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本书是英国《新科学家》杂志汇编世界知名的神经科学家在脑科学领域的诸多研究成果，介绍了大脑的特点，如记忆、智力、情绪、睡眠、感知觉以及意识等，介绍它的演化历程以及解剖结构。本书中讨论了科学家如何通过电场以及磁场来控制人们的大脑，同时也探讨了那些通过大脑就可以控制外界的最新科技。
科学新悦读文丛
科学速读：脑内新世界
人民邮电出版社
北京
图书在版编目（CIP）数据
科学速读：脑内新世界 / 《新科学家》杂志编；蔡春林，唐骋译.--北京：人民邮电出版社，2019.5
（科学新悦读文丛）
ISBN 978-7-115-49986-8
Ⅰ.①科… Ⅱ.①新…②蔡…③唐… Ⅲ.①脑科学-普及读物 Ⅳ.①R338.2-49
中国版本图书馆CIP数据核字（2018）第253163号
◆编 [英]《新科学家》杂志
译 蔡春林 唐骋
责任编辑 王朝辉
责任印制 陈犇
◆ 人民邮电出版社出版发行 北京市丰台区成寿寺路11号
邮编 100164 电子邮件 315@ptpress.com.cn
网址 http://www.ptpress.com.cn
大厂聚鑫印刷有限责任公司印刷
◆ 开本：880×1230 1/32
印张：6.375 2019年5月第1版
字数：129千字 2019年5月河北第1次印刷
定价：39.00元
读者服务热线：(010)81055410 印装质量热线：(010)81055316
反盗版热线：(010)81055315
广告经营许可证：京东工商广登字20170147号
Originally published in the English language by John Murray Learning under the title:How your brain works
John Murray Learning is an Hachette UK company
Rights Arranged Through Peony Literary Agency
Translation © Posts & Telecom Press Co., LTD 2019
本书由英国《新科学家》杂志汇编了世界知名神经科学家在脑科学领域的诸多研究成果而成，介绍了大脑的特点和功能，如记忆、智力、情绪、睡眠、感觉、知觉及意识等，也介绍了它的演化历程以及解剖结构。本书还讨论了科学家如何通过电场及磁场来控制人们的大脑，同时也探讨了那些通过大脑就可以控制外界的新科技。
主编：艾莉森·乔治（Alison George），英国《新科学家》杂志《速成专家》专栏编辑。
编辑：卡罗琳·威廉姆斯（Caroline Williams），驻英国的科学记者及编辑，著有《重写》（Override）（Scribe出版社，2017年）。
本书基于2016年《新科学家》杂志组织的“大脑的运作原理”高级讲习班系列讲座的内容，以及刊登在《新科学家》杂志上的文章编写而成。
丹尼尔·博尔（Daniel Bor）：作家，英国萨塞克斯大学萨克勒意识科学中心的认知神经科学家。
德克-简·戴克（Derk-Jan Dijk）：英国吉尔福德市萨里大学的睡眠和生理学教授，萨里睡眠研究中心主任。
乔纳森·K.福斯特（Jonathan K.Foster）：临床神经心理学和行为神经科学教授，就职于澳大利亚珀斯的科廷大学、西澳大利亚州卫生部神经科学中心和西澳大利亚大学。
琳达·戈特弗雷德森（Linda Gottfredson）：美国纽瓦克市特拉华大学的教育学名誉教授，专门研究智力的社会影响。
安德鲁·杰克逊（Andrew Jackson）：任职于英国纽卡斯尔大学神经科学研究院，研究用神经假体修复脊髓损伤者的手部运动功能，以及用脑植入体来控制癫痫。
乔治·马瑟（George Mather）：英国林肯大学的视觉科学教授，专门研究运动感知和视觉艺术感知。
