最新研究:科學家發現大腦物質與意識之間的聯繫線索

2020-12-03 量子認知

來自德國和希臘的科學家研究團隊，最近發現了人的大腦所具有的幾種新的特性，這些新特性可以解釋我們獨特的智力和意識是如何出現的，及其我們的大腦物質與意識之間的聯繫。這一重要研究成果發表在最近一期的《科學》雜誌上。

這個聯合研究團隊由德國柏林洪堡大學生物研究所、柏林大學神經病學系、柏林大學醫學院、柏林綜合神經解剖學研究所、希臘研究與技術基金會分子生物學與生物技術研究所的跨領域科學家們所組成。

人的意識是如何產生的？這是一個既極為古老然而又相當年輕的問題，幾千年來一直困擾著許多領域的科學家們。科學至今不知道大腦所產生的意識如何從大腦物質本身產生的？為什麼人的大腦比鳥、貓、狗的更聰明？

顯然，我們腦海裡所發生的一切，與所有其它生物中發生的都不一樣，人的意識是非常獨特的。但是，我們的意識的機理研究，長期以來是建立在齧齒動物的測試對象基礎上，齧齒動物的大腦在許多方面可以跟人的大腦某種相似，但又完全不一樣。

在我們每個人的每一天的生活中，大腦中最繁忙也是最複雜的部分是大腦皮層。大腦皮層，又稱為大腦皮質、大腦灰質，或簡稱為皮層或皮質，是包裹在大腦外側的連通皮狀結構，屬於腦和整個神經系統演化史上最為晚出現、功能上最為高階的一部分。

長期以來，人的意識與大腦皮層的關係是建立在大腦皮層這一單一的皮層基礎上來進行的；普遍認為，人的大腦神經活動是皮層神經網絡而不是單個神經元的結果。在大腦皮層內部，科學家發現了比其它動物更厚的組織區域。

該研究團隊科學家們特別地研究了大腦活動在第二層和第三層皮質中是如何通過單個神經元表現出來的，他們發現，單個神經元具有曾經被認為不可能的執行功能。

儘管大腦活動的確切性質是個謎，但我們確實對大腦活動的方式有了相當的了解。人腦是一個神經網絡，它從點到點發送和接收信息，在該點上，不同的神經元在不同的部分起作用。例如，當我們感知到某物時，我們的大腦必須決定它是近還是遠、是大還是小、是紅色還是綠色等等。它通過從各個輸入點提取信息並輸出響應來實現此目的。

動物和昆蟲也可以執行此類計算。我們知道鳥類對飛行航線有特殊的功能，許多哺乳動物可以精確地穿越數千英裡而不迷路。但是，人們有意識和無意識地做到這一切的方式被認為是獨一無二的。

該研究團隊特別深入地研究了大腦神經元之間的分支連接。他們發現，人腦中的單個神經元可以執行我們以前假定為不可能做的計算，這些計算過去認為是由多個神經元網絡連接在一起的結果。

研究小組的研究論文指出：「長期以來一直認為，樹突處的興奮性突觸輸入和軸突處的輸出之和只能做簡單實例化的邏輯運算，例如AND和OR。傳統上，XOR操作被認為是需要網絡解決方案。我們發現，dCaAP（人類大腦神經元的新識別功能）激活功能使它們能夠通過抑制dCaAP的幅度（當輸入高於最佳強度時）來有效地計算枝晶中的XOR運算。」

為理解上面中心論點，有必要簡單解釋一下上面有關術語。樹突是從神經元的細胞本體發出的多分支突起，為神經元的輸入通道，其功能是將自其他神經元所接收的動作電位（電信號）傳送至細胞本體。軸突是神經細胞本體長出的突起，功能為傳遞細胞本體之動作電位至突觸。突觸是神經元之間、或神經元與肌細胞、腺體之間通信的特異性接頭。

該研究團隊研究人員發現，人腦可以調節電活動的幅度，以增加其信號的壽命和功效。顯然，這不僅使單個神經元能夠做這一件事情還是另外一件事，還使他們能夠執行XOR計算，而以前人們認為這對於人腦中的單個神經元是不可能的。

AND、OR、XOR，分別指邏輯與、邏輯或、邏輯異或的邏輯運算。傳統神經理論認為，單個神經元只能做輸入和輸出的與和或的邏輯運算，不能執行較為高級的異或的邏輯運算。異或的邏輯運算需要由神經網絡來執行。當代人工智慧也是基於這樣的理論基礎。

該研究發現，一種稱為dCaAP的人類大腦神經元新識別功能的激活功能，使它們能夠通過抑制dCaAP的幅度（當輸入高於最佳強度時）來有效地計算枝晶中的XOR運算。

目前尚不清楚這種新功能信息到底意味著什麼，但是這種看似獨特的人腦技巧所提供的額外計算能力，可以解釋我們的大腦活動所呈現的獨特的人類智力或意識能力。

接下來研究人員計劃做的是，以弄清新近識別出的這種電活動的作用，以及它是否真正導致了人類所特有的更高的大腦功能。但這是一條令人興奮的線索，它為人的意識是什麼這樣一個歷代難題打開了一扇門，可以潛在地回答人類智力和意識如何出現的最終問題。

參考資料：Albert Gidon, Timothy Adam Zolnik, Pawel Fidzinski, Felix Bolduan4, Athanasia Papoutsi, Panayiota Poirazi, Martin Holtkamp, Imre Vida, Matthew Evan Larkum. "Dendritic action potentials and computation in human layer 2/3 cortical neurons". Science. 03 Jan 2020

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