深度學(xué)習(xí)腦結(jié)構(gòu)和腦工作原理最詳細圖解

這個帖子很好地提醒了我，為什么我愿意跟如此美麗可愛的大腦一起工作。

因為真正的大腦非常不可愛，長得也難看。

但是，過去一個月，我一直生活在充斥著紅色血管的 Google 圖像的地獄里，所以現(xiàn)在你也得忍著點兒。

我們從外往里看吧。生物學(xué)有時似乎非常讓人滿意，比如你的頭上有一個真正的俄羅斯套娃。

你有頭發(fā)，然后是頭皮，你認為下面就是你的頭骨了——但實際上頭骨之上還有19樣?xùn)|西。

你的頭骨下面，又是一大堆東西，之后才是你的大腦：

在你的頭骨下面，大腦周圍有三個膜，將大腦環(huán)繞：

在外面，有硬腦膜，堅固耐用，防水。硬腦膜與顱骨齊平。我聽到有人說，大腦中沒有疼痛感覺區(qū)，但硬腦膜實際上能感覺疼痛，且和你的面部肌膚一樣敏感，硬膜上的壓力或挫傷往往造成了人們嚴重的頭痛。

然后下面是蛛網(wǎng)膜，這是一層皮膚，然后是帶有彈性的纖維的開放空間。我一直以為我的大腦只是漫無目的地漂在我大腦中的某種液體里，但實際上，腦外和顱骨內(nèi)壁之間的唯一真正的空間差距是這個蛛網(wǎng)膜。這些纖維穩(wěn)定了大腦的位置，因此不能動作太大，他們充當(dāng)減震器，當(dāng)你的頭撞到東西。這個區(qū)域充滿了脊髓液。

最后，是軟腦膜，和腦外融合的很精巧的皮膚層。你知道，當(dāng)你看到一個大腦，它總是覆蓋著惡心的血管。但這些并不是真正在大腦的表面上，它們埋設(shè)在里面。

下面是完整的樣子，使用的樣品可能是豬的大腦：

從左到右是皮膚（粉紅色），然后是兩個頭皮層，然后是頭骨，然后是硬腦膜，蛛網(wǎng)膜，最右邊是只由軟腦膜覆蓋的大腦。

一旦我們把其他部分都剝離下來，我們留下了這個傻孩子：

這個荒謬的東西是宇宙中最復(fù)雜的已知物體，重約三磅，神經(jīng)工程師蒂姆·漢森（Tim Hanson）稱之為“最具信息密度、結(jié)構(gòu)化、自組織化的物質(zhì)之一”。所有這一切只有20瓦的功率（類似計算機的功率為2400萬瓦特）。

這也是麻省理工學(xué)院教授Polina Anikeeva 所說的“你可以用勺子舀出的軟布丁”。大腦外科醫(yī)生Ben Rapoport將它更科學(xué)地描述為“布丁和果凍之間的某種形態(tài)”。他解釋說，如果你將大腦放在桌子上，重力會使它失去形狀，變得很平坦，像一個水母。

但這就是我們。你看著鏡子，看看你的身體和你的臉，你認為這是你——但這只是你的機器。你實際上是一個貪玩的果凍。我希望你不介意。

Krishna Shenoy 教授將我們對大腦的認識與十五世紀(jì)初的世界地圖做比較。另一位教授Jeff Lichtman 甚至更加苛刻。他在課程開始問他的學(xué)生：“如果你需要知道的關(guān)于大腦的一切是一英里，我們走了幾英里？”他說，學(xué)生們給出了四分之三英里、二分之一英里或是四分之一英里的答案，但他認為真正的答案是“大約三英寸”。

第三個教授，神經(jīng)科學(xué)家Moran Cerf ，跟我分享了一個神經(jīng)科學(xué)中由來已久的說法，指出試圖理解大腦有點 22 條軍規(guī)的感覺：“如果人類的大腦這么簡單，能夠讓我們理解，那我們將會因為如此簡單，而不能理解大腦?！?/p>

也許，在我們正在建設(shè)的偉大的知識塔的幫助下，我們可以在某個時候理解大腦?，F(xiàn)在，讓我們看看我們對頭腦里面的這只水母目前有哪些了解。

大腦，縮小看看

讓我們使用半球橫截面看看大腦的主要部分。因此，這是你腦袋里大腦的樣子：

現(xiàn)在，讓我們把大腦取出來，并刪除左半球，這讓我們能看清楚內(nèi)部。

神經(jīng)學(xué)家 Paul MacLean 做了一個簡單的示意圖，說明我們前面談到的爬行動物大腦在進化中的第一次出現(xiàn)，然后是在哺乳動物興盛階段形成的古生哺乳動物腦和新哺乳動物腦。

也可以這么表示

讓我們來看看每個部分：

腦干及小腦（The Brain Stem and Cerebellum)

