来源:biokiwi

  科幻小说或电影里,我们常常能看到各种各样神奇的设定,有些看起来比较离谱,但也有不少仿佛触手可及;尤其是当以往的科幻情节,随着时间的流逝和技术的进步逐渐照进现实,充满奇思妙想的脑洞的重要性越发凸显出来。本期 kiwi 说就和各位分享以下两个脑洞:

  1. 如果把人类的视力在原有基础上提升50倍,我们看到的世界将会变成什么样?

  2. 假如把某些动物的大脑交换,会发生什么?

  如果你对这两个问题有其它见解,欢迎在评论区分享你的看法;同样,如果你有其它天马行空的疑惑,也欢迎给我们留言。

  视力提升50倍,能看到什么?

  这个问题实际理解起来可能不是那么容易,50倍的视觉信息也是我们的大脑难以消化的。我们不妨从现有的视觉系统结构上探讨这个问题,再来看看会怎么样。

视觉系统 | 图源:WGray& Anatomy视觉系统 | 图源:WGray& Anatomy

  首先,外界光线通过我们的眼球,投射到视网膜的上亿个感光感受器上面;后者通过识别红绿蓝三种不同的光谱光线,再将信息汇总到120万跟神经轴突上。通过电信号快速传播的方式,90%的视觉信息会被传递到位于大脑中间的外侧膝状体(LGN)

  LGN 就好像是一个视觉信息处理的中转站:信息到这会发生一个初步的处理与汇总,针对颜色和物体轮廓进行处理,之后再进一步传递给大脑皮层——位于枕叶的初级视觉皮层V1 区。

  除了初级视觉皮层,人类大脑还包括有 V2, V3, V4, V5(MT)几个不同的视觉皮层,像是流水线一样,把简单的光线信息一步步细化,提取其中的色彩、形状、运动信息。

视觉信息处理过程 | 图源:Wikipedia, Clock视觉信息处理过程 | 图源:Wikipedia, Clock

  在这个过程你可以发现,我们的视觉系统可能不像照相机一样,咔嚓拍下照片这么简单——为了处理复杂的视觉信息,除了眼睛-LGN-巨大的大脑皮层(视觉系统占大脑比例最高)之外,其实我们在进化过程中还针对这些“硬件”进行各种软件层面的优化。

  可以举几个例子:

  比如我们的视网膜虽然会有很多的感光器,但它们并不是均匀分布的,而是会分区域、分层进行分布,通过互相作用、合作,达到最好的视觉获取效果。视网膜上的感光器分为两种,一种是感知颜色的视锥细胞,一种是感知光线明暗的视杆细胞。

  为了有效地得到更“高清”的画面,人类的视网膜出现了中央凹,是一个位于视网膜中央的一个只占1%大小的小凹槽,上面密布着视锥细胞,通过对光线明暗的感知,有着超强的分辨率能力,因此50%的视觉信息都是通过只占1%的中央凹进行检测的,实现了视觉信息的更高效处理。

底部的 Fovea 就是中央凹的区域 | 图源:Rhcastihos底部的 Fovea 就是中央凹的区域 | 图源:Rhcastihos

  还有一个例子,大脑皮层在处理视觉信息时的取舍:有一个很有意思的现象,我们在较远距离看一个物体的时候,会自动丢失掉这个物体的一些细节,这种细节我们称之为较高的“空间频率”。而这些细节的处理是需要依靠 V4 甚至到 V5 这样的视觉皮层。

  上海神经研究所的研究发现,V4 在识别细节时,整个脑区并不是均匀地去识别,而是有选择性的——有些地方会对空间频率更高的区域起反应,有些区域则只对较低的空间频率起反应;有的细胞比较大,可能就更偏向整体;有的细胞则比较小,就会关注于细节。这也说明面对复杂的视觉信息,大脑在处理过程中,是有一个非常细致且复杂的分工合作的,而不是一股脑都去纠缠于细节上。

不同的 V4 脑区产生不同反应 | 图源:Lu Y, Yin J, Chen Z, et al。不同的 V4 脑区产生不同反应 | 图源:Lu Y, Yin J, Chen Z, et al。

  那让我们再回到这个问题:视力提升五十倍,我们应该怎么定义?

