神经元优化与动物生长发育

神经元优化与动物生长发育

人类无疑是地球上最有智慧的动物。人类能够设计、制造和使用工具,能够用复杂的语言文字系统来传递和储存信息,能够进行逻辑思考,用灵活的方式解决问题、预见和计划将来,并对世界进行不断深入的研究,还能创造和欣赏音乐、绘画、雕塑等艺术形式。人类是唯一能大规模改变自身生存环境和条件的物种。纵观周围的建筑、桥梁、道路、汽车、飞机、人造卫星、宇宙探测器,乃至人们使用的计算机、数码相机、手机、高清电视、光纤网络,无不是人类智慧的结晶。而智力和人类最为接近的灵长类动物黑猩猩,甚至不能给自己建造一个简陋的居所。近一两百年来,尤其是近几十年,科学技术水平飞速进步,使人们感觉到人类好像越来越聪明,制造航天飞机的现代人似乎比制造马车的古代人更聪明。事实是这样吗?若果真如此,那人类还会变得更聪明吗?从类人猿进化到现代人,智力在不断提高。人类祖先在大约500万年前和黑猩猩分道扬镳时,两者的智力应该是比较相近的。因此,目前人类所拥有的智力应该是在之后的几百万年中发展起来的。在原始时期,人类祖先的智力发展是很缓慢的。目前发掘出最早的石器出现在大约250万年前的非洲,也就是人类和黑猩猩分开大约250万年之后。石器是人类祖先使用的日常工具,它的出现说明此时人类祖先的智力已经超过了黑猩猩。人类用火最早的遗迹(云南省元谋县)是在170万年前的元谋人时代。最早的陶器出土于中国湖南,大约制作于1.8万年前。在河南省舞阳县贾湖出土的大约8000年前类似文字的契刻符号,以及大约5000年前在西亚两河流域出现的楔形文字,都说明文字诞生于几千年前。而最早的铁器出现在约3500年前的赫梯帝国(现土耳其境内)。也就是说,在人类祖先和黑猩猩进化上分支以后的几百万年中,技术上的发展(在一定程度上也是智力发展的标志)是非常缓慢的。人类社会相对快速的发展,基本上是在过去的几千年之内。到了近代,科学技术的发展越来越快,近几十年更是人类发展与创新的爆炸时期。但是科学技术发展的水平和速度,与人类智力的进步并不是一回事。原始社会时,生产力非常低下,不可能有不劳动而专门从事科学研究的人,但是不能因此就认为那个时期的人比较笨。生产力发展了,社会有了“余钱剩米”,才能分支出可以不从事生产活动的人员,科学技术的进步才可以加速。语言的出现使得储存在每个人脑中的信息得以传播给他人和下一代;文字的出现更使得知识和经验可以在人脑之外被记录和积累,因此可以更方便地传播以供后人学习。如此,个人就不必全凭自己的智力从头开始获取和创造知识,而是可以在旁人和前人成果的基础上进一步发展。积累的知识越多,已有的技术手段越先进,不同学科之间越是互相渗透、相互促进,人类发现和获取知识的速度就越快。近代和现代物理学的探测手段,如同位素示踪、光谱、质谱、X-射线衍射、核磁共振等,极大地促进了化学、生物学和医学研究的进展。目前许多国家在科学研究和技术开发上投入了大量的资金与人才,新成果的出现也就更多更快。但这并不等于现代人就比几千年前的古代人聪明。比如在4700多年前建造的埃及胡夫金字塔(PyramidofKhufu),高146.5m,由230万块巨石堆砌而成,总重近700万t,而且几何精度极高。即使现代人用现代技术,也很难取得那样的成就。2500多年前成书的《孙子兵法》,至今仍是世界上许多军事院校的必读教材。书中所包含的思想和智慧已经超出军事范畴,广泛应用于社会生活的各个方面。我们读古代的小说或演义,并不觉得里面的人物笨。