优信官网app下载-优信彩票官网app下载环球科学》:人类智力已至极限

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  人类的智力因此因此接近极限,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。科学家时需找到突破极限的法子?

  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法学会评出的重大事件报道。

  人类的智力因此因此接近极限,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,但大脑容量增大却有原先反作用:大脑会消耗更多的能量,运行速率也会调慢。大脑内,更好的神经连接也时需消耗能量,不成比例地发生大脑空间。因此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什么的问题一样:容易产生“噪音”。

  不过,人类仍因此达到更高的智力水平,因此借助许多现代技术,比如写作和网络,我们歌词 时需使智力不受身体的。

  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类比成一只精致的怀表,而将哺乳动物大脑比作原先空心的老式座钟。说起来我想们有点硬汗颜,更慢了 想象蜜蜂的大脑仅有毫克重,却可与哺乳动物一样执行许多任务,比如为同伴带、建造家园。蜜蜂的能力因此受到神经元数量的,但它们却可将神经系统的功能发挥到极致。

  原先极端例子是大象,它们的大脑体积是蜜蜂的50 万倍,运行速率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时需的时间,均是蜜蜂的50 倍之多,因此哪几种庞然大物只得减少反射,调慢行动速率,以便把那点宝贵的大脑资源用在怎样才能走好每一步上。

  人类的大脑容量因此不像大象或蜜蜂要能极端,但一帮人发现,人类智力同样受到了物理定律的。人科学学家因此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?即使我们歌词 假设,进化时需出理 产道什么的问题,要能脑袋变大所带来的什么的问题,因此更多更复杂化。

  一帮人或许认为,因此通过进化,我们歌词 大脑中的神经元数量变多,因此神经元之间的信息交流速率加快,我们歌词 就会更聪明。但若汇总新近的许多研究,根据结果进行逻辑推断,我能 发现,因此大脑真朝许多 方向进化,调慢就会触到物理极限。哪几种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,许多 联系有着热力学根源”。

  要能,热动力学定律针对神经元而设置的许多 智力,不是对鸟类、灵长类、海豚、螳螂等所有动物都是效?显然,从来要能考虑过要能宽泛的什么的问题,但本文提到的科学家都认为,许多 什么的问题真是值得探讨。“这是原先很有意思的研究点,”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,“ 我还要能在科幻小说中就看有谁探讨过许多 什么的问题。”

  显然,智力是原先内涵雄厚的词汇: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,但我们歌词 的大脑进化到今天许多 程度,它出理 信息的能力会不不已到“硬件”上的?除了人类,许多神经类生物的智力进化不是也无法摆脱物理定律的?

  从直觉上来看,要使脑力变强,最明显的法子全都增加大脑容量。事实上,50 多年来,大脑容量与智力之间的关系时不时是科学家研究的热点。19 世纪末到20 世纪初,生物学家花了一定量时间来探索生命体的许多一起去行态——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。大脑容量增大的原先好处是,时需容纳更多的神经元,神经元的生长、连接也时需更复杂化。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50 倍,但牛暂且见得比老鼠聪明2个。身体越大,大脑反而时需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,他想寻找许多法子,根据颅骨化石的大小来评估动物的智力。因此,他首先提出假设,因此动物大脑异乎寻常地大,它们也会更聪明,因此在许多 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。杜布瓦与许多学者收集了全都关于动物大脑容量与体型大小的数据,形成了原先日渐庞大的数据库。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要慢于体型的增长——共就是体重增长倍数的3/4 次幂。因此,麝鼠(muskrat)的体重是老鼠的16 倍,它的大脑容量共要要能老鼠的8 倍。根据许多 认识,科学家科学科学发明了杜布瓦时不时在寻找的数学工具:脑商(encephalization quotient),也全都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,脑商反映了原先的大脑增长速率部分3/4 幂律的倍数。比如人类的脑商为7.5(即我们歌词 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,而牛要能0.5(见右图)。简而言之,原先智力的高低因此取决于大脑的神经储备量:除了出理 皮肤触觉之类的日常琐事,还为智力留下了2个神经元。因此,我们歌词 时需归纳得更为简单:共要从冠部 上来看,智力高低取决于大脑容量。

