支撑学习的三层大脑结构

人脑可能是宇宙中最复杂的物体，其内部复杂结构的终极目标就是让人具备更强大的学习能力，从而更好地适应环境甚至改变环境。

我们通过围海造田的方式创造土地，将原本无法利用的海洋或湖泊变成可耕种的土地，扩大了农耕的范围。通过人工种植和绿化措施，我们甚至能够将沙漠转化为绿洲，使荒凉的地区恢复生机。通过拦截河流并建设灌溉系统，我们创造了用于农业和人类生活的水源。我们还发展出人工降雨技术，以应对旱灾或干旱地区的需要。

如今，全世界正在共同努力控制碳排放，以减缓地球变暖。我们已经认识到，人类的活动对地球的气候产生了巨大影响，因此我们在采取行动，减少温室气体排放，以期改变地球的气温，并保护我们的生存环境。

这些改变环境的能力，在过去，只有传说中的神才拥有。但所有这些令人叹为观止的能力，我们都通过学习获得了。

人类通过观察自然、积累知识，以及不断探索和创新，逐渐发展出这些技术和方法。我们的学习能力使得我们能够不断进步，让我们成为地球上最有智慧和创造力的物种之一。

那么，人脑的结构是如何支持学习功能的呢？

虽然大脑看上去就像是一团藏在头盖骨里的果冻状物质，但它是管理身体感觉、运动及实现高级脑功能的高级神经中枢。如图1-2所示，大脑通过脑干与脊髓的顶端相连。脊髓里的神经束穿过脖子，连接到身体最远的末端。这些神经存在于每块肌肉、每个身体器官和每个关节中。因此，大脑可以通过神经元细胞迅速地作用于身体的各个部位。

直观地看，大脑受到了层层的保护。就人脑来说，它被23块厚重的颅骨包围。颅骨之下，还有液体可以缓冲物理冲击。大脑的活动离不开大量血液循环的支撑，这些血液必须通过一个叫作“血脑屏障”的过滤器，才能从身体到达大脑。这是为了防止有害的化学物质或生物活性物质污染大脑的内部环境。

地球上的生命形式，从病毒到细菌，再到植物、动物，只有最后一种生命形式能“活动”。为了应对环境中瞬息万变的情况，大脑是必不可少的。因为大脑能根据瞬息万变的环境做出选择，这些选择关乎生物的福祉，更关乎生物的生死。

大脑在生命的最开端就是今天这个样子吗？当然不是。大脑的结构是在演化的过程中逐步形成的，而且还颇具规律。

科学家估计，在过去的4000万年里有不下17个冰河时期。从格陵兰岛钻取的冰芯显示，地球气候在极端炎热和极端严寒之间交替往复。气候的不稳定导致了大多数生物的灭绝，新的物种这才有机会填补越来越多物种灭绝造成的真空。大约2500万年前，猿类才从猴子中分化出来。到了1000万年前，非洲北部和东部的热带地区变成干燥、尘土飞扬的平原。800万到600万年前，猿类依次分化出猩猩、大猩猩、倭黑猩猩。树木枯萎凋零，一部分人类的祖先不得不从树上下来，在地面上艰难地讨生活，最后诞生了现代智人。我们与倭黑猩猩在基因上的相似度高达96%，但直立行走和更高的脑化指数，是我们区别于其他类人猿的重要特征。

整个大脑的结构，就是生物演化的过程中逐层累加的结果。

演化生物学已经证实，人类的大脑是经过漫长的演化过程才变成现在这个样子的。更让人感到方便的是，我们可以通过观察大脑的结构，清楚地看到演化的痕迹。大脑的进化是随着地球和生存环境的变化而变化的，而新产生的部分是在已有基础上追加的。最古老和最简单的神经系统就像是沿着地球生命早期的小蠕虫背部延伸的一串神经元。这些神经元其实就是我们脊髓的前身，它们使得蠕虫能够做一些简单的运动，有趣的是，这些神经元现在同样也负责着我们人体的很多基本运动。