即使将现代人放到当时的环境中去,其行为和处理问题的方式未必有古人高明。就好像爬山,古代人从海平面爬起,爬到海拔500m。现代人从5000m处爬起,可以爬至海拔5500m。5500m当然比500m高得多,但是每个人爬的相对高度仍然是500m。古代人发明的用火、烧制陶器、冶炼金属,其难度不亚于现代人测定一个基因的序列,或者编一个软件程序。所以从人类的生产水平和科学技术发展史来看,无法得出人类智力进化的准确过程。也许人类的智力在几千年前,甚至更早,就已达到现在的水平。对近百年来各国人群智商的测定表明,在测定的早期阶段不同人群的智商都随时间增加,大约每10年增加3点左右(标准为100点)。这种现象被新西兰Otago大学的科学家JamesRobertFlynn所注意到并进行了总结,叫做“弗林现象”(FlynnEffect)。弗林现象的存在似乎说明人类的智力还在不断进步。但仔细分析发现,这种增加主要是低智商人群的进步,很可能是由于营养条件的改善消除了对大脑发育的不良影响。在同一时间段内,高智商人群的得分并没有增加。而且从20世纪90年代开始,许多发达国家人群的平均智商已停止上升。虽然用各种方法对智商进行测定的结果并不能完全代表智力,但这些实际测定的结果也说明,对于营养有保障的人群来说,智力发展可能已经进入了平台期,计算机时代的到来并没有使人类变得更聪明。从长远来看,目前的问题是,人类的智力是否存在进一步发展的空间?是否有物理学和化学上的极限?人的思维和智力是大脑中神经细胞(又叫神经元)活动的产物。也就是说,人类的智力是基于神经元的智力,这与现代计算机基于硅晶体管的“能力”不同。因此,判断人类智力的发展有无极限,首先要了解智力与大脑中神经元的关系。1牛的脑重和体重计算的一个“预期值”的数量大,很容易造成智力不高纵观人类的进化过程,似乎是脑容量越大越聪明。比如现代黑猩猩的脑容量只有420mL,而现代人的平均脑容量有1350mL。生活在300多万年前的非洲原始人类露西(Lucy),其脑容量只有400mL左右。200万年前直立人出现,其脑容量就增加到800mL。由此看来脑容量是伴随着人类智力的发展而增大的(有些文献用重量表示脑的大小。由于脑的密度在1.03~1.04g/mL之间,与水非常接近,因此可近似用克表示脑的重量,用毫升表示脑容量)。从表面上看,这似乎是不言自明的。脑容量越大意味着可以容纳更多的神经元,自然智力也会比较高。但是如果将范围扩大到其他动物,就会发现此种说法并不完全成立。比如牛的大脑(约440g)比老鼠的大脑(约2g)重200倍以上,与黑猩猩差不多。但是牛不但远不如黑猩猩聪明,也不比老鼠更聪明。即使同属犬类,大型犬有时未必比小型犬聪明。乌鸦的脑只有10g重,却是最聪明的鸟类之一。它会把石子填到装有一部分水的瓶子里,使水位升高以便能喝到水。如果有不同大小的石子可供选择,它会先用比较大的石子,以便使水面更快上升。渡鸦还会把坚果放在马路上,让汽车把果壳压开。因此脑容量大并不等于高智力。体型较大的动物一般脑容量也较大。但是这多出来的神经元并不一定是用来提高智力的,而是首先用来控制和管理自身较大的躯体。比如牛,它需要感觉的皮肤面积和要控制的肌纤维数量都远多于老鼠。就好像一个国家或一个地区,面积和人口多了,管理机构及人员也会相应增多。只有在基本管理任务以外“富裕”出来的神经元,才有可能被用于进行更高级的思维,从而发展出更高的智力。