「脑回路」是什么生理结构?

当我们和他人对待事物的看法大相径庭、感到话不投机半句多时,有时就会说一句"无法理解他怎么想的,咱们的脑回路不同"。 尽管俗语并不需要符合科学原理,但我仍然很好奇如果从神经科学的角度来看,这句话背后的真正意义是什么? 更具体一些的,大概是以下问题: 1、脑回路是什么? 2、人与人之间的脑回路真的可以有很大不同吗? 3、脑回路不同会导致什么情况? 4、脑回路分长短吗?是否和俗语所描述一样脑回路长表示反应慢,and v…
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7 个回答

谢谢 @刘柯 的邀请。

正如上面有人说到的,神经科学中还真有类似的概念:即为 Neural Circuits (神经环路)。在这抛砖引玉一番。

「脑回路不同」还是太过粗糙,应当说神经环路的差异。倘若如此,神经环路的差异的确会导致处理信息的差异。我在此举几个我熟悉的例子,谈一谈识别面孔的神经环路的差异,会导致不同人在解读一张面孔的时候,有着不一样的行为和结果。

我们大脑其实利用分布式神经环路处理视觉信息 (比如Behrmann & Plaut, 2013; Palermo & Rhodes, 2007)。正如麻省理工学院的 Nancy Kanwisher 教授所言,我们的大脑更像是一把多用途军刀,有着不同的神经环路,平行地处理各式各样的信息。而并非是一个巨大的中央处理器,一股脑地,处理各式各样的信息。分布式的神经环路可以有效加快信息处理过程,毕竟没有区域有着自己最适合处理的信息类型(表征),各司其职可以加速处理过程。就好比经济学里的基本例子,当一群人分工流水线工作时,生产钉子的效率肯定快于同一群人单独制作钉子。有时候,分开挺好的。甚至,我们视觉活动中的腹侧通路(处理 ‘这是什么’)与背侧通路(分析 ‘它在哪里’)这两条龙路也可以粗略(强行)算作两大组神经环路(Mishkin, Ungerleider, & Macko, 1983)。


上面的图来自于Palermo和Rhodes 在2007的一篇文献综述。图上大致介绍了识别面孔的处理区域以及对于注意力控制的区域。当我们看到一张面孔的时候,至少上述区域都要活动起来为我们提供信息的处理:白框是基础的视觉处理区域,黄色框涉及面孔身份信息处理区域,红色框涉及情绪判断区域,而蓝色框涉及注意力的分配。所以至少有三组神经环路都要涉及到面孔处理上。我们大脑中,涉及面孔的「脑回路」还挺多的。

「脑回路不同」究竟是怎么回事呢?其实我们人与人的差异挺大的,不光在于面孔本身,甚至大脑之间也有点差异。


Kanwisher 与同事们(1997)论文中发现了重要的梭状回面孔区(FFA)。这个区域正是识别面孔的核心区域。但是由于每个人的差异,其实梭状回面孔区的具体位置并不是固定的。只能说都在右侧颞叶底部的梭状回中间。实际的差异很大,大家看图上红色的亮点便是十位志愿者的梭状回面孔区。

人与人的神经区域有差异,而神经区域之间的连接性(髓鞘之类)也有差异。甚至最近方方组的一篇论文(Chen et al., 2016)通过知觉学习+核磁共振的方式发现,随着学习识别动作过程,志愿者的大脑中,识别动态的环路有一定的编码解码变化。所以说,「神经环路有不同」也并非什么新鲜事。倒是很合理的一个现象。

今天说的脑回路差异,还得是说到环路之内的连接性造成的差异。有一种识别面孔的问题叫做先天性面孔失认症,它的特点就是在没有其他问题存在的情况下(如没有视力损伤,自闭症等),无法顺利地在成长过程发展出识别面孔身份的能力;也就是,因为基因或发育或其他未知原因(目前无定论),无法记住他人面孔的一类障碍(目前无修复方法)。一开始,有人认为是梭状回面孔区受损导致。但是随着科研的进展,科学界广泛认为先天性面孔失认症是识别面孔的神经环路之间的连接沟通出现了问题(Thomas et al., 2009)。看似小小的脑回路不同,可能让一些人没法通过面孔识别出他人,也记不住他人的面孔。

当然,神经环路中的一个节点出现了问题也会导致识别的差异。病人SM是一个很著名的脑损伤例子,她的双侧杏仁核受损导致了她不再拥有恐惧感。同时她也认不出恐惧的表情。加州理工的 Adolphs教授通过研究她,做出了不少开创性进展。在2005年,他联合了格拉斯哥大学的Schyns等学者,进一步发现病人SM识别不了恐惧面孔的原因,正是由于她不会通过利用眼睛识别情绪。所以说,识别面孔情绪环路上的一节出现了问题,也会导致不能用最合理的方法阅读和理解面孔。

所以说,神经环路的差异的确会让我们不一样!


