《大脑》节选（一）：需求解决的神经模型

《大脑》节选（一）：需求解决的神经模型

        《大脑》是我正在写的书，我边写边节选部分重要内容在公众号分享。今天分享的是大脑如何为机体的需求寻找解决方案。下文中需求解决的神经模型，解开了当今生命科学和神经科学的最大的谜团：人类大脑如何工作，以及为什么高级生物需要睡眠。

需求解决的两个层面

      大脑根据经验建立起解决各种需求的因果关联，大量的关联不需要记录在基因中，这样大大节约了基因数量。需求的解决分成两个层面：植物神经层面和意识层面。

      外界温度降低引起体温降低，大脑感知到后，控制皮下血管收缩，减少散热。同时增加肠道和肝脏的代谢，增加产热。环境的温度降低后，大脑做出的这些反应维持了体温的稳定。相反，外界环境温度上升，体温也会升高，大脑感知到后，控制皮下血管舒张和汗腺分泌增加，使散热增加。同时，减少肠道和肝脏代谢，减少产热。体温调节是大脑通过支配各种器官功能的改变，应对环境温度的变化，维持内环境稳定的典型。除了体温调节，血氧浓度的维持，体内电解质浓度和水分的维持，血液中氨基酸浓度的维持，血糖浓度的维持，等等各种内环境的维持全部是大脑控制的。这些需求的解决属于植物神经层面，通过神经反射弧实现。这个层面的需求解决不需要行为参与，我们的意识也不能感知到。

      意识层面的解决需求通过激发动机产生相应的行为来解决需求，如饿了吃饭，口渴喝水，冷了穿衣服。这个层面的需求我们的意识能够感知到，需求的解决必须要行为参与。

        还是以体温调节为例：人体需要维持稳定的体温以利于体内各器官发挥功能，当外界环境温度降低，收缩皮下血管和增加肠道和肝脏的代谢等植物神经层面不能维持正常体温，人的肌肉就开始发抖，通过肌肉的这种反复收缩和舒张，产生额外的热量维持体温。大脑会释放“冷”的惩罚信号给意识层面，我们主观上感受到“冷”，最终促进了穿衣服，开暖气等行为以维持稳定的体温。这属于意识层面的需求解决。所以当环境温度在一定的范围内，虽然植物神经层面已经启动了稳定体温的生理过程，但我们感觉不到冷或热之类的不适。当我们感知到冷或热，说明大脑已经预感到植物神经层面不能维持体温稳定，而需要意识行为来帮助维持体温。感染时，大脑要把体温提高到40摄氏度，虽然当前体温已经到达了39摄氏度，但意识层面仍然觉得非常“冷”，人仍然会蜷缩在被窝里发抖，以继续提升体温。为什么感染时大脑要把体温提高，目前还没有科学的解释。我们感受到的冷或热只是一种促进体温调节行为的动机，并不是体温感觉器官根据环境温度而产生的客观神经信号。

      大脑建立了数以万计的神经反射弧，这些反射弧可以同时工作，相不干扰。这使得植物神经层面能同时解决数万种需求，而且简单、快速、准确、消耗少。与之相反，意识层面解决需求要建立大量的神经连接，达到一定的认知能力后，才能实现。所以意识层面解决需求复杂、相对缓慢、消耗大。最重要的是，意识层面每次只能产生一种行为，不能同时解决很多需求。因此大脑一般优先通过植物神经层面解决需求，当大脑判定植物神经层面解决不了需求时，才上升到意识层面。

      大脑工作的原则2:需求的解决以植物神经层面优先

      当人体缺乏某种营养时，大脑首先会通过增加肠道对这样营养的吸收和减少排出来解决。如果在植物神经层面不能解决，需求就会到达意识层面，让我们主观产生吃某些食物的欲望，而这些食物恰好富含机体所缺的营养。这在“爱上橘子”的实验中体现得淋漓尽致。人类的所有行为都有动机，这些动机全部都来源于需求，这将在“意识和行为”中深入讨论。

       全身所有器官都服从大脑支配

      需求是由大脑所支配的外周器官产生，通过传入大脑的神经（传入神经）把需求传递给大脑。而大脑的一切工作都是围绕需求展开。机体的所有器官的发育都由神经系统控制，这种支配从胚胎就已经开始了。我们只要切断支配器官的那根神经，器官就开始萎缩。比如支配肌肉的神经被切断了，虽然供应营养的血管并没有切断，肌肉仍然会萎缩。无论是器官的发育速度，还是器官的功能强度都是由大脑控制和管理。人体的每个器官和组织都是由很多功能不同的细胞组成，事实上每个细胞的发育和分化都是大脑掌控的。