为了弄清脑重和体重的关系以及这种关系对智力的影响,荷兰解剖学家杜波伊斯(EugeneDubois)及其同事收集了3690种动物的脑重和体重信息。他的后继者对这些数据进行分析后发现,随着动物躯体变大,脑的重量并非以线性比例增大,而是以体重的0.7~0.8次方,即幂指数的形式而逐渐增大。比如麝鼠(muskrat)的体重是小鼠(mouse)的16倍,但麝鼠的脑重只有小鼠的8倍。把这些体重和脑重数据输入到对数坐标上,横坐标为体重,纵坐标为脑重,经过数学分析得到一条直线,利用这条直线可以从动物的体重计算出脑重的“预期值”。有些动物的坐标正好处在直线上,比如小鼠、狗、马和大象等。有些动物的坐标在直线的上方,说明它们的脑重超出了预期值,应该比较聪明。高出直线越远,说明脑重超过预期值越多,理论上越聪明。实际情况也是如此,比如人的脑重超出预期值7.5倍,是所有动物中最高的,也最聪明。海豚是5.3倍,猴子是4.8倍,都相当聪明。反之,如果动物的坐标处在直线以下,也就是它们的脑重低于预期值,理论上讲就会比较笨。牛的比值是0.5,也就是说它的脑重只有预期值的一半,也的确比较笨。不过这个规律也有例外。比如南美卷尾猴(NewWorldcapuchin)的脑重与预期值的比例就高于黑猩猩,但其远不如黑猩猩聪明。对于体型巨大的动物,如蓝鲸,脑重与预期值的比例也很低(约0.25),但蓝鲸实际上是比较聪明的动物。所以脑重和智力的关系,还需要更深入地探讨,以找出更好的评价指标。2利益质量和智力的数量和数量前面讨论了脑的大小与智力的关系。能否换一个角度,看看脑中神经元的数目与智力的关系呢?不过人脑中并非所有的神经元都与思维有关。比如控制身体一些基本活动(如呼吸、心跳、排泄)的神经中心主要存在于延髓中。植物人全无意识,但这些基本生理活动依然可以正常进行。所以控制这些活动的神经元可以被认为与智力无关而不予以考虑。小脑占脑总体积约10%,其神经元(主要为颗粒细胞)与运动的协调有关,在计算与智力相关的神经元时,也可将其排除在外。大脑占人脑总重量的82%,其中大脑皮层(大脑表面几毫米厚的组织,是大脑神经元的集中分布区)与人的思维直接相关。其他哺乳动物的大脑也占据了脑体积的绝大部分,与人脑的结构和功能类似,所以大脑皮层中神经元的数目也许是估计动物智力的一个更优指标。的确,如果比较不同动物大脑皮层中神经元的数量,人类明显是第1位,大约有120亿个神经细胞(不同实验室得出的数值不完全相同,大约为110亿~140亿)。即使鲸鱼的脑比人脑大好几倍,但其大脑皮层中神经元的数量比人类还要少一些,在100亿~110亿之间。黑猩猩大脑皮层中神经元的数量是人的一半左右,约62亿,海豚是58亿,大猩猩是43亿,这些动物的智力相当。这些数值表明,120亿左右是地球上动物大脑中神经元数量的最高值,只为人类所拥有。鲸类动物大脑皮层中神经元的数目与人相近,智力却远不如人。这说明足够数量的神经元是高智力的必要条件,却不一定是充分条件。在神经元数量相同的情况下,智力还与神经元之间的连接方式和信号传输的速度有关。3在压力和速度之间的传递人脑中的120亿个神经元本身并不能自发地产生智力。婴儿出生时,大脑中的神经元已经完全形成,也就是说人类从出生起就已经拥有了120亿个神经元。但是新生儿并没有明显的智力。要经过数年的时间,智力才逐渐由这些神经元发展出来。这说明神经元之间联系的建立对于智力的发展是必不可少的。而且智力的发展有一个与外部环境密切相关的关键期。