迈克尔·奥谢（Michael O'Shea）：英国萨塞克斯大学神经科学教授，担任计算神经科学和机器人研究中心的联合主任。
蒂凡尼·瓦特·史密斯（Tiffany Watt Smith）：英国伦敦玛丽女王大学情绪史研究中心研究员。
拉法埃尔·温斯基-佐梅雷尔（Raphaëlle Winsky-Sommerer）：在英国吉尔福德市的萨里大学从事生物节律与睡眠研究工作。
同时也感谢以下作者和编辑：
萨莉·阿迪（Sally Adee）、阿尼尔·阿南塔斯瓦米（Anil Ananthaswamy）、柯林·巴拉斯（Colin Barras）、安迪·科格伦（Andy Coghlan）、凯瑟琳·德·兰格（Catherine de Lange）、琳达·格迪斯（Linda Geddes）、艾莉森·乔治（Alison George）、杰西卡·格里格斯（Jessica Griggs）、安娜·戈斯兰（Anna Gosline）、杰西卡·哈姆泽鲁（Jessica Hamzelou）、鲍博·霍姆斯（Bob Holmes）、考特尼·汉弗莱斯（Courtney Humphries）、克里斯蒂安·贾勒特（Christian Jarrett）、格雷厄姆·劳顿（Graham Lawton）、杰西卡·马歇尔（Jessica Marshall）、艾莉森·莫特鲁克（Alison Motluk）、海伦·菲利普斯（Helen Phillips）、迈克尔·雷利（Michael Reilly）、大卫·罗布森（David Robson）、劳拉·斯宾尼（Laura Spinney）、凯特·苏克尔（Kayt Sukel）、海伦·汤姆森（Helen Thomson）、索尼亚·范·吉尔德·库克（Sonia van Gilder Cooke）、克尔斯滕·韦尔（Kirsten Weir）、卡罗琳·威廉姆斯（Caroline Williams）、克莱尔·威尔逊（Clare Wilson）、艾玛·杨（Emma Young）。
如果你正在读这本书，那么恭喜你也拥有着宇宙中已知最复杂的物体——人脑。
人的大脑（译注：为符合大众认知，本书中的“大脑”如无特别指出，均指包括大小脑、脑干在内的整个脑部）其貌不扬，乍一看去不过就是一团1.4千克重的粉嫩玩意儿，上头遍布褶皱，质感和豆腐差不多。就因为这朴素的外表，欧洲人直到2500年前都还以为大脑不过是用来冷却血液的器官。
当然，现在我们知道大脑是由大约860亿个神经元联结成的复杂网络，通过复杂而优雅的电化学活动，让我们得以触碰、品尝、铭记与体验周遭的一切。古往今来，我们靠着大脑建立了文明，创造了伟大艺术，飞上了月球。
数个世纪以来，人们一直都想知道大脑是如何完成这些壮举的。不过神经科学家们直到最近几十年，才得以利用现代脑成像技术实时观测脑部的电活动和血流情况，继而推测大脑内部正在发生什么。
如今无疑是脑科学研究史上最激动人心的时代。随着新技术不断揭示出大脑的运作方式，神经科学正大踏步走进新的境界，研究人员甚至正试图勾勒出人类大脑的整个网络连接图谱。
在这神经科学高歌猛进的年代里，《新科学家》杂志所编的这本书荟萃了神经科学家们的前沿想法和《新科学家》杂志的优秀文章，让你跟上最强大脑们的步伐。假如你好奇大脑如何感受、如何记忆、如何产生意识，想知道当我们睡觉时大脑在干什么，那么就请继续往下看吧！
卡罗琳·威廉姆斯（Caroline Williams）
大脑是我们机体中最复杂、最让人捉摸不透，也可以说是最丑陋的器官。不过，它本质上就是一个神经细胞的聚集体，这些神经细胞汇聚在一起以便彼此连接。大脑可以只是一小撮细胞，比如在一些简单的无脊椎动物中就是如此；大脑也可以是由数十亿个细胞组成的庞杂系统，比如人脑。靠着大脑，动物能在比演化更快的时间尺度里调整其行为，以适应环境变化。借由神经科学的进步，我们今天已经对大脑的结构有了非常精准的认识。但是我们的大脑是怎么演化的，是什么使之与动物的大脑如此不同？我们又该如何理解我们“只是一个大脑”的哲学内涵？下面就让我们走马观花地在大脑中游览一番吧。