      目前的生命科学中并没有认识到这点，虽然我个人也没有能拿出基础研究的可靠依据来证实，但从逻辑上，这是必定成立的。因为如果机体的任何一个器官或细胞都是单独运转，不相互配合，也不服从生存繁衍的大局，那么人类不可能生存至今。任何一个器官，任何一个细胞所产生的功能和功能的强度势必会影响到其他的器官和细胞，比如进食时胰腺会分泌胰蛋白酶，但胰腺要分泌多少量的胰蛋白酶却是由机体的蛋白质需求决定。心脏的功能同样如此，肌肉发达经常健身的人，心脏的输出功率也会加强以适应全身耗氧量的增加。免疫系统也如此，比如肠道有些细菌能产生维生素k，这是一种维持正常凝血功能所必需的维生素，如果免疫系统清除了这些细菌，人就会出血而死。因此免疫系统的工作也要服从总体利益。要求身体的每一个器官和每一个细胞都具备如此的大局观显然是不可能的。而把每个器官和组织所必须遵守的大局观，编码到基因中更不可能，毕竟人类只有2.5万个基因。

      大局观只能由一个器官掌控，这就是大脑。大脑协调控制所有的器官共同为机体生存和繁衍服务。人身体里所有的不同功能的细胞都是从一个受精卵分化而来。身体各部位每个功能不同的细胞，都具有相同的基因，但不同功能的细胞所激活和表达的基因是不同的。人类携带有2.5万个基因，这些基因存在多样性，在大多数个体中的基因不可能非常匹配，因为基因都是由父亲的一个精子和母亲的一个卵子随机搭配的。而且大多数人都有数量不同的基因缺陷。但无论这2.5万个基因是多么不匹配和不完美，大多数的人都能顺利的发育成熟，这就必须有一套很强的宏观调控功能。

      好比一辆汽车，如果所有的配件都是随机搭配的，比如一个高功率的引擎和一个低效的刹车系统，这辆车就一定会出问题。要保障随机搭配的汽车部件能协调运转，必须能对这些配件的功能进行改造和调整。人体也会面临这样类似的问题，但我们很少被这样的问题击垮，这就必须归功于人体强大的调控功能。在一辆汽车上，刹车系统调校到最高，还是不能适应目前的强劲动力时，未了安全我们必须调低发动机的功率。

      这样的调控在人体简直是随处可见。肌肉的力量被降低以适应骨关节强度，提高血红蛋白浓度来适应心肺功能不足。这一切归功于人类的大脑，任何的器官脱离了大脑的控制，对机体是非常不利的。大脑必须把所有器官统一起来，才能赢下生存和繁殖的艰苦斗争。

      大脑工作原则3：大脑支配所有的细胞的发育和分化，也能控制所有器官的功能强度。

      外周器官和大脑通过传出神经和传入神经相互联系。大脑的传出神经支配器官的发育和功能，传入神经是器官向大脑传递需求信号的途径。当器官损伤，或器官缺乏营养物质，或器官功能不能正常发挥等情况发生时，器官就会通过传入神经向大脑求助，这种求助信号我称为需求信号。大脑通过传入神经收集各个器官的需求，然后通过植物神经层面和意识层面来解决这些需求。大脑工作都是围绕着需求而展开。

      大脑工作原则1:大脑所有的工作都围绕需求展开

需求解决的神经模型

      需求的解决方案是通过经验建立起来的，这听起来简单，但在大脑中准确地建立起这些神经连接，过程是复杂而精妙的。

      以新生儿建立体温调节为例，新生儿脱离了母亲恒温的羊水，暴露于外环境中，新生儿体温随着环境温度而下降，体温降低激发了器官释放需求，需求信号通过传入神经到达大脑，大脑开始尝试通过植物神经层面来调节体温。这时，“冷—收缩皮下血管和增加内脏产热”，“热—舒张皮下血管、出汗并减少内脏产热”，这些神经反射弧并没有建立。胎儿在子宫内时，因为浸泡在恒温的羊水中，无论收缩皮下血管还是扩张皮下血管，都不会有体温调节的作用，当然出汗也没有任何意义。胎儿娩出后，离开了恒温的羊水，新生儿大脑必须通过经验的积累，建立新的神经反射弧来维持恒定体温。除了体重极低的早产儿，大多数新生儿不论出生的胎龄，都恰好需要1个月的时间来学会体温调节。38周出生的新生儿需要1个月时间学会体温调节。42周出生的新生儿并没有在出生后立刻学会体温调节，而同样需要在生后1个月时间体温调节才成熟。如果体温调节能力是先天的，晚出生的婴儿应该出生就具备体温调节能力，但事实上我们并没有发现这样的新生儿。事实上，人类所有功能的发展都来源于需求，没有某种需求，解决这种需求的功能也不会发展。需求是功能发育的必要条件。人类的认知和智力也是围绕着需求建立起来，自闭症就是儿童早期的需求不足所引起的认知疾病，这会在“自闭症”章节讨论。