這是我們的大腦最古老的部分：

我們的大腦橫截面中青蛙大腦的殘留。事實上，青蛙的整個大腦與我們大腦的低水平部分相似。

當(dāng)你了解這些部分的功能，它們很古老這件事就說得通了：一切這些部分能做的事情，青蛙和蜥蜴都可以做。以下是主要部分：

延髓（The medulla oblongata）

延髓真的只是讓你不會死。它控制非自主的事情，比如你的心臟速率、呼吸和血壓。當(dāng)它認為你中毒了，就會讓你嘔吐。

腦橋（The pons）

腦橋的工作是，做點這個，做點那個。它涉及吞咽，膀胱控制，面部表情，咀嚼，唾液，眼淚等等。

中腦（The midbrain）

中腦與視覺，聽覺，動作控制，警覺性，體溫控制有關(guān)，還有一堆其他的事情。大腦被分為了前腦、中腦和后腦。

有一件我要感謝腦橋和中腦的事是，它控制你的眼球自主運動，如果現(xiàn)在你在轉(zhuǎn)眼球，就是你的腦橋和中腦在搞事情。

小腦（The cerebellum）

這個看起來像你大腦陰囊的東西是你的小腦，它使人保持平衡、協(xié)調(diào)和正常移動。

邊緣系統(tǒng)（The limbic System）

大腦的邊緣系統(tǒng)在腦干上，就是它讓人類如此瘋狂。

邊緣系統(tǒng)是一種生存系統(tǒng)。如果你在做你的狗也會做的事情，比如吃，喝，交配，戰(zhàn)斗，躲避等等，可能就是你的大腦邊緣系統(tǒng)在駕馭你。無論你喜歡與否，你做的那些事情，就是處在原始的生存模式。

邊緣系統(tǒng)也是你的情感所在，最終，情緒也都是為了生存——情感是更高級的生存機制，對于處在一個復(fù)雜的社會結(jié)構(gòu)中的動物是必須的。每當(dāng)你發(fā)生思想斗爭時，你的邊緣系統(tǒng)很可能會讓你做出你會后悔的事情。

我敢肯定，控制你的大腦邊緣系統(tǒng)，既意味著成熟，也是一種人性的掙扎。這并不是說沒有邊緣系統(tǒng)，我們會過得更好。邊緣系統(tǒng)在讓我們?nèi)祟惾绱霜毺刂衅鸬搅艘话氲淖饔?。生活的大部分樂趣來源于你的情緒和需要得到滿足。只是你的邊緣系統(tǒng)不知道你活在社會文明中，如果你讓它做主太多，它很快就會毀了你的生活。

無論如何，讓我們再仔細看看。邊緣系統(tǒng)有很多小部分。

杏仁核（The amygdala）

杏仁核有點兒像是大腦結(jié)構(gòu)的情感遺骸。它涉及焦慮，悲傷，以及我們的恐懼反應(yīng)。有兩個杏仁核，奇怪的是，左邊的已被證明更平衡，有時會產(chǎn)生一些幸福的感覺，而右邊的永遠心情不好。

海馬體（The hippocampus）

你的海馬體就像記憶的一塊板子。當(dāng)老鼠開始記憶迷宮的方向，記憶在海馬體上編碼。大鼠的兩個海馬體的不同部分將在迷宮的不同部分起作用，因為迷宮的每個部分被存儲在自己的海馬體部分。但是，如果學(xué)習(xí)一個迷宮后，大鼠被給予其他任務(wù)，一年后，被帶回原來的迷宮，就會很難回憶起它，因為海馬體記憶板上的大多記憶已經(jīng)被抹去，釋放給新的記憶。

丘腦（The thalamus）

在大腦的中心位置，丘腦也作為中間人，從你的感官接收信息，并將其發(fā)送到你的皮質(zhì)處理感官。當(dāng)你睡覺時，丘腦也一起上床，這意味著感官中間人下班了。這就是為什么在沉睡中，一些聲音或輕輕的觸摸往往不會讓你起來。如果你想喚醒深度睡眠的某人，你必須展示出足夠的侵略性來喚醒他們的丘腦。

唯一的例外是你的嗅覺，這是繞過丘腦的一個感覺。這就是為什么嗅鹽可以用來喚醒一個暈倒的人。不像其他的感官，嗅覺位于邊緣系統(tǒng)，這就是為什么氣味和記憶與情感如此緊密地聯(lián)系在一起。

皮層（Cortex）

最后，我們到達了大腦皮層。

大腦皮層（本文主要指新皮層，文中統(tǒng)稱皮層）基本上負責(zé)所有事情：看，聽，觸覺，語言，動作，思維，規(guī)劃和個性。

它分為四葉（lobe）：

它們每個都做了很多事情，且有很多重疊：

額葉（Front lobe）處理個性，以及我們認為的許多“思考”——推理、規(guī)劃和執(zhí)行能力。特別是，您的許多想法發(fā)生在額葉的前部，稱為前額葉皮質(zhì)。額葉負責(zé)你的身體運動。額葉的頂部條是您的主要運動皮質(zhì)。

在其它功能中， 頂葉控制你的觸覺，特別是在初級軀體感覺皮層。

運動和軀體感覺皮層緊挨著對方，它們很有趣，因為它們已經(jīng)被良好的映射出來了。神經(jīng)科學(xué)家確切地知道每個部分連接到你身體的哪一個部分。于是就有了下面這張令人毛骨悚然圖：侏儒。

