Nature子刊：人类为何这么聪明？因为人类大脑更擅长协同信息处理

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Nature子刊：人类为何这么聪明？因为人类大脑更擅长协同信息处理- R* z: p$ V& M" Q
来源：Brainology 2022-06-08 09:40- @! w+ U8 W( d
在进化过程中，人类大脑发生了扩张，而这种扩张主要用于增强大脑的协同信息处理能力。由此推测，更大的协同优势可能在一定程度上解释了人类卓越的认知能力！
9 ]) W( y  _, r" K4 X人类作为万物之灵，在认知领域是无与伦比的，超强的认知能力（cognitive ability）让人类脱离了动物的范畴，认识自然、改造自然，人类才能屹立于食物链的顶端，建立起伟大的文明。
4 J- c  Z$ w5 d5 O" n1 F0 P+ x认知能力是指人脑加工、存储和提取信息的能力，知觉、记忆、思维和想象的能力都被认为是认知能力的一部分。然而，对于人脑是如何加工处理信息而认知事物这个问题，一直没有明确的答案。$ |+ l) g4 y! \7 a2 v. i
英国剑桥大学的研究人员在神经科学领域顶级期刊 Nature Neuroscience 上发表了题为：A synergistic core for human brain evolution and cognition 的研究论文。
  V% I7 c) x+ ~该研究使用了来自不同物种和多个神经科学学科的证据，表明大脑中不只有一种信息处理类型。人类和其他灵长类动物处理信息的方式也不同，这也许可以解释为什么我们人类的认知能力如此卓越。
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9 K0 x: J; \4 `; x“冗余”信息处理, h8 S" g1 F: N) r7 ]1 V3 j
目前的理论模型将大脑描述为一个“分布式信息处理系统”。这意味着它有不同的组成部分，它们通过大脑的线路紧密地连接在一起。为了相互作用，区域通过输入和输出信号系统交换信息。然而，这只是更复杂的图景中的一小部分。( D! J, V, \! x
在这项最新的脑科学研究中，研究团队从信息理论的数学框架中借用了一些概念来跟踪大脑处理信息的方式。研究人员发现，不同的大脑区域实际上使用不同的策略来相互作用。
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9 e6 r& G' s! S; G3 H, K! x, R4 @6 ^协同网络和冗余网络表现出不同的解剖学和认知特征) q7 w. b: ^8 ?$ ]7 p
一些大脑区域以一种非常刻板的方式与其他区域交换信息，这确保了信号以可复制和可靠的方式传播。这种情况适用于专门负责感觉和运动功能（如处理声音、视觉和运动信息）的大脑区域。7 {5 X+ c: C- f" j0 J3 Q1 d' `( i" w, D
以眼睛为例，它将信号发送到大脑后部进行处理，而发送的大部分信息都是重复的，由每只眼睛提供。换句话说，这些信息至少有一半是不必要的，所以研究人员把这种输入-输出信息处理称为“冗余”。$ V& g4 W3 \- H% d+ N3 J/ G
事实上，这种“冗余”对个体生存是有利的，例如一只眼睛不幸瞎掉后，我们仍然可以用一只眼睛看。也正由于这种能力对生存至关重要，以至于这些大脑区域之间的连接在大脑中是解剖学上固定的，就像电话座机。
5 k9 i( `9 S4 W' w3 f5 [; K“协同”信息处理( p4 k# j0 {7 k! k3 U
但值得注意的是，并不是所有由眼睛提供的信息都是多余的——结合来自两只眼睛的信息最终使大脑能够辨别物体之间的深度和距离，这也是我们观看3D电影的基础。这表明，除了“冗余”之外，大脑还存在一种完全不同的信息处理方式，可以将来自不同大脑网络的复杂信号整合到一起。研究人员称之为“协同”信息处理。) A9 C- h2 d6 W
协同处理在支持广泛的、更复杂的认知功能的大脑区域中最普遍，如注意力、学习、工作记忆、社会和数字认知。它不是固定的，因为它可以根据我们的经历而改变，以不同的方式连接不同的网络。
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6 N4 j% K* _" Z5 C1 |协同主导和冗余主导区域的不同的细胞结构和静息状态网络轮廓0 P2 C! Q- r0 z1 d) F4 N+ N
这些协同作用发生的区域主要在大脑皮层的前部和中部（大脑的外层），整合了来自整个大脑的不同信息来源。因此，与处理主要感觉和运动相关信息的区域相比，它们与大脑其他部分的连接更广泛、更有效，而支持信息整合的高协同区域通常也有很多突触，这些微小的连接使神经细胞能够相互交流。0 }* S  }7 [8 ?
是协同作用让我们与众不同吗？% f# H/ }5 M( z" |, F& u
基于此，研究人员提出了一个疑问：这种通过大脑复杂网络积累和构建信息的能力，在人类和其他灵长类动物之间是否有所不同？是不是赋予人类卓越认知能力的基石？$ [( R% f* S7 R6 B: _
为了找到答案，研究团队对不同物种进行了大脑成像和基因分析。他们发现，协同作用在人类大脑中占总信息流的比例高于猕猴大脑。相比之下，两种物种的大脑对冗余信息的依赖程度是相同的。
- w- G" L) t6 Y3 w" m不仅如此，研究人员还专门研究了前额皮质，这是大脑前部的一个区域，支持更高级的认知功能。在猕猴中，冗余信息处理在这一区域更为普遍，而在人类中，这是一个协同信息处理的重要区域。& L& G: O7 G& f7 s! r
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人类大脑的进化有利于高协同作用% H5 z* i% E. ^
随着进化，动物的前额叶皮层也经历了显著的扩张。当研究人员检查黑猩猩大脑的数据时，他们发现在进化过程中，人类大脑的一个区域相对于黑猩猩的对应区域的大小扩张得越多，这个区域就越依赖协同作用。6 i! C1 A; W5 \0 D/ Y( V6 [
此外，研究团队还研究了人类捐赠者的基因分析。结果表明，与协同信息处理相关的大脑区域更有可能表达人类特有的、与大脑发育和功能（如智力）相关的基因。
. i4 Q2 y( T' r0 a9 ~结语& R1 L# ^) @" o2 z: l
总而言之，这项研究将不同大脑区域之间的信息处理方式划分为“冗余”和“协同”。结合不同物种的大脑成像和基因分析数据，研究人员推断，协同信息处理对认知能力至关重要——与非人灵长类动物相比，人类大脑利用协同信息的程度更高。. {/ I: Z; l9 o
换而言之，在进化过程中，人类大脑发生了扩张，而这种扩张主要用于增强大脑的协同信息处理能力。由此推测，更大的协同优势可能在一定程度上解释了人类卓越的认知能力！更重要的是，协同作用可能会为人类大脑进化之谜增添一块重要的、之前缺失的拼图，并为广泛的神经科学问题提供关键的新见解，从一般认知到障碍。8 I3 S7 H" a( b

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