Spencereads

世界上的第一个神经元

标题

世界上的第一个神经元
生物界最强外挂？神经元的崛起！
神经元的诞生：远古大逃杀的馈赠
为了吃饱，它们世界上的第一个神经元
智力的起源：世界上的第一个神经元

引子

生命在地球上虽然存在了40亿年，但绝大多数时间里——它们根本没有智力
而如今我们每个人的大脑有800多亿个神经元
你有没有想过，曾经没有脑子和智力的世界，生命靠什么活下来？神经元一开始到底是为了干什么，是为了思考吗？（偷偷告诉你：否）那么第一个神经元是怎么出现的？

开场白

大家好，欢迎来到我的频道！ 这是个全新的频道，今天第一期视频，我想开启一个系列聊聊大脑与智力的演化历史
我会从最早有神经的生物开始，看智力是怎么一步一步发展到今天的——这个是主线
还有一条支线：因为我研究生学的是数据科学里机器学习和自然语言处理这块，你会发现自然演化出的生物智慧，跟人为设计的神经网络，虽然有截然不同的地方，但又有很多本质是相通的：了解生物智慧，能启发我们设计出更好的人工智能；而改进人工智能的过程，也反过来帮助我了解到更多生物智能背后的原理
这个内容受到了很多本书的启发，其中有一本刚刚出版只有一年多的书，叫《智能简史》，是它直接导致我有了想要做这个系列的想法，并且视频中会用到的很多插图也来自于这个书

神经出现之前的地球

要聊大脑的起源，咱先得看看无脑时代的地球是什么样的
在脑子出现之前，地球上的生命已经繁荣昌盛了非常久
有多久呢？30亿年，差不多是恐龙灭绝到现在的50倍
所以其实生命自从诞生之后85%的时间里，是完全不存在智力的
所以，每次你开始觉得自己有多么愚蠢的时候，想想这30亿年，没脑子没什么可怕的，也能活下来

想弄明白为什么脑/智力诞生了，要先弄明白脑的组成部分——神经——为什么会出现
那要弄清楚这个，我们先要回到远古时期的地球看看那十个怎样的环境

先决条件1：有氧呼吸

最早的生命形式在海洋里形成了原始细胞（名字给人一种仙侠小说的感觉）

生命最本质的过程就是复制自己/繁衍，一个细胞分裂成两个
这个过程需要两个东西：原料和能量，不能无中生有：

  • 原料：大气中充满了氢气/甲烷等无机物，以及氨基酸等有机物
    • 这儿插一句啊，其实组成生命的基本单元——有机分子在宇宙中非常常见，我们在陨石、彗星、星云中都发现了包括氨基酸在哪的大大小小有机分子接近300种（不过生命起源这个话题留给下一回，咱们说回地球）
  • 能量：深海热泉的热能催化下，进行无氧代谢：比如发酵/无氧呼吸，简单来说就是在没有氧气的情况下，将有机物分解成更简单化合物，并产生能量

本来大家靠着无氧代谢，活得也还行，但咱现在知道，有一个很重要的能量来源——太阳能咋没人用啊
光合作用横空出世，直接开挂不跟你们玩儿了：将二氧化碳和水在光照的作用下转化为糖，并释放氧气

  • 原料：用充足的无机物，合成需要的有机物（不需要抢氨基酸了）
  • 能量：糖作为燃料用来代谢可以供能，而只要太阳还在就可以制造更多的糖
    光合副产品氧气，大氧化事件，彻底改变了地球的环境和生命的发展走势——神经元出现的第一个先决条件

这是因为由于氧气的到来，生物界迎来了一个关键的变化：能量的获取方式变了
氧气是一种高度活跃的物质，糖的氧化可以释放大量能量：有氧呼吸的效率是无氧呼吸的18倍，谁用谁知道！
于是一些微微生物适应了这样的环境，甚至加以利用，演化出
有氧呼吸：把氧气和糖转化为能量、以二氧化碳为废气
有氧呼吸 ↔︎ 光合作用 大气成分达成平衡，生命得以长存

==有了有氧呼吸和之前有什么不一样？

  1. 有氧呼吸效率太高了：是无氧代谢的18倍
  2. 有了更多能量，也可以支持更大的体型
  3. 能量供应提升+体型可以更大，给行动和捕食创造了条件：光合作用 = 躺那儿 vs 有氧呼吸需要糖，而有机物并不是空气里漂着的，怎么办？抢！捕猎者出现了！生物之间的竞争从“谁能长得快”还新出现了“谁能吃谁”