由狼哺养大的狼孩,虽然拥有和正常人同等数量的神经元,但是由于错过了智力发展的关键期,即使后来再回到人类社会,其智力也始终停留在非常低的水平。这就像计算机中央处理器(centralprocessingunit,即CPU)中的晶体管。目前的CPU中已经可以容纳数以千万个、甚至上亿个晶体管,但这些晶体管还需要导线将它们连接起来才会产生运算能力。思维过程涉及到大脑的不同区域,信号需要沿着神经元之间的通路(本文中笔者将这些通路统称为神经纤维)在不同区域的神经元之间进行传递和交换。信号在大脑不同区域之间传播的途径越顺畅,速度越快,大脑处理信息的速度就越快,智力就有可能更高。而神经纤维传输信号的速度是比较慢的。不同神经纤维的信号传递速度在0.5~100m/s之间。假设信号传递速度的平均值为10m/s,也就是每传输1cm,需要1ms的时间。在这种传输速度下,脑的尺寸对信息传输时间有很大的影响。比如牛的大脑比老鼠的大脑重200多倍,直径为6~7cm,而老鼠的大脑直径不到1cm。信号从牛大脑的一边传到另一边的时间需要6ms左右。如果思维需要脑中多个部分之间信息的多次来回交换,牛思考所需要的时间就更长了。这也许可以部分解释为什么老鼠的反应和行动是那么迅速,而牛却总是慢吞吞的。而体型微小的蜜蜂,脑重只有几毫克,但是蜜蜂脑中神经元之间的距离很短(在毫米范围内),因而信息可以在神经元之间迅速传递。这使得蜜蜂在互相追逐时,可以在一眨眼的工夫飞出复杂的曲线,从而在毫秒级的时间段里对飞行轨迹进行精确的控制。因此,要提高大脑处理信息的速度,就要尽量缩短神经元之间的距离。从这个意义上讲,脑子越大越不利。4功能区之间的距离人脑相对来说是比较大的,宽约14cm,长约16.7cm,高约9.3cm。大脑皮层分为许多功能区,思维过程中信息需要在多个功能区之间交换。不同的人其功能区之间的距离亦有所不同(见下文)。为了研究信号在功能区之间的传输距离是否与人的智力有关,科学家用不同的方法测定了部分人大脑中功能区之间的距离,再将数据与测试对象的智力相比较,得出了类似的结果。荷兰Utrecht大学医学院的MartijnvandenHeuvel等人用功能核磁共振(functionalmagneticresonanceimaging)测定处于休息状态时人脑不同功能区之间的距离。在时间上高度同步的神经活动区域被认为是彼此相关的。从核磁共振图中可以得出这些功能区的距离。Heuvel等人的实验结果表明,信号传输路径最短的人,智商最高。英国剑桥大学的神经图像专家EdwardBullmore用脑磁图(magnetoencephalography)估算大脑中不同区域之间信号传输的速度,并且与测试对象的短期记忆力(在短期内同时记住几个数的能力)相比较,发现区域之间具有最直接联系、信号传输速度最快的人,具有最好的短期记忆力。这些研究结果都支持了上述观点,即神经功能区之间的距离长短与信号在这些功能区之间传输的速度直接有关,也和智力的高低有关。读者也许会问,人脑的大小和重量不是都差不多吗?为什么功能区之间的距离还会不同呢?这是因为不同的人大脑皮层的形状不同。人的大脑表面不是平滑的,而是布满了沟回。这使得大脑皮层的表面积比光滑的大脑要大得多,因此可以容纳下更多的神经元。但就像人的指纹一样,没有2个人的沟回形式是完全相同的。即使是同卵双胞胎,沟回的形式也只是相似,但仍彼此不同。由于大脑皮层分为许多功能区,不同的沟回形式意味着每个人功能区之间的距离不同,信号在这些功能区之间传输所需要的时间也不同。