞘包装轴突、作为大脑的免疫系统等等。下面是一些常见的神经胶质细胞:

有多少神经胶质细胞在大脑皮层?和神经元数量相同。

最后,还有血管。在每立方毫米的皮质,共有一米的毛细血管。这样大小的空间内,血管是什么样子?

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原文标题:脑结构、脑工作原理最详细图解

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