神经科学的诞生要追溯到2500年前的希波克拉底（Hippocrates），虽然和他同时代的人，比如亚里士多德（Aristotle），认为思想应该存在于心脏里，希波克拉底却辩称大脑才是思想、感受、情绪和认知的基础。
这是历史的一大进步，不过受制于早期理论的局限性，过了很久，人们才对大脑有了更深入的理解。那时人们无视大脑的实体组织，更青睐于大脑中那些充满液体的孔洞，也就是脑室。这一倾向最有名的代表人物可能当属公元2世纪的医生盖伦（Galen），他认为人的大脑有3个脑室，它们分别负责想象、推理和记忆。
根据盖伦的理论，大脑会将液体从脑室经由神经泵进其他器官，从而控制机体活动。由于盖伦的声望，这个观点深远影响了我们对大脑的理解。这个液体理论直至17世纪中后期依然占据着主流，甚至法国著名哲学家勒内·笛卡儿（René Descartes）也将大脑比作液压机。但是这个观点有一个重大缺陷，那就是流体流动的速度太慢，无法解释我们反应的速度之快。
当新一代解剖学家开始描绘出更精细的大脑结构后，另一个更加先进的解释大脑运作方式的观点出现了，其中尤为杰出的是17世纪的英国医生托马斯·威利斯（Thomas Willis）的理论，他认为大脑运作的关键并非脑室，而是大脑的实体组织。100年后，意大利科学家路易吉·伽伐尼（Luigi Galvani）和亚历山德罗·伏特（Alessandro Volta）向人们展示了外接电源的电流能够激活神经和肌肉。这项成果十分关键，因为它总算揭示出了人类对外界刺激反应如此迅速的原因。不过直到19世纪，德国生理学家埃米尔·杜布瓦-雷蒙（Emil du Bois-Reymond）才证实了神经元和肌肉本身能产生电脉冲。
这为现代神经科学奠定了基础。现代神经科学始于20世纪初，以西班牙解剖学家圣地亚哥·拉蒙-卡哈尔（Santiago Ramón y Cajal）在20世纪初的工作为起始。他以其深刻的洞察力发现了大脑是由神经元所构成的，而且不同于其他器官，大脑里的神经元形式多种多样。最不可思议的是，他注意到昆虫的神经元大可媲美人类最复杂的脑细胞，其中有些甚至比人的还复杂。这意味着，赋予人类各种能力的不是细胞本身的什么特点，而是神经元间的连接方式。卡哈尔的“连接论”开启了一扇新的大门，为人们理解大脑的信息处理方式提供了新思路，并至今仍是主流。
卡哈尔在19世纪研究神经元解剖结构的时候，曾提出信号在神经元中是单向流动的。胞体和分叉出来的突起，也就是树突，收集来自其他细胞的信号，信号经过处理后，沿着神经元长长的纤维——轴突传递到突触，在突触这里，信号被传到下一个神经元中（见图1.1）。
这种电信号传导的细节到20世纪40到50年代才开始被神经科学家深入解析。我们现在知道信号是以一种叫作“动作电位”的脉冲的形式传递的。动作电位带有很小的电压（只有0.1伏特），持续时间只有千分之几秒，但在这短短的时间里能传递相当远的距离，速度高达120米每秒。
这个神经脉冲在突触处终止，它在这里触发释放出一种叫作“神经递质”的分子，这种化学分子带着信号跨越神经元之间的间隙。一旦到达另一边，这些分子能迅速翻转接收方神经元表面的电位。神经元要么被激活，发出自己的信号；要么被暂时抑制活性，其他来源的信号将更难使之被触发。这两种效应对于信号传递都非常重要，最终形成了我们的思想和感觉。
这样的网络复杂得惊人，我们的大脑中有大约860亿个神经元，每一个又有大约1000个突触，假如你从现在开始以1个每秒的速度来数它们，那这足够让你数上3000万年之久。
大脑里的神经元和计算机里的电子元件不一样，它们更加灵活多变，而这要归功于神经调质。神经调质有点像音量调节旋钮，不仅能控制其他神经递质在突触处释放的量，还能调节神经元对外来信号的反应。神经调质一方面在大脑面对突发情况时起到微调作用，另一方面也在长时程内参与了大脑神经网络的重新构建，后者常被用于解释记忆是如何存储的。