在动物演化的过程中，神经元首先出现在蠕虫身体的一端。随着时间的推移，这些神经元逐渐演化出更复杂的结构，逐渐掌管了动物的基本功能，比如消化和呼吸。随着演化的继续，大脑在已有神经元的基础上不断进行扩展，并逐渐形成了高度复杂的结构。大脑的演化并不是一次性替代，而是通过在旧有的部分上演化出新的结构，逐步增加了操纵复杂行为的能力。这种逐步演化的过程使得大脑能够更好地适应环境变化，并为动物提供了思考、学习和适应的能力。这种通过追加新的部分来实现增长的方式，对于大多数复杂动物的大脑来说都是适用的。[5]

可以说，我们的大脑就像是一项持续改造的工程，不断添加新功能，提升我们的行为能力。就像是一位天才设计师在现有的建筑上增加新楼层，使得整体更加宏伟壮观。这种逐渐增长的演化过程，塑造了我们独特而精彩的大脑，让我们能够思考、创造和适应不断变化的世界。

科学家对大脑进行区域划分的研究为我们提供了深入了解大脑结构的宝贵线索。如图1-3所示，大多数脑科学家都喜欢把大脑的结构划分为三个主要部分：最古老的爬行脑（原始脑），中间的哺乳脑（情绪脑），以及最新进化的新皮质（理智脑）。

最内侧的部分就是演化历史中最古老的部分，被称为爬行脑。这一部分包含了脑干和小脑，负责一些基本的生理功能和运动控制。它相当于大脑的“老大哥”，管理着我们基本的生存需求，比如呼吸、心跳和平衡等。尽管爬行脑在进化历程中最早出现，但它仍然扮演着不可或缺的角色，保障着我们身体的正常运作。

夹在中间的一层是哺乳脑，也被称为情绪脑。这一部分位于爬行脑的上方，包括边缘系统、扁桃体和海马等结构。哺乳脑是哺乳动物的特征之一，它掌管着情绪、记忆和社会交互等重要功能。它让我们能够感受到喜怒哀乐，处理情绪和社交关系，是我们人类表达和体验情感世界的关键。

最外侧是最新进化的部分，所以被称为新皮质，也称为理智脑。这是大脑最外层的一层灰质组织。新皮质是人类大脑独有的结构，赋予了我们高级认知功能，如思维、学习、决策和语言。它包含了各种功能区域，例如额叶、顶叶等，让我们能够进行复杂的推理、创造和计划。新皮质的发展是人类进化的巅峰之作，让我们与其他物种相比拥有了独特的智慧和能力。

通过对大脑的这种三层结构划分，我们能够更好地理解人类的行为和思维方式。尽管每个部分都有自己的功能，但它们密切合作，构成了一个复杂而协调的整体。这种结构是生命演化的奇妙成果，使人类成为地球上最具智慧和多样化的物种。人类作为地球上最多样化的物种，体现在生理、文化、思维和社会结构等多个方面。这种多样性使得人类能够适应不同的环境和条件，并创造出丰富多样的文化和社会形态。

爬行脑：要么快，要么死

爬行脑是最早演化出来的脑区，它的主要功能除了维持我们的呼吸等最关键的生存需求，更固化了“要么快，要么死”的本能反应。

这一层大脑区域的形成是第一阶段的演化，发生在距今3.6亿年到2.5亿年之间。从图1-3我们可以看到，这部分脑区位于整个大脑最里侧的核心部位，因为它们是最先演化出来的大脑结构，因此也常被称为原始脑。科学家之所以也喜欢称它为“爬行脑”，是因为爬行动物在演化出来的时候就具备了这部分脑区，而且保持至今。爬行脑最大的特点就是高效率和低能耗，它的功能就是为了单纯地活下去，它控制着生命最基本的功能，如心跳、呼吸、战斗、逃命、喂食和繁殖等功能。这部分脑区的功能不包含情感。爬行脑在大约2.5亿年前便停止进化，因此人类的“爬行脑”和所有爬行类动物的大脑，在本质上并无二致。它的一大特点就是不受意志控制，并带有强迫性，其中包含的程序都是固化的对环境的反应。

“爬行脑”执着于自我防卫。本能地躲避伤害以及其他逃生行为都是经过上亿年演化出来的，这些本能已经固化在了这部分脑区。这部分脑区经历过残酷的竞争和演化压力，正是这部分古老的脑区帮助我们的祖先在这个星球上熬过了最初的数亿年。这部分原始的、不具备语言功能的脑区藏在大脑深处，却主导了我们绝大多数行为和决策。

