深度学习脑结构和脑工作原理最详细图解

这个帖子很好地提醒了我，为什么我愿意跟如此美丽可爱的大脑一起工作。

因为真正的大脑非常不可爱，长得也难看。

但是，过去一个月，我一直生活在充斥着红色血管的 Google 图像的地狱里，所以现在你也得忍着点儿。

我们从外往里看吧。生物学有时似乎非常让人满意，比如你的头上有一个真正的俄罗斯套娃。

你有头发，然后是头皮，你认为下面就是你的头骨了——但实际上头骨之上还有19样东西。

你的头骨下面，又是一大堆东西，之后才是你的大脑：

在你的头骨下面，大脑周围有三个膜，将大脑环绕：

在外面，有硬脑膜，坚固耐用，防水。硬脑膜与颅骨齐平。我听到有人说，大脑中没有疼痛感觉区，但硬脑膜实际上能感觉疼痛，且和你的面部肌肤一样敏感，硬膜上的压力或挫伤往往造成了人们严重的头痛。

然后下面是蛛网膜，这是一层皮肤，然后是带有弹性的纤维的开放空间。我一直以为我的大脑只是漫无目的地漂在我大脑中的某种液体里，但实际上，脑外和颅骨内壁之间的唯一真正的空间差距是这个蛛网膜。这些纤维稳定了大脑的位置，因此不能动作太大，他们充当减震器，当你的头撞到东西。这个区域充满了脊髓液。

最后，是软脑膜，和脑外融合的很精巧的皮肤层。你知道，当你看到一个大脑，它总是覆盖着恶心的血管。但这些并不是真正在大脑的表面上，它们埋设在里面。

下面是完整的样子，使用的样品可能是猪的大脑：

从左到右是皮肤（粉红色），然后是两个头皮层，然后是头骨，然后是硬脑膜，蛛网膜，最右边是只由软脑膜覆盖的大脑。

一旦我们把其他部分都剥离下来，我们留下了这个傻孩子：

这个荒谬的东西是宇宙中最复杂的已知物体，重约三磅，神经工程师蒂姆·汉森（Tim Hanson）称之为“最具信息密度、结构化、自组织化的物质之一”。所有这一切只有20瓦的功率（类似计算机的功率为2400万瓦特）。

这也是麻省理工学院教授Polina Anikeeva 所说的“你可以用勺子舀出的软布丁”。大脑外科医生Ben Rapoport将它更科学地描述为“布丁和果冻之间的某种形态”。他解释说，如果你将大脑放在桌子上，重力会使它失去形状，变得很平坦，像一个水母。

但这就是我们。你看着镜子，看看你的身体和你的脸，你认为这是你——但这只是你的机器。你实际上是一个贪玩的果冻。我希望你不介意。

Krishna Shenoy 教授将我们对大脑的认识与十五世纪初的世界地图做比较。另一位教授Jeff Lichtman 甚至更加苛刻。他在课程开始问他的学生：“如果你需要知道的关于大脑的一切是一英里，我们走了几英里？”他说，学生们给出了四分之三英里、二分之一英里或是四分之一英里的答案，但他认为真正的答案是“大约三英寸”。

第三个教授，神经科学家Moran Cerf ，跟我分享了一个神经科学中由来已久的说法，指出试图理解大脑有点 22 条军规的感觉：“如果人类的大脑这么简单，能够让我们理解，那我们将会因为如此简单，而不能理解大脑。”

也许，在我们正在建设的伟大的知识塔的帮助下，我们可以在某个时候理解大脑。现在，让我们看看我们对头脑里面的这只水母目前有哪些了解。

大脑，缩小看看

让我们使用半球横截面看看大脑的主要部分。因此，这是你脑袋里大脑的样子：

现在，让我们把大脑取出来，并删除左半球，这让我们能看清楚内部。

神经学家 Paul MacLean 做了一个简单的示意图，说明我们前面谈到的爬行动物大脑在进化中的第一次出现，然后是在哺乳动物兴盛阶段形成的古生哺乳动物脑和新哺乳动物脑。

也可以这么表示

让我们来看看每个部分：

脑干及小脑（The Brain Stem and Cerebellum)