  拿哺乳动物和鸟类来说,大脑变大真是给它们带来了许多好处。大脑越大,神经回不多,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暂且要能频繁。但与此一起去,大脑增大也会产生许多相反的趋势。因此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因此起作用,”巴拉萨布拉曼尼恩说。容量增大的一起去,大脑的负担也会增加。最明显许多全都能耗增多。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%,但即便在我们歌词 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,许多 比例更是达到惊人的65%。

  大脑所需的能量中,相当一部分都耗费在信息交流网络上:人类大脑冠部 中,50% 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行态层次上,遇到更严重的什么的问题。事实上,早在20 世纪中叶,当生物学家在收集关于大脑重量的数据时,我们歌词 也在探究原先更有挑战性的什么的问题:弄清楚大脑的“设计原则”,以及许多 原则又是怎样才能在大小各异的大脑上发挥作用的。

  通常,神经元都是三根细细的“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),也全都该神经元与许多神经元的连接点。轴突就像三根根电话线,时需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。

  在早期的许多开创性研究中,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。我们歌词 观察了10 多种动物的大脑,对于每个动物大脑,都是检测数百,甚至数千个神经元。因此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法子,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50 年代完全描述了许多法子,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。

  观测了多个的大脑原先,科学家发现,随着脑容量增大,就会发生许多微妙却不可持续的变化。首先,神经元的平均大小在变大。因此神经元的总数也在增多,许多 改变使得神经元时需连接不多的“”。但在大脑冠部 上,神经元变大后,密度却下降了,因为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,因此要能轴突变得更粗,要能神经信号的传递速率(轴突越粗,信号传递更慢了 了 )。

  研究人员还发现,脑容量越大的,功能区域就会划分得不多。因此给大脑染色,我能 发现,在显微镜下,大脑冠部 上呈现出全都颜色各异的斑块。每个斑块全都原先功能区,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,许多 特化什么的问题会在原先层次上出現。比如,在左右大脑半球上,相互对应的原先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,我们歌词 时不时把大脑的许多 功能区域划分视作智力的许多标志。但这也反映了原先更加普遍的什么的问题:区域分工是对脑容量变大因为的连接什么的问题的许多补偿,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50 倍,但要能多神经元不因此更慢了 了 地在两两之间形成连接。通过区域分工,把功能之类的神经元划分到同一区域,区域内时需形成雄厚的神经连接,而区域之间仅需一定量长距离连接,大脑就能出理 许多 连接什么的问题。左右大脑半球的分工,也出理 了原先之类的什么的问题:许多 分工法子,减少了原先半球间必需的信息传递量,因而也就不时需不多的长距轴突来连接原先半球。常逸梓说,随着脑容量不断增大,“所有哪几种看似复杂化的过程,真是都全都大脑为出理 连接什么的问题而做的努力,暂且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,大脑时需要对2个方面进行优化,但有利必然也会有弊,”你说,“因此我想改善原先方面,要能许多方面就因此变得更糟。”想象一下,当大脑增大时,因此你让胼体(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,这都是发生哪几种?因此你让轴突增粗,以出理 大脑增大后,左右半球的信号传递调慢,这又会发生哪几种?结果将不容乐观。胼体会增长得更慢了 ,会把原先半球分得更开,以至于抵消了大脑功能的任何改善。

  探究轴突速率和信号传导速率的实验,因此很好解释了上述利弊什么的问题。卡博斯基说,神经元真是会随着脑容量的增大而变大,但神经元之间暂且能更慢了 了 建立连接;轴突也真是会增粗,但增粗速率也过高 以抵消传导径变长因为的信息传递延迟。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,但传递信息的速率仅能提高40% 左右。即使不考虑哪几种因素,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,脑容量增大的那部分更多是用于建立神经元间的连接,而都是真正为负责计算、出理 信息的神经元提供空间。这再一次说明,以脑容量增大的法子提高智力,并都是长久之计。

  有了的研究做铺垫,我们歌词 就更慢了 理解,大脑有柚子要能大的牛为什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,进化也追到了我人个 的变通法子。507 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行态,我们歌词 偶然发现了原先关键行态——原先因此赋予了人类优势的行态。