  它绝不仅仅是说我们看视力表可以看到更小的地方,因为我们的视觉系统在处理视觉信息时,有一套复杂而又高效的方式,如果提高到五十倍,我们可能会有很多改变:

  比如我们看到的颜色,本来可能只有光学三原色——红绿蓝;但视力提升以后,我们可能可以识别到更多的光学信息,比如现在看不到的红外线和紫外线,我们眼中的世界会更加斑斓多姿;

  比如我们在看远方和近处的物体,我们可以得到更多的细节:远处物体看起来不会模糊不清,每根毛发的细节都会清清楚楚。

  其他的各种视觉信息的改变,可能会远比我们能想象到的要精彩。

  但与此同时,整个身体的结构将会发生巨大的变化:眼睛会需要更多的感光细胞,为了得到丰富50倍的视觉信息,整个视锥视杆细胞分布可能都要重排,中央凹区域可能需要扩大,我们的眼睛将会压力重大,苦不堪言。

  同时要处理50倍的视觉信息,我们的大脑也需要进行全面的改造:要么视觉皮层扩大几十倍,我们每个人都会像科幻片里外星人一样的大头娃娃;要么我们舍弃大脑其他功能,比如情感、记忆、意识、学习、语言能力,全面为视觉服务——我们从此成为一个拥有超强视觉,但毫无意识情感的“低等人类”。

  从这个角度来想,我们没有进化出50倍的视力,也是一个合情合理的结局了。

  互换动物大脑,会怎么样?

  类似的问题其实是很多科幻小说电影的主题:人的大脑互换了,会怎么样?或者说我们能不能把大脑意识抽取出来?

  但是动物的大脑互换——这种跨物种的操作其实会更难:大脑可能是不同物种间差异最大的器官之一了,不同的动物大脑几乎都不一样。可以举几个例子:

  比如人和黑猩猩,我们知道人类和黑猩猩是近亲关系,但是人的大脑大概是黑猩猩的两三倍大,而且具有更复杂的沟回结构,大脑的形态也是完全不同。

黑猩猩大脑 vs 人类大脑黑猩猩大脑 vs 人类大脑

  而即使我们把这个距离拉近,比如已经灭绝的一种古人类——尼安德特人。根据考古发现,他们的脑容量大约比现代人大100-200cc,而且现代人的大脑更偏向球形,而古人类的大脑却更偏向椭圆,要换的话估计也有不小的难度。

  当然我们也可以再举个例子,比如新喀鸦,是乌鸦的一种,非常聪明,可以使用工具,具有逻辑推理能力。而研究通过和其他鸟类的比较,发现新喀鸦确实大脑大很多,而且其中皮质(mesopallium)显得比较突出,这一区域也是一个复杂的脑区,可能和行为有关。

  例子还有很多,动物大脑的差异可能比我们想象的还要复杂,而这也是科学家正在逐步研究探究的问题之一。

 不同动物的大脑 不同动物的大脑

  刚刚我们也提到大脑和行为上的关系,所以这个问题的关键在于:要是真的使劲硬塞,把大脑给换了,那会发生什么?

  其实意识对于大多数动物是一种相对次要的功能,运动、感觉(视觉、嗅觉、听觉、味觉……)这些才是动物生存的关键。要是猫和狗换了,直接的影响显然是感觉上的差异和各个器官出现不匹配,比如狗的嗅觉需要灵敏的鼻子,但是换上猫的脑袋,可能处理嗅觉信息时就会有大问题;猫的夜间视觉很好,但也要取决于眼睛瞳孔可以发生放大缩小的改变,但是狗的脑袋进来了,在处理这样的视觉信息时想必也会不对劲。

  这些从进化的角度来看,其实就是各个器官的一种协同作用:不可能说出现一个超大的脑袋,但是却很原始的五官。大脑的神经连接和五官、四肢都是相互呼应的,比如动物的运动皮层发达,可以理解它们可以进行高速运动或者精细操作(比如人类的运动皮层很大一部分是决定手的操作的)。

  而且神经的连接也不是一个可以简单更换的过程,大脑是和全身都有连接。那本来对应四肢的连接,换了一个脑袋能不能连上呢?这应该也是要考虑的问题。

  不过我们只能做一个简单的畅想,毕竟暂时来看好像还没什么人愿意花这个经历去尝试做这种实验。


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