对于一个特定的人来说,如果2个功能区之间的距离比平均距离短,与这2个功能区有关的智力就有可能比较高。但是另外2个功能区之间的距离也许又比平均数长,与这些功能区有关的智力也许就相对较差。这或许可以部分解释为什么不同的人所具有的才能不同。有些人在数学领域较为擅长,有些人具有音乐天赋,但是在别的领域就相对较差。爱因斯坦的脑重只有1230g,相当于1194mL,明显低于人类1350mL的平均值。但是他的大脑的顶叶部位有一些特殊的山脊状和凹槽状结构。较小的大脑和特殊的沟回结构,也许造就了爱因斯坦进行思维时神经通路特别短且通畅,从而形成了他超于常人的智力。但是他在语言方面似乎稍逊于常人,直到3岁才会说话。5在压力和速度上的应用为了拥有尽可能多的大脑皮层神经元,同时这些神经元必须安排得尽可能紧凑以缩短它们之间的距离,还要使神经元之间的通讯尽可能快捷,人脑已经采取了多种方式进行优化。这些措施是其他高等动物所共同采取的,但是人类将其发展到了极致。1)保持神经元的体积,使其避免过大。通常情况下,动物在体型变大时,神经元的体积也随之增大,这样势必会增加神经元之间的距离。而灵长类动物的大脑有一个特点,即脑随着身体的增长变大了,但神经元的体积基本上不变,因此可保持较高的神经元密度。人每1mm3的大脑皮层,也就只有大头针的针头那么大,里面却含有约10万个神经元,每个神经元平均有29800个连接处与其他神经元相联系。用这种方式,人的大脑已经含有所有生物中数量最多的神经元,而大脑的总体积仍然在人体可以接受的范围内。与此相反,大象和鲸鱼的大脑中神经元的尺寸就相对较大,使得它们的大脑虽然比人的大得多,但是神经元的密度却相对较低。因此大象和鲸鱼大脑的工作效率也比人的大脑要低。2)大脑的神经元多集中在表层(大脑皮层)2~3mm的厚度中。这样可以使神经元之间的距离尽可能地短。数学分析表明,这种安排比起把神经元在大脑中平均分布再彼此联系更有效率。绝大多数的神经元之间的联系都是短途的,只有少数是长距离的联系。3)大脑皮层的构造也不同。大脑皮层分为新皮层(neocortex)、古皮层(archeocortex)和旧皮层(paleocortex)。古皮层与旧皮层比较古老,与嗅觉有关。这些皮层的结构只有3层,叫做爬行动物的大脑皮层。而从哺乳动物开始,新皮层出现。动物的进化程度越高,新皮层所占的比例越大。像人的大脑皮层中,约有96%是新皮层。新皮层中神经元的排布依据神经元类型的不同分为6层,可以实现更高程度的皮质神经元的密集。计算机的CPU也借鉴了这个设计,在芯片中有多达9层的晶体管。4)用不同的神经纤维完成不同的任务。由神经元发出的,将信号传给其他细胞的纤维叫做轴突。有的轴突外部包有绝缘层(髓鞘),叫做有鞘纤维,传输信号的速度比较快,但是占的体积也比较大。另一种没有绝缘层,叫做无鞘纤维,传输速度比较慢,但是占的体积相对较小。大脑皮层神经元之间的短途连接使用无鞘纤维,以减少占用的空间,使神经元之间可以更加靠近。而途径较长的联系就用有鞘纤维以获得更高的传输速度。由于髓鞘是白色的,这部分脑组织就叫做白质。神经元集中的地方因为轴突没有髓鞘,成灰色,叫做灰质。白质和灰质的分区,说明大脑已经在减少体积和保持信号传输速度上尽量兼顾二者。由于这些改进,人脑在拥有地球上动物中最多数量大脑皮层神经元的同时,又在神经元的密集程度、连接路径及信号传输速度上进行了优化,使人类拥有其他动物无法比拟的智力。