  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,大脑冠部 上的神经元大小几乎不变。真是有数量极少、负责神经连接的神经元真是变大了,但大部分神经元的大小都要能变化。因此,尽管在灵长类动物中,不同的大脑原先比原先大,但神经元仍然紧密地聚集在一起去。比如,狨猴(marmoset)的脑容量是枭猴的两倍,神经元的数量共要也是两倍,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50%。许多 差异因为了截然不同的结果。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,因此神经元仍是现在要能大,数量却与人类相当一句话,要能它们的大脑因此重达45 千克。从新陈代谢的速率来说,要能大的脑组织所需的能量,几乎会“抽干”啮齿类动物。“这因此全都大型啮齿类动物不比小型之类聪明的一大因为,”卡丝说。神经元较小、排列更密集,似乎真是对智力有影响。505 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)评估了许多动物行态,我们歌词 认为在预测动物的智力上,哪几种行态因此比脑商更有效(通过行为的复杂化程度,时需大致判断动物的智力水平)。“唯一与智力紧密相关的,”罗斯说,“全都大脑冠部 上的神经元数量,以及神经信号的传递速率。”神经元之间的距离变长,信号传递会调慢,而轴突外层的髓鞘(myelination)变厚,信号传递则会调慢。髓鞘是许多脂质绝缘层,能让信号传导更加更慢了 了 。

  因此罗斯是正确的,要能在灵长类动物中,神经元小型化都是双重作用:一是随着脑容量增大,神经元数量时需随之增加;二是时需让信号传递变得调慢,因此神经元的排列变得更加密集。大象和鲸原先应该很聪明,但它们神经元和脑容量不多,因为运行速率低下。“大脑中的神经元太过稀疏,”罗斯说,“这因为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之类的模式变化:脑区之间,神经信号传递速率最快的人,似乎也最聪明。 509 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——也全都说,要看不同脑区在交流时,有要能通过数量许多的中间区域。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)和同事用许多法子也得到了之类的结果。我们歌词 首先测试了29 个健康受试者的工作记忆(可在瞬间记住许多数字的能力)。因此,我们歌词 根据脑磁图记录,估测受试者的不同脑区间信息传递速率有多快。结果发现,神经信息传递最快最直接的人,工作记忆也最强。

  这是原先重大发现。我们歌词 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,长程连接暂且多。但布摩尔和范登赫维尔的研究表明,哪几种直接连接真是很少,对智力却有着极为重要的影响:因此为了节省资源,即使大脑全都切断其中少数连接,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,“许多 代价全都,你都还可以 不能全都简单地削减神经连接”。

  因此神经元之间以及脑区之间的交流我们歌词 说智力发展的瓶颈,要能朝着小型化方向进化的神经元(彼此之间会挨得扎牢,交流调慢)应该会构成原先更聪明的大脑。同样,因此轴突通过进化,能在更长的距离上,以调慢的速率传递信息,即使不变粗,要能让大脑的运行变得更高效。因此,有种东西的发生,却使神经元无法变小,轴突的长度全都能超过某个临界点。或许,我能 把它称作“局限之母”:这全都离子通道,神经元用来产生电脉冲的哪几种蛋白质,它们天生就不稳定。

  离子通道都是微型阀门,通过改变自身行态来实现开或关。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。因此离子通道太小,单凭热振动(thermal vibration,原子在热能驱动下产生的许多振动),便可轻松打开或关闭哪几种通道。原先简单的生物学实验就会让许多 过高 无遗:先用三根玻璃微管,在神经元冠部 隔离原先离子通道,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,我能 发现它暂且像厨房装修里的灯那样,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原先却又打开了,产生许多无意义的神经“噪音”。我能 不断调节电压,但你所做的一切,仅仅是有因此使通道打开或关闭。

