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大脑:思维的速度有多快?

比鸟快,比声音慢。但重点可能不是这个:效率和时机似乎更重要。

作者:Carl Zimmer
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1844年,塞缪尔·莫尔斯开通了第一条商业电报线路,他彻底改变了我们对生活节奏的预期。当年来自民主党全国代表大会的电报消息之一,大会代表们在巴尔的摩选定了塞拉斯·赖特参议员作为他们的副总统候选人。大会主席向华盛顿特区的赖特发电报,询问他是否接受提名。赖特立即回电:不。代表们难以置信消息能几乎瞬间沿着电线传递,他们休会并派了一个真人委员会乘火车去确认赖特的答复——当然,答复是一样的。从这些开端,就有了当今这个高速、互联的社会。

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虽然名气不如电报,但同样重要的是,电报也改变了我们对内心生活节奏的看法。莫尔斯的发明问世之际,研究人员正开始理解神经系统,而电报线成为了启发神经如何工作的模型。毕竟,神经和电报线都是长长的导线,它们都使用电来传输信号。科学家们知道电报信号不是瞬时传输的;在一项实验中,一组点和划耗费了四分之一秒才沿电报线传输900英里。或许,早期的脑研究者认为,神经发送信号也需要时间。甚至可能我们可以量化这个时间。

思维的速度可以像测量岩石的密度一样被测量,这个想法令人震惊。然而,科学家们确实这样做了。1850年,德国生理学家赫尔曼·冯·亥姆霍兹将电线连接到青蛙的腿部肌肉上,这样当肌肉收缩时就会中断电路。他发现信号沿着神经传输到肌肉需要零点一秒。在另一项实验中,他轻轻电击人们的皮肤,让他们一旦感觉到就做出姿势。信号沿着人类神经传输也需要时间。事实上,亥姆霍兹发现,人们对脚趾受到电击的反应比对脊柱基部受到电击的反应要慢,因为到大脑的路径更长。

亥姆霍兹的结果与人们的直觉相悖,他们的直觉是他们体验到的世界是即时发生的,感觉和意识之间没有延迟。“这完全是错觉,”德国生理学家埃米尔·杜布瓦-雷蒙宣称,时间是1868年。“看来,‘思维的速度’毕竟不是那么快。”

凭借简单的工具,亥姆霍兹和其他人只能粗略地测量思维的速度。其中一些人得出的速度比其他人快一倍。此后,研究人员一直在努力获得更精确的结果。今天,我们清楚为什么他们如此艰难。我们的神经以多种不同速度运行,反映了将身体各部分连接起来的生物学挑战。从某些方面来说,进化已经将我们的大脑精细调整成数字超级高速公路,但从另一方面来说,它也留给我们一种“驿马快信”系统。

思维可能不是瞬时的,但它足够快,在大多数情况下感觉像是瞬时的。神经系统对速度的需求并不难理解。许多动物依靠它们的神经来感知危险并逃避捕食者;反过来,捕食者也依靠它们的神经来发动快速攻击。但速度也会以令人惊讶的方式影响我们。

在一个研究思维速度的常见实验中,研究人员会短暂地向受试者展示一个倾斜的、倒置的U形,然后问他们图形的哪条腿更长。结果发现,受试者的反应时间在很大程度上反映了他们的一般生活状况。反应更快的人在智力测试中往往得分更高。一些心理学家认为,大脑高处理速度是智力的重要组成部分。患有某些心理障碍,如抑郁症时,反应会变慢。更令人费解的是,反应迟钝的人更容易死于中风或心脏病发作等事件。

高速对于我们感知世界的方式也至关重要。每秒钟,我们的眼睛会快速向新方向跳动三到四次,让我们在每个焦点上只有大约零点一秒的时间来理解我们所看到的东西。我们能很好地利用这段时间。最近,麻省理工学院的神经科学家米歇尔·格林奥德·奥利瓦进行了一项实验,他们短暂地向人们展示一系列风景,然后提问关于这些场景的问题。例如,图片里有森林吗?看起来像个炎热的地方吗?即使人们只瞥了一眼每张图片不到零点一秒,他们在这些测试中表现良好。