在有氧呼吸出现前也不是没有微生物以吞噬和消化别的微生物为生，但它们因为能量效率很有限，所以行动很简单、缓慢、不精准
所以大部分微生物没有很强的生存和竞争状态，争夺更多是空间和资源的，而不是吃掉彼此，这个被打破：捕食者和猎物
军备竞赛（捕食者演化出更强的能力，猎物也演化出更强的防御）推动整个生态圈进入了更激烈的你死我活的竞争状态，大大加速了生物演化的速度和复杂性

有氧呼吸提升了能量供应，捕猎正式登场！一部分微生物开始以激烈的捕食为生

先决条件2：多细胞

单细胞捕猎：吞
但猎物也不是吃素的（虽然它们的确在吃素）为了不被吞掉，大家开始变大
两个策略：

  1. 变大，可惜单细胞的体型有极限，因为两个限制：
    1. 细胞物质交换考扩散，体积增长立方倍增/表面及增长平方倍增，物质交换效率降低
    2. 单细胞太大，细胞核离哪都远，信息管控效率降低
  2. 怎么办？抱团取暖，进化多细胞

捕食者目前进食和移动的方式都是单个细胞层面的
如果想要摄入更大的猎物，必须也形成多细胞

插入：如何研究古早的生物：

  1. 化石（通过化石，我们可以研究生物形态、生活环境、演化过程；但化石记录并不完整，因为很多生物（特别是软体生物）很难被保存）
  2. 现存生物里，生命之树上的“亲戚”，推测共同祖先
  3. 现存生物里，生存环境与过去比较像的
    类比：你家族是铁匠，你家留在村里打铁，别的很多亲戚开枝散叶去了别的地方，转行做什么的都有，他们的后代如果想知道自己祖上是什么样的，找彼此可能看不出什么，但是如果他们回到村里，看看你家还在打铁的样子，就能更容易推测出祖上的生活是什么样的
    有些生物更接近祖先的模样，是因为千百万年来它们生活的方式和环境都没有太大变化，没有受到很强的演化压力，而且物种分化往往因为脱离了原有的环境，后来分化的物种往往是进入新环境后，迫于新的适应压力，演化出不同的形态，越与祖先的样子相差得更多

单细胞向多细胞过渡的“铁匠”：领鞭虫

因大小所限，单细胞内部信息的传导复杂程度也受限
但多细胞形成了细胞之间交流的基础，远远提升了这个的上限

先决条件3：分工

就像领鞭虫一样，最早的多细胞可能从很松散、只是时不时聚在了一起，慢慢变为更复杂的协作
但我们知道，任何协作，最好的方式是分工
人也是如此：我们有有37万亿个、200多种细胞：血/皮肤/肠道/肌肉/免疫等等——功能不同，目标一致：整体的生存

分工就和公司一样，可以

  1. 提高效率：专门消化/运动/繁衍
  2. 结构更多样：发展出更复杂的生存方式

动物最早有细胞分化的鼻祖，很可能是类似今天的海绵、或与海绵的共同祖先相似的生物

  • 领细胞：通过鞭毛产生水流，过滤微生物（最具代表性的细胞，类似领鞭虫）
  • 变形细胞：消化和运输养分，修复和再生
  • 针细胞：分泌矿物质骨针或有机海绵纤维，防御作用（之所以为海绵）

分工使得可以有专门一种细胞，只负责感知与响应，这就是神经细胞

总结先决条件：能有氧呼吸的、分工化的多细胞捕食者——终于在这时，第一个神经元出现了

第一个神经元

最早的神经元可能就出现在类似珊瑚虫的刺胞生物里
珊瑚由数千个珊瑚虫组成，每个都有一个消化腔和口，周围长着一圈触手
触手漂浮在水里，表面的感觉神经细胞细胞察觉到猎物时，会引发它传递这个信号，让体内遍布神经网会协调触手会迅速收缩把食物拽入消化腔

神经元带来了的

  1. 对环境的感知
  2. 响应
    其他种类生物不也可以吗？
    比如向日葵可以调整花朝向阳光、捕蝇草触毛和含羞草通过抽离水分实现叶片的移动
    真菌的菌丝网可以信号传输进行远距离沟通，将养分从资源丰富的地方转移到资源较少的地区