东部非洲是众多哺乳动物的栖息地，角马是其中的代表物种。马塞马拉和塞伦盖蒂两大草原之间隔着一条长长的马拉河，每年7月，数以百万计的角马都会穿越这条河，前往对岸的草原寻找丰美的草场。到那时，人们可以乘坐热气球和直升机去观看壮观的动物大迁徙。然而壮观的表面下隐藏着致命的危机，因为河水中隐藏着危险的鳄鱼。它们在河中静止不动数小时，等待着在角马们靠近时发动猛烈的袭击。消化食物对鳄鱼来说需要整整一周的时间，在此期间，它们会安静地躺着，毫不动弹。这是典型的爬行类动物的行为机制，除非事关生死，否则它们几乎不做任何动作。

然而，对于以食草为主的角马来说，它们绝对没有能力与鳄鱼搏斗。它们唯一的生存法则就是依靠根植于“爬行脑”的本能直觉和快速反应——逃跑。只有通过足够迅速的反应，才能避开鳄鱼那张血盆大口的威胁。

在动物世界中，只有两个法则：要么快，要么死。

如果行动不够迅速，要么无法捕捉到猎物，要么无法逃避天敌的致命攻击。如果我们祖先的大脑没有这一部分脑区的正常工作，无法迅速躲避袭击或者快速出击以击倒猎物，那么也就不存在今天的我们了。

值得注意的是，“爬行脑”并不倾向于从经验中学习，而是更偏向于一再重复已经固化在这部分脑区的本能反应。在自然界中，许多动物并不一定依赖记忆来生存。以鲨鱼为例，它们的祖先可以追溯到至少4.5亿年前，经过数亿年的时间，地球的环境发生了无数次剧变，鲨鱼所面对的食物也早就今非昔比。然而，它们能够存活下来并不是依靠准确和长久的记忆力，而是基于原始脑的本能反应。

尽管在演化的过程中，我们的祖先逐渐发展出了更为复杂和高效的大脑，使我们能够进行高级思维和复杂的社会互动，但快速反应和直觉仍然是我们生存的根本。即使在现代社会，我们仍然需要依靠这种能力来应对紧急情况或突发事件，比如本能地闪避突然出现的车辆。因此，我们的身体和大脑保留了这种迅速反应的机制，以确保我们的生存和安全。

然而，当人类逐渐具备了更高级的脑区和功能后，我们能够在与爬行动物的竞争中获得优势。我们的大脑可以进行更加复杂的推理、学习和创造，使我们能够适应不断变化的环境和充分利用资源。我们能够通过积累知识、经验以及合作来解决问题与取得进步。这种能力使我们超越了简单的本能反应，成为地球上最成功的物种之一。

因此，虽然我们的本能反应和直觉仍然起着重要的作用，但我们也能够通过学习、创新和社会互动来不断进化和超越。我们大脑的发展和功能的多样性为我们在环境中的适应和生存提供了巨大的优势，使我们能够不断突破和超越爬行动物仅限于本能反应的局限。

情绪脑：掌控情绪和记忆

大脑的中间层在演化中为生物的生存提供了更广阔的空间。

这部分脑区是基于爬行脑演化而来的边缘系统，掌管动物的情绪，因此有时也被称为“情绪脑”。科学家形象地将这部分脑区称为“哺乳脑”，因为只有哺乳动物才具备这个脑区。在大约2亿年前到5000万年前的演化过程中，哺乳脑逐渐形成，并保持了稳定的结构。如图1-4所示，这部分脑区包括杏仁核、海马、扣带回、下丘脑等结构。这些新进化的结构负责记忆和情绪。该区域内存在一系列神经化学物质，它们能够引发情绪，并进一步影响我们的行为。在遥远的过去，哺乳动物和我们人类的祖先必须应对各种生存挑战。情绪脑分泌的多种神经递质通过激发情绪反应，提高了我们的生存能力。

情绪脑在生物体中扮演着重要的角色。它们可以快速地产生情绪反应，帮助我们识别和应对潜在的威胁或机会。这种快速的情绪反应是通过与记忆的关联实现的。当我们面临类似的情境时，大脑会检索过去的记忆，从而引发与之相关的情绪反应。这种记忆和情绪的联结让我们能够更好地适应环境并做出更明智的决策。具备了记忆力的哺乳脑让哺乳动物记住场景和事物，以及这些场景和事物伴随的情绪。这就让哺乳动物可以在出生后了解环境，更好地适应环境。通过学习，哺乳动物可以根据经验知道什么是危险的，什么是有利于生存的。这比爬行动物迈出了大大一步。