有些神经调质只作用于其附近的几个神经元，而有些能穿透大片脑组织，产生大规模的影响。举个例子，一氧化氮因为非常小（已知第十小的分子），所以可以轻松地从初始的神经元位置扩散出去，改变其他神经元在每一次发出神经脉冲时释放神经递质的量，由此改造这些神经元，进而开启海马（海马也称海马体，主要负责长时记忆的存储转换和定向等功能）的记忆形成之路。
我们的大脑中活跃着众多的神经递质和调质，正因为如此，大脑才能不断变化，我们才得以了解、改变和适应周遭环境。
我们的大脑是如何变得这么复杂的？
1400万年前，在非洲生活着一种小型猿，虽然这种猿很聪明，但其大部分后代，比如红猩猩、大猩猩和黑猩猩的大脑演化程度都远不能和同一家族的另一支系——现代人类的祖先同日而语，那么我们为何如此与众不同呢？
我们尚不清楚250万年前人脑为何会变大，这没准只是因为我们的祖先撞了大运。
其他灵长类动物的咬肌会跨越整个颅骨，限制颅骨生长，但在我们的祖先身上，一个基因突变导致了咬肌变弱，颅骨因此得以扩大。这个基因突变出现的同时，原始人有了脆弱的颌部和发达的颅骨与大脑。
另一件大事则发生在200万年前，人类制造出了更强大的工具来捕杀动物。肉类营养丰富，而营养让大脑进一步增大。
美国哈佛大学灵长类动物学家理查德·兰厄姆（Richard Wrangham）认为火也起了类似作用，烹饪能让我们从食物中获得更多营养。按照他的观点，吃烹饪过的食物让我们的消化道缩小，而消化道的生长和维护成本都很高，它们缩小了就能节省一部分能量开支，转而供脑部用来生长。
人类发达的脑部也很可能和我们复杂的社交活动有关。根据现代灵长类动物来推测，原始人可能也过着群居生活。而要掌握好为人处世的方方面面，需要一颗强大的大脑。英国牛津大学的罗宾·邓巴（Robin Dunbar）认为，这点可能解释了为什么灵长类，尤其是类人猿的额区新皮质明显增大。邓巴的研究显示，负责社交的脑区大小与灵长类动物的团体规模、个体之间的交流频率都有很强的相关性。
总之，貌似是饮食、文化、技术、社会关系和基因等共同构建起了一个良性循环，最终使得现代人类的大脑在20万年前初现于非洲。
那之后人类又怎么样了呢？答案是继续演化。根据最近的一项研究，我们的祖先从非洲往北迁到高纬度地区后，视觉皮层变大了，这可能是为了适应当地较弱的光照。
有意思的是，我们现在的大脑体积似乎达到了一个临界点，再大也带不来什么好处。或许在最近的演化史中存在某个时间点，在这一时间点，更大的大脑的益处被生大头孩子的风险抵消了。抑或我们供养不起太大的大脑：我们从食物中获取的能量有20%都供给了大脑，或许已经没办法再给脑力活动多分半点能量了。
不仅如此，我们的大脑可能正在缩小，在过去1万年左右的时间里，人类大脑的体积占整个身体的平均比例缩小了3%~4%。有些人担心这会不会意味着人类越来越蠢了（详细讨论见第3章），不过也有些人比较乐观，他们认为这或许是因为大脑的组织方式变得比以前更高效了。
人脑虽然是由一团神经元缠绕而成的，但是它绝非一团乱麻。在出生前，人脑发育成了一种特定的形状，忽略细节的话，每颗人脑看起来都差不多。对人脑这样复杂的器官，我们有许多不同的分区方法，人脑不同区域的名称和描述多得让人眼花缭乱，不过概括起来，人脑可以分成三大块，每一块都各司其职（见图1.2）。
后脑，顾名思义，位于脖子上面一点，在颅骨基部。科研人员对不同的物种比较后发现，后脑是第一个演化出来的脑结构，它的前身出现在最早的脊椎动物中。人类的后脑包含3个部分：延髓、脑桥和小脑。
延髓控制着呼吸、心跳和吞咽等性命攸关的自主活动。关于延髓非常重要的一点是，它的神经元轴突会下行到对侧的脊髓中，这也是为什么我们一侧的身体会受对侧的大脑控制。
延髓上面一点是脑桥，脑桥也控制着呼吸、心跳、血压和睡眠等重要功能。脑桥还参与控制面部表情，接收身体动作和与空间定位相关的信息。
后脑中最突出的结构是小脑，小脑表面有着独特的褶皱和深深的沟壑，其中充满了关于身体位置和运动的感觉信息。小脑的职责是编码和存储复杂的精细运动技能和动作所需的信息。此外，最近的研究发现小脑在情感与认知功能的精细调控方面也发挥着一定的作用。