  听起来,这像是原先的进化过高 ,但实际上,这是许多折中方案。“因此通道太松,会产生全都‘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, “因此通道太紧,它真是不不产生2个‘噪声’,但原先一来,你得花费更多力气要能打开或关闭它”,也全都说,神经元时需耗费更多能量要能控制离子通道的开关。换言之,神经元使用许多 一触即发的离子通道时需节省能量,但副作用是通道的开关不稳定。这又会出現原先利弊什么的问题:要能当你拥有全都离子通道,并通过“投票机制”来决定神经元不是产生电脉冲时,离子通道才是可靠的(即要能当多数离子通道都发生同一状态时,要能决定神经元不是放电)。因此,因此神经元变小,“投票机制”就会出什么的问题。“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505 年和507 年发表的两篇论文中,拉夫林和同事计算了一下,因此要保留足够的离子通道,不是对轴突的最小尺寸会有所。结果很令人吃惊。“当轴突直径为50 ~ 50 纳米时,它们就会产生一定量的噪音,”劳克林说。在许多 状态下,三根轴突上要能一定量离子通道,以至于因此原先通道意外打开,就会致使轴突传递原先信号(见第33 页图框),尽管神经元还要能放电的打算。在大脑中,最细的轴突因此发出的噪音信号因此达到每秒6 次,因此再将它们的直径哪怕缩小许多点,它们发出噪音的次数就因此超过每秒50 次。拉夫林指出:“大脑冠部 灰质中的哪几种神经元,它们的轴突的直径,因此非常接近物理极限。”

  信息、能量和噪声之间的许多 最基本的折中方案暂且限于生物学。从光纤通信、无线电传输到电脑芯片,许多 机制都适用。晶体管的作用和离子通道之类,都控制着电信号的通断。50 年来,工程师设计出的晶体管要能小,塞在芯片上的晶体管不多,计算机的运行速率就是我 能快。在最新一代的芯片上,晶体管的直径是22 纳米。在许多 尺度下,在晶体管中均匀掺入硅元素变得非常困难(许多 过程叫做,是指向晶体管掺入一定量的许多成分,用以调整半导体的性能)。当晶体管的直径接近10 纳米时,单个硼原子的随机出現或缺失都因此引起不可预测的后果。

  这时,工程师你说会回到绘图板,用许多全新的技术重新设计芯片,以避开当前的许多 。然而,生物进化不因此重新过后开始了了:它时需在既定规则下,使用在过去5 亿年里出現的“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,还有原先因为我能 怀疑,人类大脑时需通过一次进化上的飞跃变得更聪明。当神经元首次进化出現时,地球生物原先有全都进化方向时需选用,但6 亿年后,奇怪的事情发生了。罗斯指出,真是从冠部 上看,蜜蜂、章鱼、乌鸦和聪明的哺乳动物长得千差万别,但因此再看视觉、触觉、嗅觉、情景记忆和方向感身后的神经回,我能 发现,“哪几种动物的神经回的构成惊人地之类”。许多 进化上的趋同性说明,解剖学或生理学上的许多出理 方案因此趋近性性成长期的句子的句子的句子期的句子,很少有改进的余地了。

  你说,现今动物因此有了最合理的“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发生相互作用,因此逐步绘制而成的,在动物中因此根深蒂固。

  要能,在现有构建模块下,我们歌词 大脑的复杂化程度是都是因此触碰到物理极限?拉夫林认为,大脑功能因此受到了许多硬性,如同光速受到的一样。“就好像你碰到了收益递减规律,”你说,“真是投资得不多,但收益却要能小。”我们歌词 的大脑中仅能容纳要能多神经元,神经元之间要能建立要能多连接,哪几种连接每秒钟所能承载的电信号也就要能多。因此,因此我们歌词 的体型和大脑变得更大,我们歌词 会在能耗、散热上付出更多代价,神经信号从原先部位传到原先部位也要浪费更多时间。

  尽管要能,除了进化之外,人类因此还有更好的智力提升法子。毕竟,蜜蜂和许多群居昆虫做到了许多 点:蜂巢里的蜜蜂们行动一致,形成了原先集体,而集体智慧网要大于单个蜜蜂的智慧网的总和。人类也是要能,通过社会交往,我们歌词 已会了将我人个 与他人的智慧网融合起来。

  因此,我们歌词 还有科学技术。几千年来,书面语言我想们时需在体外储存信息,不再局限于大脑记忆。你说一帮人会说,互联网因此终结智力向体外扩展的趋势。从许多意义上讲,这因此是正确的,就像一帮人说的那样,互联网使人变得愚钝:人类的集体智慧网——文化和计算机——因此会削弱我人个 智慧网向前发展的动力。

  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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