问题是,大脑的这些优化过程已经接近终点了吗?人类的智力还能提高吗?6智力和集程度的影响从上文可以看出,大脑皮层中神经元的总数、神经元的密集程度及信号在大脑中各个功能区之间传输的距离和速度都与智力的高低有关。那人类是否能够在这几个方面继续加以改进,以获得更高的智力呢?下文将对这些问题分别进行讨论。6.1新生儿的头尺寸变化既然人类拥有地球上动物中数目最多的大脑皮层神经元,同时也拥有最高的智力,继续增加这些神经元的数目也许能使大脑处理信息的能力更为强大,使人类变得更加聪明。但是更多的大脑皮层神经元意味着更大的大脑,功能区之间的距离会增加,使信号传输的距离和时间更长。这会使大脑处理信息的速度变慢。更大的大脑也需要更大的头来“装”它。目前人类新生儿的头部尺寸已经是身长的1/4(成人为1/8),头围约34cm。这样大小的头部已经使得分娩成为一件困难和痛苦的事情。经历过或者看过分娩过程的人都会对此印象深刻。若新生儿的头太大,如果不是剖腹产,恐怕母亲将难以顺利产下婴儿。就算分娩的问题能解决,能量供应也是问题。大脑是高度消耗能量的组织,人脑的重量大约为体重的2%,却使用身体能量总消耗的20%。新生儿大脑的能耗甚至高达身体总能耗的60%!且心脏、肝脏、肾脏也是高度耗能的器官,但加起来也不到新生儿总能耗的40%。再增加脑容量,恐怕其他器官的活动就无法维持了。6.2神经纤维直径和信号传输的速率增加大脑处理信息效能的一个办法就是增加信号在神经元之间和功能区之间传输的速度。不同的神经纤维传输信号的速度不同。神经纤维直径越大,信号传输速度越高。这就像粗的电线由于电阻较小,导电能力更强一样。神经纤维外面有绝缘层(髓鞘)的,信号传输的速度也更快。但无论是增加神经纤维的直径,还是在外面包上厚厚的绝缘层,都会使神经纤维的总直径变大,占用更多的地方,迫使神经元之间相距更远。这会增加信号传输的距离,使信息处理速度变慢。6.3功能区之间的联系现在人类大脑皮层中各神经元之间有着数以万计的联系。进一步增加联系的数目也许能使大脑处理信息的能力更为强大。增加功能区之间的联系也相当于增加信号传输的带宽,使信息传输更加通畅。但无论是增加短途联系或长途联系的通道,都意味着要增加神经纤维的数量。这些神经纤维必然要占用更大的体积,增加各神经元之间和功能区之间的距离,其结果也是延长信号传输的时间,使大脑处理信息的速度变慢。更多的神经纤维也意味着更多的神经脉冲,消耗更多的能量。6.4神经脉冲的信号如果神经元的细胞体积变得更小,神经纤维变得更细,就可以在同样的体积中容纳更多的神经元。这样既可以提高大脑皮层中神经元的总数,提高信息处理能力,又可以缩短它们之间的距离,有利于信号的传输,还可以降低能耗,是一举数得的办法。问题是,神经元和神经纤维还能进一步微型化吗?这有点像计算机行业中的摩尔定律,即每过18个月,集成电路中晶体管的总数和计算性能就提高1倍。这主要是通过晶体管以及它们之间的导线微型化来实现的。既然计算机可以这样做,那么大脑是不是也可以这样做呢?摩尔定律在开始时工作得很好,似乎可以无止境地持续下去。但是当晶体管的尺寸接近纳米级时,漏电现象就日益严重,晶体管的工作不再可靠。提高栅极的电压可以改善晶体管工作的稳定性,但是要消耗更多的能量,散热问题就更难解决。而且随着集成电路的微型化,电场传播速度也有一天会成为计算机速度的瓶颈。现在计算机的速度已经可以达到每秒千兆级(gigabits)。