中脑在许多的肢体运动中起作用。它的核心结构之一是“黑质”，之所以这么叫是因为黑质富含一种叫作多巴胺的神经递质，而剖开尸体暴露黑质组织后，多巴胺会变成黑色。多巴胺对运动控制至关重要，故而黑质有“运动的润滑剂”之称。多巴胺还是“奖赏型”神经递质，广泛作用于多种学习、成瘾和强迫行为。
中脑的其他区域与视听觉信息处理、眼部运动控制和情绪调节有关。
前脑赋予了人类许多独特的能力，它在我们的哺乳动物祖先的演化进程中高速扩张。它由几个部分组成：丘脑是感觉信息传递到大脑皮层——大脑表层布满褶皱的区域——的中转站，负责处理高级信息；下丘脑会释放激素，激素随血液扩散至全身；杏仁核处理情感；海马则在记忆形成过程中起主要作用。
基底神经节是演化过程中最近出现的结构之一，负责调控大脑皮层发起的意向运动的速度和流畅度。该脑区的神经连接受来自中脑黑质的多巴胺调控。黑质如果不能给基底神经节提供足够的多巴胺，就会引发帕金森病的各种症状，比如运动迟缓、震颤和身体失衡。用药物提高基底神经节的多巴胺水平能缓解症状，但仍无法治愈帕金森病。
最后我们可以看到包覆着半个大脑的大脑皮层，人之所以为人正是因为有了它。就是在这里，我们制订计划、组织语言、生成想法；就是在这里，创意、想象和意识得以栖居；就是在这里，心智得以诞生。
皮层是颅骨里的一个折叠得皱巴巴的6层结构，整个皮层铺开来有1.6平方米大。信息经由100万个神经元在皮层里进进出出，但皮层里神经元之间的连接数却超过100亿个，也就是说大脑皮层大多数时候在自言自语。
大脑皮层主要分为4叶[见图1.2（b）]：额叶包含负责思考和与计划相关的神经环路，同时也决定着我们的人格；枕叶和颞叶分别负责处理视觉和听觉信息；顶叶与感觉信息的整合以及注意力相关。
人们曾多次尝试将身体映射到大脑皮层上，并做出了感觉、动作控制等的大脑功能定位图谱。这些图谱还保留着人体的大致模样，所以你可以看到脚部控制感知的神经元离腿部控制感知的神经元更近，离鼻子中处理数据的神经元远。不过图谱的比例是失调的，手和唇部映射到脑组织区域的面积比躯干和腿的更大一些。按照图谱重构身体，就会制作出像世界神经外科先驱、加拿大神经外科医生、神经生理学家潘菲尔德（Penfield）作品中的侏儒（见图1.3）那样怪模怪样的小人。
大脑分为两个半球，中间由一束（大约100万个）轴突彼此连接，我们称之为胼胝体。如果把胼胝体这个桥梁切断，那么所谓统一的“自我”就会分裂，这种做法倒是可以缓解癫痫病情。大脑半球间的联系被切断后，身体仿佛被两个独立的大脑控制着。有一个做过胼胝体切除术的吸烟者说，当他用右手去拿烟时，左手会把烟一把夺过来扔掉。
胼胝体对不同皮层区处理的任务进行整合，将它们无缝衔接，最终呈现给我们一个流畅的世界。我们看到事物时，不会察觉到这是大脑的不同区域分工完成的结果，其中的详细原理目前还是个谜，在学术界这被称作“捆绑问题”，谜底还要等未来的神经科学家去揭示。
读心术：科学家如何检测大脑活动？
● 磁共振成像（MRI）：展现详细的解剖图，可以看作针对软组织的X光片。
● 功能磁共振成像（fMRI）：在大脑执行算术或阅读等任务时，展示不同脑区的供血变化，基于的假设是供血和局部神经元活性有关。
● 扩散磁振造影（也称扩散追踪成像）：通过追踪水分子展示大脑长距离神经连接的情况。因为轴突是被脂质层包裹着的，所以水分子可以沿着长长的轴突扩散，而不会逸散出去。
● 功能连接磁共振成像（静息态磁共振成像）：揭示的也是长距离的神经连接，它检测不同脑区活动的自然波动，从而揭示脑区间的交流程度。
科研人员对脑区的探索和对它们功能的研究大大加深了我们对大脑的理解，不过，近年来神经科学家不再满足于单纯地描述特定脑区的特殊职能，而是转而研究神经元网络是怎么把不同脑区联系起来，实现1+1>2的效果的。一个崭新的神经科学分支——计算神经科学由此诞生。
如果把大脑里的神经纤维抽出来，首尾相连，可以绕地球4圈。这么多神经纤维挤在一个脑袋里，你可能会觉得它们在里面势必乱作一团，但数学家们很清楚，大脑是一种“小世界网络”。
