人类大脑，为什么比动物大脑更聪明？

本文来自微信公众号：原理（ID：principia1687），作者：糖兽，原文标题：《我们为什么更聪明？》，题图来自：《超体》

大脑是如何处理信息的？  

在这个星球上，人类在认知方面有着无与伦比的卓越性。毕竟除了人类之外，地球上还没有别的物种能向其他星球发射探测器，制造挽救生命的疫苗，创作流芳百世的诗歌……

要使这一切成为可能，脑对信息的处理是关键所在。而一个让许多科学家着迷，却至今仍没有明确答案的问题是：人类的大脑究竟是如何处理信息的？

多年来，我们对大脑功能的理解一直在变化。目前，理论神经科学和认知神经科学将大脑描述为一个“分布式”的信息处理系统，这意味着它将大脑视为是由不同组成部分构成的结构，其中不同的部分会通过大脑的接线紧密连接在一起。

不同的区域之间为了能够彼此交互，会通过“输入”和“输出”信号系统来交换信息。然而，这种“输入-输出”的信息处理实则只是冰山一角，信息并非都是一样的，可识别的从根本上就不同的信息种类就有好几种，每一种都有其特定的优势。因此，要正确地理解信息处理体系结构，就有必要先了解正在处理的信息是什么类型。

最近，一项发表在《自然·神经科学》杂志上的研究发现，人类大脑中存在的信息处理类型不止一种。他们还意识到，人类与其他灵长类动物处理信息的方式的不同之处，或许可以解释人类的认知能力为何如此不同。

冗余信息 vs 协同信息  

正如前文所提到的那样，有些大脑区域所采用的信息交换方式是“输入-输出”型，这种方式虽然“死板”，但却可以确保信号以一种可复制的、可靠的方式传播。那些专门负责感觉和运动功能（如处理声音、视觉和运动信息）的区域就是如此。

以人类了解世界的主要信息源——双眼——为例。我们的眼睛会将信号发送到脑的后部进行处理，每只眼睛都会提供一些另一只眼睛看不到的视野边缘的信息，这是每只眼睛的“独有信息”。然而当我们闭上其中一只眼睛时，仍有一些信息能够被保留，这部分信息被称为“冗余”信息（或“共享”信息），它们由多个信息源共同提供。举例来说，与颜色有关的信息在很大程度上就是冗余的。

我们前面所提到的“输入-输出”信息处理方式就是“冗余”的。冗余为系统提供了稳健性和可靠性，它的存在使得我们可以在闭上一只眼睛时仍能看见事物，因为大部分相同的信息可以从另一只眼睛得到，这种能力对生存至关重要。

不过，并不是所有由眼睛提供的信息都是冗余的，闭上一只眼睛会剥夺我们获取与深度有关的立体信息，这些信息不是简单地仅来自其中某一只眼睛，而是需要两只眼睛一起运作，通过结合来自两只眼睛的信息，大脑才能最终处理物体之间的深度和距离，从而感知第三维度。这被称为两个来源之间的“协同”信息（或“互补”信息）。这是一种完全不同的处理信息的方式，它将来自不同大脑网络的复杂信号整合在一起，通过这种整合获得额外的优势。

信息类型的平衡  

如此来看，不同的信息源除了能提供各自的独有信息之外，也可以提供冗余信息（可从任何一个信息源获得的信息）或协同信息（只有通过结合两个信息源才可获得的信息）。

协同和冗余是基本概念，适用于任何被编码的特定内容。它们本质上是不同种类的信息编码，而任何一个信息处理系统，包括人脑在内，都需要在这些不同种类的信息和它们所提供的特定优势之间取得平衡。因此，了解人类大脑如何在这些不同类型的信息之间进行权衡，可以为了解其信息处理架构提供更加基本的洞见。

那么，大脑在多大程度上依赖于对协同信息和冗余信息进行处理？在不同的神经系统和认知领域中，这些不同类型的信息的参与又有多大程度的差异呢？

一直以来，传统的人脑“功能连接”方法并不能充分地捕捉协同信息和冗余信息，只能简单地量化区域活动之间的相似性，也不能专注于捕捉信息从一个区域传递到另一个区域的方向。因此对于这些问题，科学家一直没有清晰的答案。

在新的研究中，研究人员通过提供一个“信息解析”框架，分解了大脑信号内部的固有信息流，从而向神经科学中的这些基本问题发起了挑战。通过结合功能和结构神经成像与整合分析结果，研究人员证明了冗余交互主要与结构耦合、模块化感觉运动处理相关；而协同交互则支持跨高阶大脑网络的整合过程和复杂认知。

具体说来，协同处理在支持广泛的更复杂的认知功能（如注意力、学习、工作记忆、社会和数字认知等）的大脑区域中最为普遍，它不是固定的，可以随着我们的经历而改变，以不同的方式连接不同的网络。这些协同作用发生的区域（主要在大脑皮层的前部和中部，即大脑外层）整合了来自整个大脑的不同信息来源。因此，与处理第一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为广泛、有效。

因为“协同”，所以不同？  

那么，我们在认知能力上的与众不同是协同交互造就的吗？

为了寻找答案，研究人员研究了不同物种的大脑成像数据和基因分析。他们发现，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。比如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，但这两种物种的大脑对冗余信息的依赖程度是相同的。此外，研究人员在观察黑猩猩的大脑数据时发现，与黑猩猩相比，在人脑中，一个区域的大小在进化过程中扩大得更多，对协同作用的依赖程度也更甚。

不仅如此，他们还研究了人类捐赠者的基因分析，发现与处理协同信息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（如智能）相关的基因。

通过这些发现，研究人员得出结论认为，由进化导致的额外人类脑组织可能主要致力于协同作用。反过来，人们很容易推测，更大的协同优势可能在一定程度上解释了人类物种所具有的额外的认知能力。协同作用或许可以为人类大脑进化之谜增添一块重要的、在此前一直缺失的额外的拼图。

这项新的研究揭示了人类大脑如何在信息的可靠性和整合性之间进行权衡——这是两个我们都需要的能力。重要的是，新发展的框架有望对广泛的神经科学问题提供至关重要的新见解。

#参考来源：

https://theconversation.com/what-is-it-about-the-human-brain-that-makes-us-smarter-than-other-animals-new-research-gives-intriguing-answer-183848

https://www.nature.com/articles/s41593-022-01070-0

本文来自微信公众号：原理（ID：principia1687），作者：糖兽