这是我们的大脑最古老的部分：

我们的大脑横截面中青蛙大脑的残留。事实上，青蛙的整个大脑与我们大脑的低水平部分相似。

当你了解这些部分的功能，它们很古老这件事就说得通了：一切这些部分能做的事情，青蛙和蜥蜴都可以做。以下是主要部分：

延髓（The medulla oblongata）

延髓真的只是让你不会死。它控制非自主的事情，比如你的心脏速率、呼吸和血压。当它认为你中毒了，就会让你呕吐。

脑桥（The pons）

脑桥的工作是，做点这个，做点那个。它涉及吞咽，膀胱控制，面部表情，咀嚼，唾液，眼泪等等。

中脑（The midbrain）

中脑与视觉，听觉，动作控制，警觉性，体温控制有关，还有一堆其他的事情。大脑被分为了前脑、中脑和后脑。

有一件我要感谢脑桥和中脑的事是，它控制你的眼球自主运动，如果现在你在转眼球，就是你的脑桥和中脑在搞事情。

小脑（The cerebellum）

这个看起来像你大脑阴囊的东西是你的小脑，它使人保持平衡、协调和正常移动。

边缘系统（The limbic System）

大脑的边缘系统在脑干上，就是它让人类如此疯狂。

边缘系统是一种生存系统。如果你在做你的狗也会做的事情，比如吃，喝，交配，战斗，躲避等等，可能就是你的大脑边缘系统在驾驭你。无论你喜欢与否，你做的那些事情，就是处在原始的生存模式。

边缘系统也是你的情感所在，最终，情绪也都是为了生存——情感是更高级的生存机制，对于处在一个复杂的社会结构中的动物是必须的。每当你发生思想斗争时，你的边缘系统很可能会让你做出你会后悔的事情。

我敢肯定，控制你的大脑边缘系统，既意味着成熟，也是一种人性的挣扎。这并不是说没有边缘系统，我们会过得更好。边缘系统在让我们人类如此独特中起到了一半的作用。生活的大部分乐趣来源于你的情绪和需要得到满足。只是你的边缘系统不知道你活在社会文明中，如果你让它做主太多，它很快就会毁了你的生活。

无论如何，让我们再仔细看看。边缘系统有很多小部分。

杏仁核（The amygdala）

杏仁核有点儿像是大脑结构的情感遗骸。它涉及焦虑，悲伤，以及我们的恐惧反应。有两个杏仁核，奇怪的是，左边的已被证明更平衡，有时会产生一些幸福的感觉，而右边的永远心情不好。

海马体（The hippocampus）

你的海马体就像记忆的一块板子。当老鼠开始记忆迷宫的方向，记忆在海马体上编码。大鼠的两个海马体的不同部分将在迷宫的不同部分起作用，因为迷宫的每个部分被存储在自己的海马体部分。但是，如果学习一个迷宫后，大鼠被给予其他任务，一年后，被带回原来的迷宫，就会很难回忆起它，因为海马体记忆板上的大多记忆已经被抹去，释放给新的记忆。

丘脑（The thalamus）

在大脑的中心位置，丘脑也作为中间人，从你的感官接收信息，并将其发送到你的皮质处理感官。当你睡觉时，丘脑也一起上床，这意味着感官中间人下班了。这就是为什么在沉睡中，一些声音或轻轻的触摸往往不会让你起来。如果你想唤醒深度睡眠的某人，你必须展示出足够的侵略性来唤醒他们的丘脑。

唯一的例外是你的嗅觉，这是绕过丘脑的一个感觉。这就是为什么嗅盐可以用来唤醒一个晕倒的人。不像其他的感官，嗅觉位于边缘系统，这就是为什么气味和记忆与情感如此紧密地联系在一起。

皮层（Cortex）

最后，我们到达了大脑皮层。

大脑皮层（本文主要指新皮层，文中统称皮层）基本上负责所有事情：看，听，触觉，语言，动作，思维，规划和个性。

它分为四叶（lobe）：

它们每个都做了很多事情，且有很多重叠：

额叶（Front lobe）处理个性，以及我们认为的许多“思考”——推理、规划和执行能力。特别是，您的许多想法发生在额叶的前部，称为前额叶皮质。额叶负责你的身体运动。额叶的顶部条是您的主要运动皮质。