小世界网络的标志是网络里的任意两个节点之间的距离都比较短。你可能听过著名的“六度分离理论”，它阐述的是人与人之间的社交距离不超过6个人，这反映出人类社会就是一种小世界网络结构。类似地，任何两个脑区间的连接距离平均下来也差不多大，这种连接水平的微小变化就足以改变人的智力。
究其原因，可能是小世界结构让网络里的不同区域可以快捷高效地交流。大脑里的长距离连接很少，大概只有1/25的神经纤维会连接到较远的脑区，剩下的都与邻近的神经元相连。来自荷兰乌得勒支大学医学中心的马丁·范·登·赫费尔（Martijn van den Heuvel）认为，制造和维护长神经纤维的成本都很高，大脑或许是在权衡了成本和信息传递效率之后选择了小世界网络的组织结构。
大脑里的长距离连接分布并不均匀，范·登·赫费尔和美国印第安纳大学伯明顿分校的奥拉夫·斯鲍恩斯（Olaf Sporns）近期发现，这些成簇的长距离连接形成了一个坚固的骨架，充当12个主要脑区间的交通要道（见图1.4）。骨架和脑区一起构成了一个所谓的“富人俱乐部”，这个称谓反映了其中丰沛的神经连接。范·登·赫费尔觉得，没人知道大脑里为什么会有“富人俱乐部”，但就它承担的信息运输量看，它必然十分重要。可想而知，这里出问题的后果会有多严重。他说：“现在就有新兴的观点认为，精神分裂症实际上可能就是这些‘富人俱乐部’内的信息整合出了问题。”最好的治疗思路应该是改善“富人俱乐部”内的交通状况，但这事说起来容易，做起来可就很难了。
我们目前已清楚地知道，这个高度连接的神经网络是个完美的思维舞台，它也支撑起了我们思考和行动背后的数学原理。
大脑高度连接所带来的好处毋庸置疑，但它也存在一个潜在的负面影响。因为每一个神经元都与一个发达的小世界网络连接，所以电信号可以迅速传递得又远又广，引发一连串细胞信号发放。理论上，这还可能导致信号滚雪球般疯涨，让大脑掉线，引发癫痫。
好在上述情况的发生概率很小，在这个世界上只有1%的人会在一生中经历一次癫痫。这说明大脑能保持一种平衡，它既能控制神经信号的混乱洪流，又不至于完全阻滞信号流通。
大脑如何恰好击中甜蜜点（译者注：sweet spot，网球等运动的术语，意为球与拍的最佳接触点）呢？这个问题的答案直到20世纪70年代才被揭开。当时，杰克·考恩（Jack Cowan，现就职于美国芝加哥大学）意识到这种平衡代表的是理论物理学家熟知的一种状态，称作临界点或者“混沌边缘”。他认为，神经元发放产生级联效应或者“神经雪崩”时，大脑细胞会暂时跨过这个临界点，之后再回归安全区。
雪崩、森林火灾和地震等都是因为系统恰好位于临界点所致，它们有一些共同的数学特性，其中最重要的一条叫作“幂律”分布，就是说小型地震或森林火灾出现得比大规模的频繁，而且是由严格的数学比例决定的。举例来说，如果一种地震强度是另一种的10倍，那么它的出现频率就是另一种的1/10。
位于美国马里兰州贝塞斯达的美国国立卫生研究院的约翰·贝格斯（John Beggs）和迪特马尔·普伦茨（Dietmar Plenz）在2003年测试了大脑是否也遵循上述规则，果不其然，他们在对鼠类大脑进行研究后发现，大脑也是一个处于混沌边缘的系统，一个神经元在被激活后一般会将信号传给一个相邻的神经元。而且和地震、森林火灾相似，大的“神经雪崩”虽会发生，但发生频率会随着规模的扩大而降低，遵循幂律分布。
功能磁共振扫描则显示，在全脑这个更大的尺度上也可观测到类似混沌边缘的活动，实际上，计算机模拟显示这可能是大脑中的小世界结构在起作用。
在混沌边缘走钢丝看起来有点冒险，但人们认为这样能给予大脑最大的灵活度，在加速信号传递的同时，还能随机应变，快速协调大脑活动。一些研究人员开始好奇像癫痫之类的疾病是不是因为大脑偏离了平衡状态导致的。“就像正常心率和正常血压一样，也许大脑也存在这么一个健康态。”贝格斯说道。
