论大脑中的高速立交通路

大脑中的信息传递是非常快速的，大多数情况下是有条不紊的。那么，其信息传递的通路是什么样子的呢？

从结构上看，神经纤维的连接像极了高速公路和立交桥。有远程的直接联系，也有短距离的快速通道，在交叉的地方也存在多层交叠的结构；但神经纤维的活动更像是铁路而非公路。在这个系统里，只有一种运输工具(神经纤维)，还有更多的辅助设施(髓鞘、胶质细胞)；活动模式像列车运行一样，一列一列的发放，并且也难以超载。

在这样一个信息高速立交系统里，存在哪些运行规律呢？首先，信息传输在多个频率上完成。大脑内存在很多节律性活动。极慢的如季节性抑郁症，以年为周期；稍快的如月经和心境变化，以月为周期；再快一点的如昼夜节律(2017年诺贝尔生理与医学奖的内容)，以24小时为周期(对很多现代人来说，也可能存在周节律，以7天为周期，影响我们的工作效率)；再快的如次昼夜节律，以1.5～2小时为周期(为什么一节课45分钟？因为当进入一个周期的低谷，我们很难继续有效地学习)。上述活动都非常慢。除此以外，自1929年发现alpha波以来，我们把1～80Hz的神经活动划分成delta (1～4Hz), theta (4~8 Hz), alpha (8~12Hz), beta (12~30Hz), gamma (30~80Hz)五个频段，每个频段有不同的认知功能。当然，今天我们已经能够把这五个频段进行细分，比如alpha1, alpha2, beta1, beta2等。高于80Hz的也可以分成高频和超高频活动，但我们对它们仍知之甚少，虽然有人认为这些很高的频率也具有非常重要的认知功能。在此之间，还有0.001~1Hz的频段。虽然有大量功能磁共振研究和电生理研究涉及这个"窄"频段，但我们对其功能的理解仍然极度匮乏。大脑活动有个非常重要的特征叫无标度，即越低频的活动越强烈，随着频率升高，活动强度呈指数下降。因而，0.001~1Hz的慢波可能具有跟重要的心理功能，比如注意、意识等。

其次，频率之间存在着信息交流。交流的方式有相位-相位耦合、相位-波幅耦合、波幅-波幅耦合等。跨频率的耦合实现了载波，也实现了信息交流。最常见的跨频率耦合是相位-波幅耦合，即高频活动的波幅在低频活动的某个相位上最强，而在另外一个相位上最弱。跨频率耦合具有非常重要的功能，比如信息绑定、信息门控。一个有名的例子是，一个theta波的周期能容纳7个左右的gamma波的周期，成就了短时记忆中的神奇数字7这一伟大的发现。

第三，不同频率的神经活动有不同的脑区分布。比如大量研究发现，顶枕区的alpha波增强可能跟抑制功能有关。从大脑后部往前，神经活动的主要频率逐渐降低，对应大脑的整合功能则逐渐增强。当然也不排除从灰质到白质的频率有逐渐升高的可能性，就像两个车站中间火车加速和减速一样。神经活动的频率还有一个特征，即高频的gamma波主要与局部的信息整合有关，相对低频的活动也主要与远距离的信息传递有关。神经活动还具有哪些频率特征尚不清楚。值得一提的是，快速神经活动(＞1Hz)与慢速神经活动(＜1Hz)的频率特征是否具有相同的规律也还不清楚。

基于上面的描述，我们似乎可以建构起一幅信息传递的高速立交通路的图景。在一条神经通路上，信息可以在不同频率上传播，就像一条路在地上地下修了很多层一样。可用的频率有多少呢？想象一下收音机电台密集的频率分布，再想想神经活动那无比宽广的频率就可以知道，现在已经确定的神经活动频率就像频带草原上的寥寥几棵青草。这莽莽荒原上是存在着诸多尚未确定的神经活动，还是像染色体一样，大部分的位置起到调控一小段基因的表达的功能？另一方面，不同频率的神经活动又可以互相交流，就像立交桥的不同层之间可以互通一样。这样就使信息交流灵活得多。同时，大脑内还存在大量神经纤维的交叉、短距离的神经纤维以及粗大高速的纤维；这就使得信息交流的模式倍增了。大量的交叉可以让信息同时向多个目的地传播；短距离纤维加快了一些信息的传递效率；粗大的神经元为数不多，但似乎是为特定类型的信息交流而准备的，比如说为了应对危急情境。这些现象可能是普遍规律的补充，也有可能是构成脑区异质性、多样性所必须的。大脑的组织是很高效的，但又不是那么高效，总有一些改进的余地，总有一些异常发生，也总有一些奇迹诞生。这个高速立交通路模型至少可以让我们在一定程度上理解大脑是怎样活动的，但它总不至于是最后的模型，因为我们总是在不断发展的。说不定多少世代之后，我们终可以窥其全貌；也说不定我们的大脑会发展出更有效的信息交流模式，我们所见的只不过是一个片段而已。