      如图1所示，“冷”的需求信号通过传入神经到达大脑，兴奋了中枢神经细胞A；缺氧的需求信号通过传入神经兴奋了中枢神经细胞B；中枢神经细胞C的兴奋通过传出神经达到皮下血管的平滑肌，导致皮下血管收缩，引起体温升高；中枢神经细胞D的兴奋会传递到呼吸中枢，引起呼吸加快。可见A与C，B与D通过神经突触相连就能形成正确的反射弧。但事实上，大脑通过经验确定因果关系的过程并没有我们想象的那么简单。C的兴奋首先发生，收缩了皮下血管后，A的兴奋减弱，C是A减弱的因，A与C通过兴奋性突触相连能形成正确的反射弧。但A的减弱发生时，A作为一个独立的神经细胞并不可能记录下在自己兴奋度降低之前C和D的兴奋情况。从A伸出突触并连接到C的过程是化学和物理层面的，必须是同时发生的。但A和C的兴奋改变并不是同时出现的，而是先后出现，必须有一种机制能让A和C的活动同时出现才能激活突触连接的过程。这个机制就是睡眠。

      睡眠是所有高级生物特有的生理现象，睡眠最早被认为只是用于休息和机体恢复。现在已经很多研究证实睡眠与记忆和学习、情感等认知过程有关。但至今为止睡眠的意义仍然是一个谜。这个谜我在2016年左右已经解开。睡眠的过程其实就是大脑建立因果关系的神经活动过程。高级生物所有的适应环境的生理反应和行为全部必须经历睡眠过程才能建立。

      下面给大家解释大脑在睡眠过程中如何建立正确的突触。还是用图1的例子，图2-14中6个T细胞是按时间顺序依次兴奋的细胞，在觉醒情况下，从T1到T6依次兴奋（图2-7）。在睡眠情况下正好倒过来，从T6兴奋T1依次兴奋（图8-13）。A通过抑制性突触与A1连接，A的兴奋频率的减弱会导致A1的兴奋，B通过抑制性突触与B1，B兴奋频率减弱会导致B1兴奋；C通过兴奋性突触与C1连接，C的兴奋频率增加会导致C1的兴奋，D通过兴奋性突触与D1连接，D兴奋频率增加会导致D1的兴奋。黄色的神经细胞（A1,B1,C1,D1）是用于记录蓝色神经细胞（A,B,C,D）的兴奋程度（频率）变化。同时兴奋的两个神经细胞之间会形成新的突触连接，这是最基本的神经功能。在觉醒阶段（图2-7），首先，D的兴奋频率增加导致D1兴奋（图3），D1兴奋的同时恰好时间细胞T2兴奋，D1和T2形成突触连接。D兴奋使皮下血管收缩，导致之后出现体温升高，B的兴奋频率下降，B1兴奋。BI兴奋的同时恰好时间细胞T3兴奋，B1和T3形成突触连接（图4）。此后，C兴奋频率增加使C1兴奋，C1与同时兴奋的时间细胞T4之间形成突触连接（图5）。C的兴奋频率增加后，呼吸加快，血氧提升，降低了A的兴奋频率，使A1兴奋。A1与同时兴奋的时间细胞T5之间形成突触连接（图6）。睡眠阶段（图8-13），图中所有的神经细胞暂时性切断与周围神经的联系，体温的降低和缺氧不能影响A和B的兴奋，而C和D的兴奋也不会形成皮下血管收缩和呼吸加快。睡眠阶段，时间细胞倒序兴奋，T5兴奋时，通过已经建立的突触，兴奋了A1（图9）。A1的兴奋会维持整个睡眠过程。T4兴奋时，通过已经建立的突触，兴奋了C1。C1兴奋时A1仍然处于兴奋状态，同时兴奋的A1和C1之间形成突触连接，并引导A和C之间产生突触连接（图10）。T3兴奋时，通过已经建立的突触，兴奋了B1（图11）。B1的兴奋会持续整个睡眠过程，而此时T4已经不兴奋，而C1也不兴奋。T2兴奋时，通过已经建立的突触兴奋了D1，此时B1和A1仍然处于兴奋状态，于是建立了A到D，以及B到D的突触连接（图12）。注意，在睡眠过程中，左侧的感知需求的神经细胞一旦激活，就会一直兴奋至睡眠结束；右侧的支配效应神经细胞只会跟随时间细胞激活或失活。