由先鋒神經(jīng)外科醫(yī)生懷爾德·彭菲爾德創(chuàng)建的侏儒，在視覺上顯示運動和軀體皮層如何被映射。

如果你把皮層從大腦中剝下來，你會得到一張2mm厚，2,000-2,400cm2 大小（48cm x 48cm square）的餐巾紙。

這塊餐巾是大腦發(fā)生大部分動作的地方，這就是為什么你可以思考，移動，感覺，看，聽，記，說話和理解語言。真是有史以來最好的餐巾紙。

還記得我之前說你是一個果凍嗎？你現(xiàn)在知道，感謝你的皮層，你實際上是一塊餐巾紙。

當(dāng)我們將另一個大腦放在我們剝離的皮層上時，可以看出皮層折疊的神奇效果。

大腦，放大看看

即使我們知道大腦很久以前就坐在智慧的寶座之上，直到最近，科學(xué)才發(fā)現(xiàn)大腦是由什么構(gòu)成的?？茖W(xué)家們知道身體是由細胞制成的，但是在19世紀(jì)末期，意大利醫(yī)生Camillo Golgi 才想出如何使用染色方法來看到什么是腦細胞。結(jié)果令人驚訝：

這不是一個細胞本來的樣子。Golgi 發(fā)現(xiàn)了神經(jīng)元。

科學(xué)家們很快想通了，神經(jīng)元是組成大腦和幾乎所有動物的神經(jīng)系統(tǒng)的核心單元。

有很多不同類型的神經(jīng)元。

我們來討論一下簡單且被人說濫了的神經(jīng)元錐體細胞，你會在你的運動皮層發(fā)現(xiàn)這么個家伙：

然后如果我們給他一些額外的腿，一些頭發(fā)，把他的胳膊拿掉，再把它抻長，我們就得到了一個神經(jīng)元。

現(xiàn)在再添加幾個神經(jīng)元

因此，這些家伙的軀干——神經(jīng)元的軸突都具有一個負“靜息電位”，這意味著當(dāng)它處于靜止?fàn)顟B(tài)，它的電荷是輕微的負。在任何時候，一堆人的腳和這些家伙的頭發(fā)——神經(jīng)元的樹突——保持接觸。他們的腳把化學(xué)物質(zhì)——神經(jīng)遞質(zhì)——傳到他的頭發(fā)。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

大腦材料可分為叫做 灰質(zhì) 和 白質(zhì)兩類?；屹|(zhì)看起來顏色較深，且由大腦神經(jīng)元的體細胞及其軸突和樹突組成。白質(zhì)是白色的，因為這些軸突通常包裹在髓鞘中，呈脂肪白。白質(zhì)之間的大塊主要由皮層神經(jīng)元的軸突組成。大腦皮層是像一個偉大的指揮中心。

我見過的反映這一概念最酷的插圖，由Dr. Greg A.Dunn and Dr. Brian Edwards.完成，讓我們看看灰質(zhì)皮質(zhì)的外層和它下面的白質(zhì)結(jié)構(gòu)之間的顯著差異：

這些皮層軸突可能將信息帶到了大腦下部皮層的另一部分，或通過脊髓經(jīng)神經(jīng)系統(tǒng)的高速公路到了軀體的其余部分

讓我們來看看整個神經(jīng)系統(tǒng)：

神經(jīng)系統(tǒng)分為兩個部分：中樞神經(jīng)系統(tǒng)–你的腦和脊髓，和外周神經(jīng)系統(tǒng)——由從脊髓向外輻射到身體其他部分的神經(jīng)元構(gòu)成。

大多數(shù)類型的神經(jīng)元是與其他神經(jīng)元溝通的interneurons。

其他兩個種類的神經(jīng)元是 感覺神經(jīng)元和運動神經(jīng)元 –它們順著你的脊髓而下，組成了外周神經(jīng)系統(tǒng)。這些神經(jīng)元可長達一米。以下是每種類型的一個典型結(jié)構(gòu)：

當(dāng)然，還有神經(jīng)可塑性的事情。每個神經(jīng)元的電壓是不斷變化的，多達每秒數(shù)百次，同時數(shù)以千萬計的突觸連接會在我們的立方體內(nèi)更改大小、消失、重新出現(xiàn)。

如果只是這樣就好了。

原來大腦中還有被稱為神經(jīng)膠質(zhì)細胞的其他細胞，有許多不同的品種，具有多種功能，如清掃釋放到突觸的化學(xué)物質(zhì)、在髓鞘包裝軸突、作為大腦的免疫系統(tǒng)等等。下面是一些常見的神經(jīng)膠質(zhì)細胞：

有多少神經(jīng)膠質(zhì)細胞在大腦皮層？和神經(jīng)元數(shù)量相同。

最后，還有血管。在每立方毫米的皮質(zhì)，共有一米的毛細血管。這樣大小的空間內(nèi)，血管是什么樣子？