在其它功能中， 顶叶控制你的触觉，特别是在初级躯体感觉皮层。

运动和躯体感觉皮层紧挨着对方，它们很有趣，因为它们已经被良好的映射出来了。神经科学家确切地知道每个部分连接到你身体的哪一个部分。于是就有了下面这张令人毛骨悚然图：侏儒。

由先锋神经外科医生怀尔德·彭菲尔德创建的侏儒，在视觉上显示运动和躯体皮层如何被映射。

如果你把皮层从大脑中剥下来，你会得到一张2mm厚，2,000-2,400cm2 大小（48cm x 48cm square）的餐巾纸。

这块餐巾是大脑发生大部分动作的地方，这就是为什么你可以思考，移动，感觉，看，听，记，说话和理解语言。真是有史以来最好的餐巾纸。

还记得我之前说你是一个果冻吗？你现在知道，感谢你的皮层，你实际上是一块餐巾纸。

当我们将另一个大脑放在我们剥离的皮层上时，可以看出皮层折叠的神奇效果。

大脑，放大看看

即使我们知道大脑很久以前就坐在智慧的宝座之上，直到最近，科学才发现大脑是由什么构成的。科学家们知道身体是由细胞制成的，但是在19世纪末期，意大利医生Camillo Golgi 才想出如何使用染色方法来看到什么是脑细胞。结果令人惊讶：

这不是一个细胞本来的样子。Golgi 发现了神经元。

科学家们很快想通了，神经元是组成大脑和几乎所有动物的神经系统的核心单元。

有很多不同类型的神经元。

我们来讨论一下简单且被人说滥了的神经元锥体细胞，你会在你的运动皮层发现这么个家伙：

然后如果我们给他一些额外的腿，一些头发，把他的胳膊拿掉，再把它抻长，我们就得到了一个神经元。

现在再添加几个神经元

因此，这些家伙的躯干——神经元的轴突都具有一个负“静息电位”，这意味着当它处于静止状态，它的电荷是轻微的负。在任何时候，一堆人的脚和这些家伙的头发——神经元的树突——保持接触。他们的脚把化学物质——神经递质——传到他的头发。

神经网络

大脑材料可分为叫做 灰质 和 白质两类。灰质看起来颜色较深，且由大脑神经元的体细胞及其轴突和树突组成。白质是白色的，因为这些轴突通常包裹在髓鞘中，呈脂肪白。白质之间的大块主要由皮层神经元的轴突组成。大脑皮层是像一个伟大的指挥中心。

我见过的反映这一概念最酷的插图，由Dr. Greg A.Dunn and Dr. Brian Edwards.完成，让我们看看灰质皮质的外层和它下面的白质结构之间的显著差异：

这些皮层轴突可能将信息带到了大脑下部皮层的另一部分，或通过脊髓经神经系统的高速公路到了躯体的其余部分

让我们来看看整个神经系统：

神经系统分为两个部分：中枢神经系统–你的脑和脊髓，和外周神经系统——由从脊髓向外辐射到身体其他部分的神经元构成。

大多数类型的神经元是与其他神经元沟通的interneurons。

其他两个种类的神经元是 感觉神经元和运动神经元 –它们顺着你的脊髓而下，组成了外周神经系统。这些神经元可长达一米。以下是每种类型的一个典型结构：

当然，还有神经可塑性的事情。每个神经元的电压是不断变化的，多达每秒数百次，同时数以千万计的突触连接会在我们的立方体内更改大小、消失、重新出现。

如果只是这样就好了。

原来大脑中还有被称为神经胶质细胞的其他细胞，有许多不同的品种，具有多种功能，如清扫释放到突触的化学物质、在髓鞘包装轴突、作为大脑的免疫系统等等。下面是一些常见的神经胶质细胞：

有多少神经胶质细胞在大脑皮层？和神经元数量相同。

最后，还有血管。在每立方毫米的皮质，共有一米的毛细血管。这样大小的空间内，血管是什么样子？