而在4kM的频率下,电场在每个周期中也只能走7.5cm,也就是已经接近计算机硬件的尺寸。神经系统的微型化也存在类似的问题。即当尺寸减小到一定程度,神经元的工作就变得不稳定。要理解这个问题,需要先知道神经信号是如何产生和传输的。神经纤维传输的信号在本质上也是电性的,但不是电流从神经纤维的一端流到另一端,而是膜电位的局部改变以接力的形式沿着神经纤维传播。详细叙述这个过程需要太多的时间和篇幅,这里只给出一个简化过的模式。神经细胞在“静默”(没有发出电脉冲)时,细胞膜的两边有一定的电位差,幅度大约为-70mV,膜内为负,膜外为正。这个跨膜电位主要是由膜外高浓度的钠离子实现的。当神经元接收到从其他细胞传来的信号时,在接触点(即接收信号处)会让一些钠离子进入细胞。由于钠离子是带正电的,它的进入会抵消一部分膜内的负电,使得跨膜电位的幅度减少。如果神经元在多处同时接收到这样的信号,这些跨膜电位的变化就有可能叠加起来,造成跨膜电位的幅度进一步减少。当跨膜电位的幅度减少大约15mV,也就是其数值减少到约-55mV时(即所谓“阈值”时),膜上的一种对电位变化敏感的钠离子通道就会感受到这个变化,改变自身形状,使钠离子通过细胞膜。由于膜外钠离子的浓度远高于膜内,钠离子通道打开会使更多的钠离子进入细胞,跨膜电位进一步降低,从而使更多的钠离子通道打开。这种“正反馈”使得这个区域内原来外正内负的电位差完全消失,甚至出现短暂的外负内正的情况。此时钠离子通道将会关闭,而且暂时不会对膜电位变化做出反应。进入细胞的钠离子会向各个方向扩散,改变邻近区域的跨膜电位,触发邻近区域钠离子通道的反应。这样一级一级地触发下去,膜电位改变的区域就会沿着神经纤维传递下去,这就是所谓“神经脉冲”的传递。由于最初被活化的钠离子通道还在不应期,这个电信号不能反向再传回去,而只能向前走,使得神经纤维只能单向传递信号。由此可以看出,一个神经元是否发出神经脉冲,要看许多信号叠加的总结果。而且钠离子通道并不只是在跨膜电位变化到阈值时才会打开。在细胞里,这些钠离子通道还会因其他分子的热运动带来的快速冲撞而自动打开,形成“噪音”。只有钠离子通道的数量足够多,接受正常信号的通道数大大多于偶然打开的通道数,神经元才能正常工作。神经元过小,或者神经纤维过细,钠离子通道的数目就不足以维持正常的信噪比,一些偶然被触发的钠离子通道就会使神经元发出错误的信号。英国剑桥大学的理论神经科学家SimonLauglin及其同事通过计算发现,如果神经纤维的直径小到150~200nm,噪音就会大到不可接受。而最细的神经纤维(无髓鞘的C类神经纤维)直径已经小到300nm。我们也可以设想让钠离子通道变得更“稳定”,即不容易被热运动偶然打开,这样就可以降低噪音水平。但是这样的钠离子通道就需要更高的膜电位变化才能被触发,使得神经元工作的能耗增加。这就像计算机的处理器中,提高栅极电压可以使晶体管更稳定,但是也需要更多的能量才能使它工作。因此,像计算机里面的晶体管小到一定程度就不能稳定工作一样,神经元小到一定程度也会使噪音过大。而且神经纤维直径越小,信号传输速度越慢。像直径300nm的神经纤维,信号传输速度还不到1m/s。这就足够抵消紧凑所带来的好处了。7计算机的人性研究问题以上的分析表明,影响智力的几个因素是相互制约的。改善其中的一个因素,其他因素就会受到不利的影响。增加大脑皮层神经元的数量,加粗神经纤维或包上髓鞘以增加信号传输的速度,都会增加大脑的体积,使得信号传输