    通过觉醒和睡眠这一奇妙的过程，大脑把时间发生在前的信息当作是“因”，而时间发生在后的信息认为是“果”。如图14所示，一次通过一次觉醒和睡眠，建立了A-C和B-D的正确连接，这些连接将在再次觉醒时用于植物神经层面的需求解决。但这次睡眠也建立了A-D的错误连接，因为A的减弱确实发生在D的兴奋之后。通过反复多次的觉醒和睡眠，巧合引起的错误突触连接会被清除。这就是为什么体温调节等功能的建立需要1个月的时间。我们已经知道在快速动眼睡眠（REM）期间人会暂时性失去体温调节功能，这就证实了在睡眠的某些阶段，大脑确实切断了中枢神经和外周神经的联系，把中枢神经关起门来研究因果关系。在快速动眼睡眠阶段，除了时体温调节，各种植物神经层面的调节都会暂时失去功能。在此阶段，血氧浓度降低也不能兴奋呼吸中枢，呼吸频率是固定的，不受血氧浓度的影响。血氧的降低只会使我们从梦中醒来，或用手推开捂在脸上的被子。但如果睡眠中缺氧发生在3个月龄内的婴儿，缺氧不能兴奋呼吸中枢，也不能转动头部，就容易导致猝死。  

      以上模型是大脑建立神经反射弧的机制，属于植物神经层面的需求解决。意识层面的需求解决的过程中，从某种需求到具体动机的神经突触连接也是通过类似的机制，也需要睡眠参与。在动机产生后，意识层面围绕动机，进行思考和策划，这个过程是自主和自由的。意识的思维过程可以根据知识和逻辑，并非受限于经验。人类的动机产生，是完全基于经验的。

      需求解决的神经模型解释了睡眠的真正意义，也揭示了植物神经层面无数的神经反射弧如何通过经验后天建立，而不需要记录在基因中。人类的只有2.5万个基因，比水稻的基因数量都少一半。如此少的基因却让人类呈现出如此复杂的各种生理和行为功能，这都离不开大脑解决需求的伟大过程。

需求的加工提炼

      需求解决的神经模型中，每一种需求传递到达中枢神经系统最后只兴奋一个神经细胞。人类的神经系统通过化学信号和电信号传递信息。人类神经系统传递信息的化学递质的种类比一些简单的单细胞生物要少得多。比如人体的某块肌肉，无论是缺氧还是缺乏蛋白质，或者是被冻伤，这块肌肉通过传入神经向大脑释放的信号都是一样的。大脑必须加工和提炼这些原始的需求信号。

      假设全身有10个器官，有10条传入神经，分别是F1-F10。氧浓度的降低时，所有的器官都会因缺氧而释放需求信号，F1-F10都兴奋了。呼吸频率加快后，F1-F10兴奋频率同时降低。F1-10在都通过突触与神经细胞T3相连，最后F1-F10形成突触共同连接到D。外界温度降低时，皮肤和肌肉发出需求信号，F1和F2产生兴奋，皮下血管收缩后，F1和F2同时减弱，FI和F2与时间细胞T5相连，最后F1和F2形成突触连接到C。反射弧建立以后，F1-F10同时兴奋时，D兴奋引起呼吸加快。F1和F2兴奋并伴随F3-10不兴奋时，C兴奋导致皮下血管收缩。

      传入神经到数量是巨大的，虽然携带的需求信号是相同的，但不同原因导致的需求信号的分布是有特征的。大脑在解决需求的过程中，并不用去定义某种需求，也能完美地解决。好比我们体内缺乏维生素C，大脑会产生让我们吃橘子的动机，因为大脑根据经验认为吃橘子可以解决当前的需求。在这个过程中，大脑根本不需要知道维生素C是什么。大脑利用这些巧妙的电生理过程，借助极少的神经递质，管理自己的机体，并探索世界。这个过程简直是精美绝伦，完美无缺。

      大脑工作机制的解开，是通过对自闭症的观察和思考，自闭症孩子不同寻常的行为特质确实向我打开了一扇窗。而这个假说提出的第一批受益者恰好也是自闭症孩子。我没有在自闭症孩子治疗的过程中设置对照组，因为我已经肯定低蛋白质饮食可以最大程度地让自闭症孩子恢复，设置对照并不道德。但向学术界证实低蛋白饮食的明确疗效才能最大程度和最快速度地推广这个几乎没有成本的方法，这也是我个人不可推卸的责任。不设对照怎么证实呢？其实并不难。世界已经公认的生育过自闭症孩子的父母再次生育自闭症孩子的概率是20%，现在15个高危二孩参与我的研究。如果这15个孩子在2岁都排除了自闭症，统计学上就有显著性了（0.8的15次方低于0.05）。这些孩子甚至已经有了症状才加进来，同样取得症状的改善和认知提高。2年后，没有什么可以阻挡我的观点和方法了。我在这里感谢那些勇敢参与研究的家长。高危二孩用营养缺乏的方法抚养，如果最后结局还是自闭症，又合并营养不良，按中国目前的医患关系，我是自讨苦吃。我不是傻子，没有绝对信心不会做这件事 。