动物的世界非快即死，这个生存法则当然也囊括了哺乳动物。哺乳动物之所以与其他生物不同，或者是更高级，是因为它们拥有两部分脑区。除了能够依靠爬行脑做出快速的本能反应外，它们还能通过情绪脑对环境进行学习，获得升级版的快速反应能力。

人类的哺乳脑与其他哺乳动物的大脑本质上并无差异，科学家用“3F”来概括它的功能：战斗（Fighting）、觅食（Feeding）和逃跑（Fleeing）。哺乳类动物会照顾自己的后代，而爬行类动物则不会如此，它们通常在产下蛋后就离开，让孩子们自行生存。

我们人类拥有丰富的情绪体验，情绪脑负责产生情绪以及与情绪相关的记忆处理，这也是情绪脑得此名的原因之一。情绪的存在让我们人类对世界有了更加深入的感知和反应能力。

不同情境下产生的情绪能够帮助哺乳动物了解并更好地适应环境。例如，恐惧情绪能够迅速触发科学家所称的“战斗或逃跑”的身体反应，包括攻击行为和恐惧反应。这种直接而迅速的反应能够让许多哺乳动物在危险中幸免于难。

一个夏日的傍晚，我和朋友一起在林间散步，我们正在热烈地讨论近期热映的一部电视剧。朋友突然大叫一声：“有蛇！”我本能地“啊——”地叫出了声，而且身体本能地向后跳了出来。我的这两个身体反应发生在电光火石之间，甚至在我的意识到达前就已经完成。之后，我才稳了下神色，顺着朋友的手指看到了前方有一条“蛇”出现在道路中间。我们停下脚步并终止交谈，仔细观察前方视野里的危险“生物”。还好，我们最后确认那是一段麻绳。我们面对面尴尬地彼此微笑，然后又回到我们先前的谈话当中。

从这个经历中，我们很容易发现这样一个事实，即情绪是一种演化出来的打断机制：当某种行为需要被打断时，情绪就会产生，以便生物体关注一些关键的有关生存的信息，从而对行为做出修正。路上遇到蛇，情绪打断了我们的谈话，是为了让我们注意到危险并及时逃离。令人欣慰的是，直觉通常是可靠的，它能够帮助我们在紧急情况下做出迅速的决策。

伟大的比较心理学家施奈拉（T.C.Schnierla）指出，趋向（approach）和回避（avoidance）是每个生物在面对环境时所做出的基本心理决策。实际上，我们所经历的大多数情绪都具有促使我们趋向或回避某事的作用。情绪在帮助我们做出决策时起着重要的作用，决定着我们是向某个事件靠近还是远离。

当我们感到愉悦、兴奋或好奇时，我们往往会倾向于接近和追求这类情绪的来源，因为我们希望从中获得满足感和积极的体验。这种趋向心理驱使我们主动探索新事物、寻求挑战和奋斗，以实现个人的目标和欲望。

相反，当我们感到恐惧、厌恶或焦虑时，我们倾向于回避或避开这类情绪的来源。我们试图摆脱或逃离可能带来危险、痛苦或负面后果的事物或情境。这种回避心理保护着我们的安全和生存，并帮助我们避免潜在的威胁和伤害。

在现实生活中，我们经历着丰富多样的情绪，涵盖了整个情绪谱系。每种情绪状态都有其特定的功能和意义，它们对我们的行为和思维产生影响，指导着我们在复杂的环境中做出决策。

情绪在我们的生活中扮演着重要的角色，它们是我们内在体验的一部分，同时也是我们适应和应对外部世界的一种机制。通过认识和理解自己的情绪，我们可以更好地管理和应对生活中的挑战，以实现个人的成长和幸福。

尽管情绪脑在演化中起到了重要的作用，但我们的大脑还进一步发展出了更高级的区域，负责复杂的思维和推理能力。这使得我们能够更加灵活地应对各种挑战，并在不同情境中做出明智的决策。然而，情绪脑仍然是我们行为和情感的基础，它与更高级的认知过程相互作用，共同塑造了我们作为人类的独特心智。