我们能够如此快速地理解世界,是因为我们的眼睛内置了一些巧妙的速度增强器。德国马克斯·普朗克神经生物学研究所的蒂姆·戈利施最近发现了其中一个证据。他从两栖动物中提取了视网膜组织,并让这些活体组织接触一系列简单的几何图案。然后他记录了神经细胞的反应。他注意到,根据他展示的图案,每个神经元开始放电的时间会略微提前或略微延迟。这些变化足够明显,以至于他仅凭观察神经反应的时机就能预测出形状。尽管这项测试涉及两栖动物,但戈利施提出,这些结果也适用于人类大脑。它们可能不会等到所有视网膜信号都到达后再开始构建世界表征。它们可能在最早的信息片段中就抢占先机。

使用快速编码有助于提高思维速度,但在很大程度上,大脑——就像电报网络一样——确实依赖于高效的通路。例如,来自视网膜的冲动必须沿着视神经上升到丘脑,丘脑将信号中继到大脑后部的视觉皮层。然后,它们向前传播到其他大脑中心,在那里我们利用视觉信息来做决定和采取行动。加快这种旅程的一种方法是使用快速接线。1854年,物理学家威廉·汤姆森表明,电报线越宽,其信号速度越快,信号传播的距离也越远。同样的原理也适用于神经。最粗的轴突,如大脑中的Betz细胞,比最细的要粗200倍

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理论上,如果我们大脑中的所有轴突都粗一些,我们的思想就能更快、更高效地运作。但人类大脑至少有二十五万英里长的神经线路——足以从地球到达月球——而且已经挤得满满当当。普林斯顿大学的神经科学家萨姆·王计算了如果用粗轴突来构建大脑,它会有多大。“用它们建造整个大脑会产生巨大的头部,我们都无法穿过门,”他得出结论。这样的大脑也会消耗巨大的能量。

考虑到生物学和物理学的限制,我们的大脑似乎已经进化到非常高效地运行。例如,大脑中的神经元倾向于连接成小的网络,然后这些网络之间通过相对较少的长距离连接相互连接。这种网络结构比其他排列方式需要的线路更少,因此缩短了信号传输的距离。

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我们的大脑也通过练习来加速。范德堡大学的神经科学家蕾妮·马洛瓦通过让人们执行一项基本的多任务测试来衡量这种效应:他们必须识别电脑屏幕上出现的两个可能的面孔中的哪一个,同时对两个可能的声响做出反应。仅用两周的训练(包括八到十二次练习),受试者就能以几乎与单独完成一项任务的速度快速连续地完成两项任务。马洛瓦推测,通过练习,大脑瓶颈区域(主要在前额叶皮层)的神经元需要更少的信号和更少的时间来产生正确的反应。

然而,有时我们的大脑实际上需要放慢速度。在视网膜中,中心附近的神经元比边缘的神经元短得多,但不知何故,所有的信号都能在同一时间到达视网膜的下一层神经元。身体可能通过抑制某些神经信号来实现这一点——例如,通过在相关轴突上涂抹较少的髓鞘。另一种使神经冲动传播更慢的可能方法是生长更长的轴突,使信号需要更长的距离来传播。

事实上,在恰当的地方降低思维速度对于意识的基本功能至关重要。我们对自身内心和外部世界的瞬时意识依赖于大脑核心区域附近的丘脑,它向大脑外层发送类似节拍器的信号。尽管从丘脑延伸出来的轴突有的短有的长,但它们的信号同时到达大脑的各个部分——这是一件好事,否则我们就无法清晰地思考了。

所以,当亥姆霍兹认识到思维以有限的速度运动时,比鸟快但比声音慢,他错过了一个大脑和电报之间的根本区别。在我们的大脑中,速度并非总是最重要的。有时真正重要的是时机。

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