当一个个念头在脑海里闪过时，你会觉得好像各种感觉和想法都在不懈地争取你的注意。事实还真差不多就是这样，不同神经网络竞争上位之盛况就好似捕食者和猎物之间的生死较量一样。
这个过程的副产物或许就是你有时候会神游八方。美国加州大学圣迭戈分校的米哈伊尔·拉比诺维奇（Mikhail Rabinovich）和曾就职于美国帕萨迪纳的加州理工学院，现就职于德国法兰克福的马克斯·普朗克脑科学研究所的吉尔斯·洛朗（Gilles Laurent）最先注意到，神经元的活动呈现一种波动状态。当时他们俩正在研究昆虫负责处理气味的神经元，差不多相当于它们的嗅球。他们本来以为会看到神经元的“习惯化”——神经元在检测到气味后活跃度下降，但结果并非如此，神经元的活跃度是随着时间上下波动的。
拉比诺维奇经过仔细观察后发现，神经元的活跃度变化模式看着很像20世纪早期数学家阿尔弗雷德·洛特卡（Alfred Lotka）和维多·沃尔泰拉（Vito Volterra）用来描述捕食者与猎物关系的模型，也就是当捕食者快要吃光其猎物时，它们就开始饿死，于是猎物的数目得以恢复，而当猎物数目足够多时，新一轮的捕食循环就开始了。
在拉比诺维奇看来，大脑中的情形跟这个有点像。只不过，大脑里的斗争不是一对一的竞争，而是一大堆组成思想的认知模式的混战，每一个竞争者最多只在瞬间占据了上风（这可能是你有时觉得心不在焉的原因）。
一些异常状况，比如，多动症和强迫症患者的认知模式竞争必定与正常人有所不同，如果我们能更深入地理解这些不同点，那没准就能将不平衡的认知模式竞争调回健康状态。
大脑面临的另一个重大计算问题就是如何根据巨量的电活动做出预测，例如，谈话时下一句话该说什么，又怎样算准时机穿过马路。
有一种观点认为这可以用贝叶斯统计来解释，顾名思义，这是以18世纪一个叫托马斯·贝叶斯（Thomas Bayes）的数学家的名字命名的，贝叶斯的理论可以根据过去来预测未来某个事件发生的概率，同时还能不断纳入新的数据来更新结果。数十年来，神经科学家都认为大脑是用这个理论来帮助它预测未来的，不过英国伦敦大学学院的卡尔·弗里斯顿（Karl Friston）将这个观点又向前推进了一步。
弗里斯顿重点研究了大脑如何最小化贝叶斯统计的误差，换句话说就是如何避免出现“惊喜”。他想到可以借用热力学系统（例如蒸汽机）的计算方法来加以描述，于是提出了“自由能原理”。鉴于预测是大脑几乎一切功能的核心，他认为自由能原理可以作为一般规律，描述绝大多数的神经活动，足可媲美优雅强大的质能方程E=mc2。
弗里斯顿成功地用他的自由能原理描述了当视觉皮层对光线产生反应时，神经元往来传输信号的模式。他认为这个理论也可以推广到身体动作上，例如，他成功模拟了眼球在我们接收熟悉的或新的图像信息时的运动。他的模型显示，大脑会根据我们的每一次扫视来更新图像，以此最小化初始感知的误差。他的另一篇文章则关注取东西时手臂的精细调控，他用自由能理论描述了我们如何整合关节内部信号和视觉信息，以此来调整我们的肌肉运动。
其他人也利用这个理论来解释大脑更匪夷所思的行为。新西兰奥塔哥大学达尼丁医学院的德克·德·瑞德（Dirk de Ridder）就利用自由能原理解释了人在被剥夺感观能力的时候出现的幻觉痛与幻听现象。他表示，大脑在信息匮乏时会“不择手段”地预测未来的事件，然后就会产生那些幻觉。
采访：难道我真的“只是一个大脑”吗？
这一章讲了神经元、大脑网络和数学法则，说得让人有点泄气，难道我们的爱、希望和存在本身都仅仅是电流流过一团灰质组织的结果？神经科学哲学家帕特里夏·丘奇兰德（Patricia Churchland）的回答是：“对。”不过这个真相带给我们的不应是惊吓，而是启发。
你把神经科学的新发现与地球绕着太阳转、心脏是一个泵这些发现相提并论，你觉得它们之间的共同点是什么呢？
它们都对人们的固有世界观发起了挑战。比如，从前人们一直认为地球位于宇宙的中心。类似地，许多人都相信是心使得我们称得上人，结果它只是一个肉做的泵。我们意识清醒、做出决定、上床睡觉、生气发怒、恐惧害怕，所有这些都只是实实在在的大脑在行使功能，我觉得人们意识到这些时，会跟对前面所说的情况感受相似。试着理解我们是谁的神经基础可能让人很受打击，这种思想叫作“神经存在主义”，这个名字切中了要害，我们不习惯从这个角度思考自身。