因此，情绪脑的存在和功能使得我们能够更加敏锐地感知环境、做出适应性反应，并在与仅有“爬行脑”的动物的生存竞争中取得显著优势。

新皮质：高级和复杂的学习功能

人类大脑的最外层被称为新皮质，也被称为理智脑。它是哺乳动物大脑最为复杂和最高级的部分。新皮质是负责高级认知功能的区域，包括思考、决策、学习、记忆和情绪等。它与人类的智力和意识密切相关。

大多数科学家相信，新皮质的演化发生在大约250万年前。那时，猿类已经从黑猩猩谱系中分离出来了350万年。新皮质演化出来后的50万年里，我们就学会了直立行走。人类的新皮质面积相当大，约占据人类大脑体积的70%，厚度约为2.5毫米。它包裹着小脑和脑干，而脊髓则从底部延伸而出。几乎所有高级能力，如视觉、语言能力以及音乐、数学、科学和工程等方面的能力，都是由新皮质创造和支持的。

为了更深入地理解新皮质，科学家将其分为不同的区域，每个区域都有特定的功能和特征。如图1-5所示，在新皮质中，有四个主要的脑叶（lobe），包括额叶（frontal lobe）、顶叶（parietal lobe）、颞叶（temporal lobe）和枕叶（occipital lobe）。

每个脑叶在大脑中扮演着独特而重要的角色，进一步了解它们的功能将有助于我们对大脑的理解。

额叶包括前额叶和后额叶。前额叶位于大脑的最前端，负责高级认知功能，如决策、执行控制和规划。它参与评估不同选项的优劣，并制订适当的行动计划。前额叶还与个性特征、社交行为和情绪调节紧密相关。后额叶参与了视觉信息的处理和分析，帮助我们感知和理解自己在空间中的位置，并进行空间导航和方向感知，控制目标导向的行为。另外，后额叶在计算方面也发挥作用。

顶叶位于大脑的上部，涵盖了感觉和空间认知的皮质区域。这个区域处理我们的躯体感觉，包括触觉、温度觉和痛觉等。此外，顶叶还参与空间定位、身体姿势感知和运动协调。

颞叶位于大脑的侧面，承担着多个重要功能。其中一部分颞叶参与了听觉处理，包括对声音的分析和声音记忆的形成。另一部分颞叶则在情绪调节和记忆形成方面发挥关键作用。同时，颞叶还包含语言中枢，促使我们理解和产生语言。

枕叶位于大脑的后部，主要负责处理视觉信息。枕叶中的视觉皮质使我们能够感知和解释所看到的世界。如果枕叶受损，尽管眼睛本身功能正常，患者还是可能会面临视觉障碍，无法正确识别或解释所看到的事物。

这些脑叶之间相互连接和交互作用，形成了复杂的大脑网络。它们与其他脑区共同协调，以实现我们的感知、思维、情绪和行动。对于理解大脑的整体功能以及我们作为人类的行为和认知能力来说，对这些脑叶的研究至关重要。

新皮质的演化是哺乳动物进化的里程碑，它为哺乳动物提供了独特的智力和认知能力。尤其是，它使得人类能够进行抽象思维运作、逻辑推理以及体验复杂的情感。同时，新皮质还具有高度可塑性，可以通过学习和积累经验来适应甚至改变环境。上述高级认知能力和适应性使得人类能够创造和发展文化、科学和技术，推动社会的进步和演化。

新皮质和旧的脑区通过神经纤维彼此互联，交换信息。但新皮质并不能直接控制肌肉活动，因为它们没有任何细胞是与肌肉直接相连的。但新皮质可以向旧脑发出信号，要求旧脑执行指令。举个例子，呼吸是脑干控制的基本功能，不需要大脑的思考，但大脑仍然可以决定暂停呼吸并向脑干发出执行命令。

非哺乳动物不需要新皮质去应对复杂的生活，因此它们没有演化出这部分脑区。从这个角度上看，哺乳动物（尤其是人类）的确是演化中更高级的动物。

新皮质结构复杂且分工细致，我们在这里先做一个初步了解，之后我会在后面章节详细介绍每一个跟学习相关的脑区。