区别在于响应的性质
相比于植物和真菌，珊瑚虫捕捉-张嘴-吞咽-闭嘴，一系列需要迅速、精确、协调、可以反复进行的运动，没有神经做不到

所以人类早期的祖先，很可能经过了类似今天海绵的过滤水流获取营养的阶段，在捕食的演化压力的驱动下，发展成类似今天珊瑚虫和水母的阶段：有简单神经机制协调运动的动物

最初神经元的出现只是为了完成捕食和吞咽这个简单的任务，但它为后面智力的发展奠定了最至关重要的基础

神经元的特性

现在的动物的神经元种类多样、形态各异，但最令人震惊的发现却是：它们的运作方式几乎完全相同
这意味着无论是智力处于什么程度的动物，神经系统都有着同样的基本构成要素
所以真正把你和水母区分开的，并不在于神经元本身，而在于数量、复杂程度，和连接方式

那让我们看看所有的神经元究竟有什么共性，4个最显著的：

  1. 单个信号“全或无”的放电模式：神经元要么完全激活，要么完全不激活
    前三个都是Edgar Adrian发现的，因此拿了诺贝尔奖；他就很奇怪，感知（明暗 声音大小 疼痛程度）是有强弱的，那强度的信息如果不是由信号的强弱决定，那是怎么传递的？
  2. 频率：青蛙腿实验，刺激越强，神经元的放电频率越高
  3. 适应性：
    将自然界的各种强弱程度（比如光的明暗）转换为放电频率有一个问题：变化范围广到远超频率可以编码的范围
    以视觉为例子：阳光下看一张白纸进入眼睛的光量比月光下多一百万倍（黑色的字比纸还亮30倍）
    所有的感官都需要区分跨度巨大的变量，频率最多500次/秒，不可能编码出一百万倍的差异
    也就是说如此庞大的范围要压缩进0-500次区间内，放弃绝对对应关系，保留相对精度信息：适应 = 并没有固定的自然变量与放电率的对应关系，相反神经元会不断调整自己的阈值来适应环境（很亮，平均阈值就搞；很暗，平均阈值就低），避免被刺激过度或不足，这样确保无论强光弱光下都有有效的信息进来、都看得见，别的感官也是如此——多么轻/重的触碰、大/小的声音、还是浓/淡的气息都可以捕捉到
  4. 神经信号在神经元内部传递的是电信号，但神经元之间传递的化学信号（信号≈快递，内部是高铁，之间是人工派送）
    1. 内部：电位的改变（如图）像多米诺骨牌，依次倒下
    2. 之间：连接的神经元之间有微小的间隙，一边释放神经递质在纳秒级的时间内与另一边结合，信号就递过去了
      1. 兴奋性神经元：释放兴奋性神经递质，使它们连接的神经元更容易产生放电
      2. 抑制性神经元：释放抑制性神经递质，使它们连接的神经元更难产生放电

总结好处在哪

  1. 全或无：这让它们能够对微小的刺激做出反应
  2. 频率编码：可以根据触觉或气味的感官强度调整反应的程度
  3. 适应性：可以动态调整感官阈值，能对席位的刺激保持敏感，又避免在强烈的刺激下过度兴奋
  4. 抑制性神经元：这让神经元能够进行简单的逻辑运算
    可以遵循“当A发生，做B，不做C”的规则，虽然这样的逻辑并不是神经系统的独创（单细胞生物的化学信号反应早有类似存在），但在多细胞生命演化到更大更复杂时，神经元回路重新演绎这种逻辑使它在更大的尺度上变得可能

这些特性在所有动物中都是普遍存在的，即使是没有大脑的动物（如珊瑚虫和水母）也都具备
这时虽然神经演化出来了，但它们没脑子，只有分布式的神经网执行这最简易的操作，离复杂行为和智力十万八千里
但基建已经铺设好，脑子的出现大势所趋，只是时间问题

最早期的脑子是为什么以及怎样形成的？且听下回分解

Attributions
Oxygen icons created by Freepik - Flaticon
Cell icons created by Freepik - Flaticon
Coral icons created by Freepik - Flaticon
Worm icons created by Mayor Icons - Flaticon
Neuron icons created by Freepik - Flaticon
Brain icons created by Roundicons - Flaticon
Sea worm icons created by Freepik - Flaticon
Biota icons created by orvipixel - Flaticon

Graph View

Backlinks