为什么我们难以看清自身的本质呢？
部分缘于神经系统的演化。大脑有什么了解自身的必要吗？我们不了解大脑也无所谓，就像我们不知道肝的功能之一是去除毒素也能过日子。当然，值得庆幸的是科学允许我们去了解。
神经科学有没有给你带来不安？
要我说的话，没有。这要花点时间去适应，但我没有被吓到。当然，我理解人们的矛盾心理，一方面，他们痴迷神经科学，因为它帮助解释了他们母亲的阿尔茨海默病，但另一方面，他们又想：“天呐！我对孩子的爱意真的只是神经化学活动吗？”嗯，事实就是如此。不过这并不困扰我。
为什么你似乎理所当然地觉得会有人抵制脑科学？
我教神经科学哲学多年，学生们经常会说，想想你就只是你的大脑，这不会很恐怖吗？这不会困扰你吗？然后我们就会谈论为什么这会困扰他们，我明白有些人会感到矛盾或忧虑。
你承认我们对大脑的许多更高级的功能没有满意的神经学解释，比如意识、睡眠和做梦等，我们真的已经准备好宣称我们只是我们的大脑了吗？
确实，我们目前还没有充分的解释，也要确保不要言过其实。但证据都指向大脑，我们在神经科学方面的知识都将我们指向了那个方向。
你说神经科学挑战了一些人对灵魂和死后生命的信仰，那么目前这些信仰依旧广泛存在吗？
这可能存在文化间的差异，在英国或许不太需要挑战这些想法。但我发现在美国，这事很重要。许多人不见得有很强的宗教观念，但他们总觉得人死后还存在点其他的东西。
即使是那些对神经科学接受程度已经很高的人，也会发现某些观点很棘手，尤其是自由意志，我们真的有自由意志吗？
这样问可能更好：我们是否能控制自我？它的演化动力不难找，我们需要盯准一个目标不分心，我们需要克制某些冲动。我们确实知道一点自我控制的神经生物学机制，而且大脑也明白无误地展现出了自我控制能力。在我看来这已经很好了，当我们需要对某件事做出决定时，自我控制机制就会以我们理解的方式运作。比如买车，我们决定不买超过支付能力的车，而是买辆多少还算实用的车，这就是自由意志。不过，如果你觉得自由意志是在没有因果关系的背景下创造了决定，那就不存在自由意志。
神经科学能提供一种生存哲学吗？
神经科学不会为我们提供生存的剧本，但是我觉得理解大脑的自然本质能促使我们变得明智。
有些人可能会说你只是你的大脑这个观点让生命变得黯淡、冷酷而终究归于虚无，你怎么回应这一点？
一点也不黯淡啊！上帝也好，灵魂也罢，我从这些事物身上根本看不出它们赋予了我生命的意义。鬼神何以给我意义？没人说得清吧？我的生活之所以有意义，是因为我有家人，从事有意义的工作，因为我喜欢玩，我有狗。是这一切让我的生活有意义，我认为大多数人也这么觉得。那么，在生命尽头会发生什么？我会死去，仅此而已。我酷爱这个想法，几近疯狂。
帕特里夏·丘奇兰德是来自美国加州大学圣迭戈分校的哲学家，她专注于神经科学、心理学和哲学交叉领域的研究。
图1.5 尺寸并非一切
和其他灵长类动物相比，人脑有什么特别的？
大脑半球的额叶负责处理复杂的思考与社交行为，比如计划、决策、共情、撒谎和道德判断。人类的大脑半球比其他灵长类动物更大更发达，但如果调整到按身材的比例比较，这个差异又小得惊人。
人类和黑猩猩及大猩猩大脑的差异貌似主要在于神经元的连接方式，人类似乎拥有一些独特的基因控制着大脑发育过程中的神经细胞迁移，而且大脑中的基因表达模式也有所不同。所以，虽然人类和黑猩猩以及大猩猩的硬件看起来差不多，但运作方式显然不同。
至于其他非灵长类的哺乳动物，它们的大脑更小，额叶也更不发达。在演化树底部的动物就完全没有皮层，爬行动物只有一个和我们脑干相似的大脑。在低等动物中，大脑更像是位于神经索顶部或者嘴巴周围的一个隆起。
图1.5所示为人类的大脑与其他动物的比较。
远在我们人类出现之前，大脑就伴随着那些游、爬和走的生物行过了一条蜿蜒曲折的发展道路。