参考文献

谢邀。

哈哈,这个问题还挺有趣的,谢谢题主的提问。

1. 的确有脑回路这么个东西。叫neural circuits。神经元们是相互连接的,一个具有功能性的,可以自我调控反馈的一系列神经元的回路就叫neural circuits。简单来说一般是感知觉感受--中央神经系统处理--再回到肌肉或者效应器进行输出。比如看到一只狗狗(视网膜神经元接受信号形状对比度等等),你觉得好可爱啊(视网膜信号传导到大脑,让你“理解”这是个狗狗,然后再激活了愉悦的脑区),你伸手去摸它(传回到手臂的肌肉,让你做出摸的动作)。所有参与从眼睛到肌肉控制的神经元在物理上是连接起来的,这一系列连接起来的神经元回路就叫一个脑回路。

我实在找不到第一个提出这个概念的科学家,但我觉得应该还比较现代,所以觉得问题很有趣啊,神经科学发展才没多久,就已经融入中文俗语了 : )。

2. 可以有很大不同。比如上面一个例子,有些人很怕狗狗,这个时候视网膜神经元接受信号相同(我们排出近视啊色盲啊这些因素大胆假设同一只狗不同的人看到的是一样的)还是传导到大脑整合成“狗狗”的概念,可是由于过去可能被狗咬的经历,这些人激活了恐惧的脑区,从而传回到控制大腿的肌肉,让他们扭头就跑。

*澄清一点,脑回路的输出可以是多项的,还是这个例子,恐惧的脑区不但连接了大腿肌肉让你逃跑,还可以同时连接你的嗓子让你发出尖叫。同样输入也可以是多项的,不只是狗狗的视觉信号,可能还有狗狗的味道一起传入大脑。定义脑回路的重点是这些神经元一定是物理上相互连接的。

3. 导致的情况就是三观不同啦。你和他明明看到的同一个人,听说了同一件事,你们大脑的处理,最终导致的行为模式却不相同。所以才会导致"无法理解他怎么想的,咱们的脑回路不同"。

4. 科学上没有定性长脑回路短脑回路,但是通过上面的例子你可以想象,一个简单的回路比如膝跳反射,这种都不经过大脑,从膝盖到脊柱再回到膝盖,这个回路就很短,上面的例子要从眼睛到大脑再到控制大腿/手臂/嗓子,连接起来的神经元就很长。但是,要知道神经元靠电传导啊!速度大概是120米/秒,你就算是个两米大汉,从眼睛传到脚也不到2秒,所以脑回路长理论上是需要更长时间,但都在毫秒级别的,所以俗语就是放大了这个效果来埋汰人的哈哈。

**专业相关补充:底下有人说神经递质传导这个化学过程(囊泡融合释放,神经递质结合受体,受体可以和离子通道结合从而导致去极化下一个神经元,也可以通过第二信使进行基因调控),但是囊泡融合释放,神经递质扩散然后结合受体这个过程本身也是毫秒级别的,真正费时间的是蛋白质翻译转录(也只是分钟)还有运输到相关的地方,造成一些更复杂而缓慢的影响。但是整个神经系统设计理念就是“怎样最快”,所以哪怕有着看上去会是个拖累的化学过程,整个系统仍然非常非常快,这也是我想强调的一点。感兴趣的可以google郎飞氏结,这玩意被设计出来就是为了让信号传得更快,不得不说设计得还是很精妙啊!“从眼睛传到脚也不到2秒”这个估计本身应该没错,需要更正和强调的是,这个2秒不只是电传导,还包括了中间化学传导。另外对一件事物的反应可能不局限于一个行为输出,还有可能是一系列基因调控/激素水平改变,这些下游缓慢甚至可能长期的变化我不知道如何定义在“脑回路”这个概念里,就这个题目而言,为了简洁性我的回答不涉及这部分的讨论。

**正题:科学家们怎么研究脑回路。脑回路是神经科学家一个非常重要的研究课题,但是其实复杂性远远超过普通人想象。在非常低级的生物里,比如小线虫,他们细胞数目都是可数的,所以每个细胞之间的联系科学家们都已经搞清楚了。这样我们可以清楚地明白某个刺激(比如食物)所激活的所有细胞和它们之间连接顺序,来理解它们小小的神经系统是如何处理一个信息并且去执行的(挪动身体去进食)。当你完全理解这个系统,你就可以去完全预测一个生物的行为。这也就是为啥大家前赴后继去研究脑回路。但是细胞数目一多,这个问题就及其复杂。比如人的神经元数目在~2×10^10 这个量级上,每个神经元至多可能和一万个神经元相连(虽然我个人觉得这个数据可能估高了)。但无论如何这都是一个极其极其庞大的系统。以我们现在的能力来说想在回路层面理解还是很遥远啊。Neurons & Synapses - Memory & the Brain - The Human Memory

为什么?